定义光学人工耳蜗植入物的刺激参数范围

光遗传学，即用光控制转基因细胞，已经彻底改变了生命科学和医学。它可以通过光脉冲以有针对性的方式控制细胞及其网络的活动。这为听觉和视觉等感觉系统功能障碍的治疗开辟了全新的视角。

光遗传治疗在感觉系统功能恢复方面的潜力及其临床可行性最近已被证明用于视觉系统。利用光学人工耳蜗(oCI)治疗听力损失和耳聋尚处于临床前阶段。临床前研究和模拟表明，光线下的听觉有可能产生接近生理的听觉印象，包括对情绪音调和复杂旋律的识别。

Antoine Tarquin Huet博士是Göttingen卓越多尺度生物成像集群的初级研究员:从分子机器到可兴奋细胞网络(MBExC)，探索了oCI在人类临床应用中必须满足的要求。“光下听力需要oCI将声音信号转换成光信号的模式，然后以适当的方式刺激耳蜗中的神经元。光遗传刺激必须精确地适应编码特性听觉神经Huet来自大学医学中心听觉神经科学研究所Göttingen (UMG)。

“在目前的研究中，我们定义了适当的刺激参数，在此范围内，使用未来的光遗传假体(如oCI)控制听觉神经元是合理的。”在他们最近发表在杂志上的研究中脑刺激， Göttingen听力研究人员描述了如何实现未来光遗传工具的快速可靠表征，然后可以用于研究耳朵和大脑之间神经元信号的处理。

通过光遗传方法恢复听力，可以通过光脉冲靶向下游听觉神经元的活动来绕过功能障碍或缺失的感觉细胞。这种方法需要一种基因疗法，通过插入光敏离子通道，即所谓的通道视紫红质，使听神经细胞对光敏感。oCI的植入式光刺激器用于针对性的光刺激。

这导致通道的打开和离子的涌入，动作电位发生，神经细胞被电刺激。用于刺激听觉神经的光脉冲可以比电更精确地使用，因此能够激活比目前使用的电CI更小的区域和更少的听觉神经细胞。细胞特异性和空间局限性optogenetic刺激承诺改善功能恢复远远超过目前的电子耳蜗植入所能做到的。

研究结果详细

光恢复听力的前提是光学人工耳蜗将传入的声音信息转化为光信号，光信号又以合适的方式激活耳蜗内的神经细胞。为了为临床试验铺平道路，从而为未来在人类身上的应用铺平道路，第一步是确定耳蜗中神经细胞活动的控制能够成功的边界。

Huet说:“光对神经元活动的最佳控制远非微不足道。”“这需要对所使用的通道视紫红质的生产及其细胞膜掺入进行良好的调节，光遗传刺激参数与目标神经元群体的编码特性进行最佳匹配，以及正确选择激光二极管。”

在他们的研究中，Göttingen科学家提出了神经元光遗传控制的参数范围，并将其应用于听觉通路，这需要很高的刺激时间精度。他们研究了特定强度和持续时间的光脉冲如何控制小鼠耳蜗中单个听觉神经元的激活。为此，他们在小鼠耳蜗的螺旋神经节神经元(SGN)中引入了Chronos，这是一种自然产生的通道视紫红质，能够对光刺激做出极快的反应。

他们证明，通过调整光脉冲的持续时间，可以实现听觉神经元的分级激活。这对于激光二极管的最佳使用是有意义的。此外，他们还定义了最佳持续时间以及频率的上限光脉冲在给定条件下。

有趣的是，光基因控制的听觉神经元群体表现出极大的多样性。Huet说:“从理论的角度来看，这种功能多样性是扩大编码信息数量并提高其可靠性的关键因素。”

此外，研究结果表明，当sgn受到光遗传学刺激时，sgn下游的神经元可以以一种接近生理的方式被激发。Göttingen听力研究人员的发现将为未来光学人工耳蜗植入物的声音编码策略设计铺平道路。