光學(xué)刺激能為色素性視網(wǎng)膜炎或其它視網(wǎng)膜細(xì)胞有問題的患者提供人工視覺

主要研究人員、生物工程學(xué)教授理查德•拉彼特說，現(xiàn)在我們用耳蝸植入方法改善耳聾患者有限的聽力，“我們將來會用紅外線脈沖代替電脈沖與大腦交流。”紅外線可以讓我們感覺到熱，那么心臟和內(nèi)耳細(xì)胞被激活是否與紅外線輻射本身無關(guān)而是熱的原因呢？拉彼特和同事通過實驗證明，這些細(xì)胞確實是被紅外線輻射所激活。

 這項由美國國家衛(wèi)生研究院資助的研究還提出發(fā)展用光信號代替電信號刺激心臟細(xì)胞制作心臟起搏器的可能性。他們發(fā)現(xiàn)，通過玻璃光纖釋放產(chǎn)生的短波紅外線可以激活心臟細(xì)胞和內(nèi)耳細(xì)胞。進(jìn)一步研究又發(fā)現(xiàn)，紅外線激活心肌細(xì)胞是通過使線粒體內(nèi)外的鈣離子產(chǎn)生運動實現(xiàn)的，同樣的過程也發(fā)現(xiàn)在內(nèi)耳細(xì)胞中。紅外線照射內(nèi)耳細(xì)胞和心臟細(xì)胞與激光發(fā)射器一樣，紅外線也是通過二極管產(chǎn)生的，只是波長不同。

 研究人員在實驗室用紅外線照射新生小鼠的心肌細(xì)胞和蟾魚的內(nèi)耳毛細(xì)胞。毛細(xì)胞能將聲音、重力或運動的機械振動轉(zhuǎn)變成電信號通過相連的神經(jīng)細(xì)胞送入大腦。實驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過紅外線照射的毛細(xì)胞向給大腦發(fā)送信號的神經(jīng)元釋放了神經(jīng)遞質(zhì)。拉彼特認(rèn)為，毛細(xì)胞的激活是紅外線輻射引起的，因為這些細(xì)胞充滿了線粒體，而它們又是這一波長的主要作用對象。

 在另一項新生小鼠心臟細(xì)胞研究中發(fā)現(xiàn)，紅外線會影響線粒體內(nèi)外鈣離子的流動。拉彼特認(rèn)為這一點很重要，因為對于可產(chǎn)生興奮的神經(jīng)和肌肉細(xì)胞來說，鈣離子就像是讓這些細(xì)胞產(chǎn)生收縮或釋放神經(jīng)遞質(zhì)的扳機。心臟細(xì)胞研究發(fā)現(xiàn)，一次持續(xù)僅僅五千分之一秒的紅外線脈沖既可以使線粒體快速攝取細(xì)胞內(nèi)的鈣離子，并隨后緩慢釋放回細(xì)胞里，這一循環(huán)使細(xì)胞產(chǎn)生了收縮。

 拉彼特認(rèn)為這項研究將會帶來優(yōu)于電信號的光信號耳蝸植入?，F(xiàn)在的耳蝸是將聲音轉(zhuǎn)變成電信號。通常要在內(nèi)耳耳蝸中放置8個電極，這8個電極只能釋放8個頻率的聲音，而一個健康的成年人能聽到的頻率超過3000個。如果利用光線刺激，那能聽到的就不僅僅是8個頻率而是數(shù)百個或數(shù)千個頻率?；蛟S有一天光學(xué)耳蝸將使耳聾患者能再一次欣賞音樂，聽到一個正常人能聽到的所有細(xì)微聲音。與電流不能集中到一個點上而是廣泛分布不同，紅外線能聚焦，這樣就可以讓很多波長的光（相當(dāng)于不同的聲音頻率）集中在內(nèi)耳不同的細(xì)胞上。

 拉彼特說，“鈣離子這種行為正常是由細(xì)胞控制的而非我們。所以紅外線給了我們控制這些細(xì)胞的一種工具。在內(nèi)耳里，你將控制進(jìn)入大腦的信號；在心臟，你將控制收縮。”將內(nèi)耳聲音信號傳遞給大腦的神經(jīng)細(xì)胞每秒可放電300次以上，而紅外線耳蝸就能很好地完成這項工作。實驗發(fā)現(xiàn)，利用激光脈沖照射毛細(xì)胞，可使與之相連的神經(jīng)細(xì)胞每秒放電100多次。對于耳蝸植入來說，這些神經(jīng)細(xì)胞將被紅外線激活而非毛細(xì)胞。

 拉彼特正在進(jìn)行用光線代替電刺激大腦深部有效性的研究，另外還在嘗試?yán)霉鈱W(xué)植入治療平衡障礙的潛力。“我們老的時候會行動緩慢，這不是因為我們的肌肉不行了，而是因為我們的平衡出了問題。”他說。“這項技術(shù)將通過恢復(fù)耳朵向大腦發(fā)送有關(guān)你的身體空間運動的信號而恢復(fù)你的平衡。”

光學(xué)刺激還能為色素性視網(wǎng)膜炎或其它視網(wǎng)膜細(xì)胞有問題的患者提供人工視覺。。“你可以佩戴在鏡框上裝有相機的眼鏡，相機上的電信號將會轉(zhuǎn)變成紅外線輻射脈沖進(jìn)入到有問題的視網(wǎng)膜上。視網(wǎng)膜不是對光產(chǎn)生反應(yīng)，而是對紅外線輻射發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生影像”，他說，利用光學(xué)進(jìn)行聽覺和視覺植入，設(shè)備不必穿透大腦或其它神經(jīng)組織，因為紅外線能夠穿透很多組織，所以這類設(shè)備“有很好的生物相容性。”