脉冲红外激光刺激听神经研究综述

王健，关添，吴默村，彭保

（1.深圳信息职业技术学院电子与通信学院，广东 深圳 518172；2.清华大学深圳研究生院生物医学工程研究中心，广东 深圳 518055）

脉冲红外激光刺激听神经研究综述

王健1，关添2，吴默村2，彭保1

（1.深圳信息职业技术学院电子与通信学院，广东 深圳 518172；2.清华大学深圳研究生院生物医学工程研究中心，广东 深圳 518055）

相比于电刺激，红外激光刺激技术具有显著的优越性。本文综述了近年来脉冲红外激光刺激听觉系统的研究，主要包括：激光触发听觉冲动的可行性、空间选择性、安全性、生理机制、刺激参数的影响、致聋时长的影响等。最后，本文展望了红外激光刺激技术在光学耳蜗方向的应用和未来的研究方向。

光学耳蜗；红外激光；听神经冲动

据估计，全球约有2.78亿人存在听力障碍。随着环境污染和生活压力的加剧，该数字持续上升[1]。

电子耳蜗基于电流对神经组织的刺激，能够较好地恢复中度和重度听力受损者在安静状态下的语音识别能力，但较难满足听力受损者在噪声环境下的语音感知需求。电流刺激听神经具有以下缺陷：具有电流扩散效应、独立的电极数目少、空间选择性低、需要和人体组织接触、有刺激伪迹[2,3]。

相比于电刺激，激光刺激具有很多优点：(1)方向性好。激光可以减小或避免扩散效应，降低不同通道之间的信号干扰，因此激光刺激具有较好的空间选择性。(2)散射小。(3)安全性好。激光刺激源和组织不用接触。(4)没有刺激伪迹。

目前，红外激光刺激技术已经广泛用于神经刺激的多个领域，如：激光刺激坐骨神经、海绵体神经、面神经、前庭神经、躯体感觉皮层、耳蜗听神经[4-6]等。

研究表明：对于听觉系统，脉冲红外激光刺激听神经具有很高的空间选择性[7]。相比于电刺激，激光刺激能将人工耳蜗的通道数提高一个量级[8]，因此能极大地改善患者在噪声中的语音识别能力。本文综述了近年来脉冲红外激光刺激听觉系统的研究，主要内容包括：脉冲红外激光触发听觉冲动的可行性、空间选择性、安全性、生理机制、刺激参数的影响、致聋时长的影响等。最后，本文展望了未来的研究方向。

1 研究回顾

目前，脉冲红外激光触发听觉冲动的研究主要集中在：美国西北大学的Richter实验室、德国汉诺威医学院的Lenarz实验室、重庆大学的侯文生实验室。其中，最具代表性的是Richter实验室和Lenarz实验室的研究。

1.1 可行性研究

可行性研究将探讨脉冲红外激光能否触发听觉冲动。

（1）Richter实验室[4,9]：

2006年，Richter实验室率先使用波长为2.12 μm、脉宽为250 μs的脉冲中红外激光刺激沙鼠的螺旋神经节细胞，测量激光触发的耳蜗复合动作电位(Optical Compound Action Potential,OCAP)，并测量声音触发的耳蜗复合动作电位信号(Acoustical Compound Action Potential,ACAP)，发现OCAP和ACAP波形相似，这表明：通过脉冲红外激光刺激螺旋神经节细胞来触发听神经冲动是可行的[4]。

除了在动物活体上进行激光刺激的可行性验证实验，Richter实验室还在人体上进行了验证。2009年，Fishman等[9]对一个需要手术切除肿瘤的患者，使用波长为1.85 μm，刺激速率为10 Hz，刺激强度为0-9.4 mJ/pulse的低能量脉冲红外激光刺激患者的耳蜗螺旋神经节细胞，结果发现能够触发OCAP，首次证明激光触发人耳听神经冲动是可行的。

（2）Lenarz实验室[10-12]：

为了整合和利用残存的耳蜗听力，德国汉诺威医学院的Lenarz实验室尝试一种与Richter不同的研究方案。他们使用脉冲激光刺激沙鼠的骨螺旋板，记录激光触发的听性脑干反应(Optical auditory brainstem response,OABR)和下丘神经元反应。研究发现：OABR和声音触发的听性脑干反应(Acoustical auditory brainstem response,AABR)波形相似。这表明激光刺激骨螺旋板也能触发听神经冲动。

除了1.85-2.12 μm波长的激光，Wenzel等发现532 nm的绿光也能够有效触发听神经冲动[12]。

（3）重庆大学生物医学工程系侯文生实验室使用波长较短、吸收系数较低的808 nm近红外激光刺激豚鼠耳蜗的听神经，发现808 nm的红外激光能够触发OCAP[13]。

1.2 空间选择性研究

空间选择性研究主要探讨激光触发听神经冲动能否避免或减小扩散效应。Richter等提出：脉冲红外激光能够激活急性或慢性致聋动物的听神经，具有很高的空间选择性[5,6]。实验方法主要包括三种：免疫组织化学染色法、光音掩蔽法、下丘测量法。

（1）免疫组织化学染色法

Richter实验室的 Izzo等使用免疫组织化学染色法对沙鼠耳蜗的c-FOS蛋白进行染色，观察听觉系统进行激光刺激、纯音刺激和电流刺激后的兴奋扩散程度[7]。结果发现：电刺激对应的染色区域最大，纯音刺激和脉冲激光刺激下的染色区域相似。这表明：激光刺激具有和纯音刺激相似的较好的空间选择性，并显著优于电刺激的空间选择性。因此，激光刺激听神经对改善人工耳蜗的性能预计具有显著的效果。但是，免疫组织化学染色法只适用于激光刺激强度高于阈值水平的情况，不能用于较低的刺激强度。

（2）光音掩蔽法

一个声音能掩蔽另一个声音对耳蜗的刺激。光音掩蔽法是用声音去掩蔽激光对耳蜗螺旋神经节细胞的刺激。Izzo等发现：光音掩蔽曲线和音音掩蔽曲线相似。这表明：激光具有与纯音相似的良好的空间选择性[7,8]。

（3）下丘测量法

Richter实验室使用下丘测量法发现：脉冲激光刺激和纯音刺激的空间调谐曲线具有相似的宽度[14]。结果同样证明：脉冲激光刺激具有与声音刺激相似的空间选择性。

1.3 安全性研究

激光具有一定的能量。高强度的激光既可以杀死肿瘤，也可以烧坏正常组织。因此，激光触发听神经冲动如果要应用于人体，一定要进行安全性验证。

（1）Richter实验室：

Richter实验室的Izzo等人发现：用波长为1.85 μm，脉宽为30 μs，重复频率为13 Hz，强度为10 mJ/cm2的脉冲红外激光连续6小时照射耳蜗神经组织，OCAP的幅度并没有随着照射时间的增长而发生明显变化[5]。此外，Izzo等[15]使用较高重复频率(400 Hz)的激光连续2小时刺激耳蜗听神经元，OCAP的峰峰值也没有显著变化。

Richter实验室的Rajguru等[16]在猫的耳蜗中长期植入微型脉冲红外激光刺激器，量化激光器刺激正常猫和致聋猫的耳蜗听神经元的功效和短期安全性。研究发现：当激光重复频率为200 Hz，功率为200 mW/pulse，脉宽为100 μs时，连续刺激10小时，OCAP的幅度仍然非常稳定。

以上研究表明：脉冲红外激光刺激听神经元是安全稳定的。

（2）Lenarz实验室：

Lenarz等用强度为13 pJ/pulse、重复频率为10 Hz的激光连续照射豚鼠耳蜗15分钟、30分钟、1个小时，结果发现：OABR和基底膜振动并没有在激光照射前后发生明显变化[17]。因此，在一定的脉冲能量下，利用激光刺激耳蜗骨螺旋板是安全稳定的。

1.4 生理机制

激光触发听神经冲动的原理主要有四种假说：光化学效应、光电场效应、光压效应、光热效应。

（1）光化学效应

光化学效应依赖于目标组织对某种特定波长激光的吸收去触发化学反应。一般情况下，紫外波段激光或者超短脉冲激光容易触发光化学反应。但是，在Richter和Lenarz等人的实验中，使用的激光为低能量红外激光，红外光子能量太低(＜ 0.1 eV)，没有足够的能量直接发生光化学反应。因此，激光触发神经冲动的机制不可能是光化学效应[18]。

（2）光电场效应

范德堡大学的Wells等人使用750 nm的激光刺激小鼠外周神经，发现：激光触发神经冲动可能与组织的吸光性有关，与电场效应无关[18]。

（3）光压效应

光压效应的机理是通过激光的加热产生压力波，挤压耳蜗液体，产生耳蜗微音器电位。但是，Richter实验室发现：耳蜗微音器电位在ACAP中能够观察到，但是在OCAP中观察不到[9]。因此，激光触发听神经冲动的生理机制不可能是光压效应。

此外，由于光压效应的大小与刺激脉冲的持续时间有关，范德堡大学的研究者们采用另一种方法来探讨光压效应能否触发神经冲动[18]，即：观察激光的脉冲持续时间是否对刺激阈值产生影响。结果显示：对各个波长的激光，刺激阈值均不随脉冲持续时间的变化而变化，并且当激光脉冲的持续时间特别长以至于无法产生光压效应时，仍能观察到激光触发的神经冲动现象。这表明：光压效应不是触发神经冲动的生理机制。

（4）光热效应

范德堡大学的Wells等人通过测量脉冲低能量激光照射点的温度变化，发现从开始进行激光刺激到产生神经冲动，神经组织的温度发生明显变化，并且在照射光斑范围内温度升高的幅度近似呈高斯分布。越靠近中心温度上升越高，越靠近边缘温度上升越低。这表明：神经冲动是光热效应的结果[18]。

许多研究结果都支持光热效应是中红外激光触发听神经冲动的机制[4-7]。神经组织吸收激光，导致目标组织局部温度短暂升高，对温度敏感的瞬时电位感受器或者以热量为媒介的离子通道会被激活，从而触发神经兴奋。

1.5 激光参数的影响

（1）波长的影响

目前，成功触发听神经冲动的激光波长主要有：532nm[12]、880nm[13]、1.84～2.12 μm (包括1.844-1.873μm、1.923-1.937μm、2.12μm)[16,19]。

Richter实验室选取脉宽为5-300 μs，重复速率为2 Hz，刺激强度为0.05-50 mJ/cm2，波长为1.844-1.873 μm和1.923-1.937 μm两个波段的脉冲激光分别刺激沙鼠耳蜗的螺旋神经节细胞[19]。结果发现：1）波长越短，OCAP强度越大，触发的神经冲动越多；2）1.844-1.873 μm(波长相对较短)的脉冲激光触发的OCAP幅度陡峭变化，而1.923-1.937 μm（波长相对较长）波段的脉冲激光触发的OCAP幅度十分平稳。其它学者也得出了类似的结论[5]。

究其原因，这是因为：脉冲激光触发的神经冲动强度与组织中水对激光的吸光性相关[20]，而不同波长的激光具有不同的吸光性。对于1.844-1.873 μm波段，激光的波长较短，水对该波段的激光具有较弱的吸光性，光波在组织中传输时能量损耗较少，能够渗透到较深的神经组织，有效地刺激神经细胞，从而产生较强的神经冲动，触发出幅度较大的OCAP。对于1.923-1.937 μm波段，激光的波长相对较长，水对该波段的激光具有较强的吸光性，光波在组织中传输时能量损耗较多，只能渗透到较浅的神经组织，有效刺激的神经细胞数量较少，从而产生较弱的神经冲动，触发出幅度较小的OCAP。

（2）刺激速率的影响

研究发现：1）当激光的刺激速率较小时，随着刺激速率的增大，听神经元动作电位的发放率线性增大[21]；2）当激光刺激速率大于100 Hz时，听神经元动作电位的发放率并不严格跟随激光刺激速率[21]；3）当激光刺激速率达到300 Hz时，听神经元动作电位的最大发放率仅为220 Hz[22]-250Hz[14]，远小于单根听神经的最大冲动发放率300～400 Hz[23]。4）当刺激速率大于300 Hz时，动作电位和脉冲激光之间的相关性急剧下降[21]。

Richter等认为[14]：脉冲激光的最大刺激速率为200～400 Hz时，激光刺激不会对相应的组织产生损害。

（3）刺激强度的影响

Richter和Lenarz实验室的研究发现：1）当激光的刺激强度小于阈值时，无法触发神经冲动；2）当激光的刺激强度大于等于阈值时，随着激光刺激强度的增加，触发的听神经冲动的强度增大。3）当激光的刺激强度增大到一定值(饱和点)后，听神经冲动的强度不再增大或者反而减弱。此时，能量过强的激光会对神经组织造成伤害。因此，脉冲激光的刺激强度应介于阈值和饱和点之间，才能取得良好的刺激效果。

如果使用激光刺激耳蜗的螺旋神经节细胞并测量OCAP，则所需的激光刺激强度较大，研究表明：最高的激光刺激强度建议为3 J/cm2[4]。

如果使用激光刺激骨螺旋板并测量OABR，则所需的刺激强度较小，研究表明：最高的激光刺激强度建议为13-15 μJ/pulse[12]。

值得注意的是，由于以上两类实验分别来自Richter实验室和Lenarz实验室，刺激的耳蜗位置不同，并且OCAP实验采用微秒级激光器，OABR实验采用纳秒级激光器，两种激光器的激光强度单位不同。由于文献中缺乏光斑面积等具体参数，因此无法将J/cm2和μJ/pulse这两种单位进行统一。

（4）刺激脉宽的影响

Richter实验室研究了脉冲红外激光的刺激脉宽对豚鼠或沙鼠耳蜗听神经冲动的触发效果[24]。结果发现：(1)当脉宽为5 μs、10 μs、30 μs时，触发同等强度的神经冲动所需的光辐射量相似。(2)但是，当脉宽大于30 μs时，随着脉宽的增加，触发同等强度的神经冲动所需的光辐射量不断增加。这是因为：当脉宽较大时，激光产生的热量在组织内大量扩散，从而降低了目标组织的有效温度，要想达到足够的温度以触发听神经，就需要增强激光的强度，组织受损的风险也越大。特别是刺激速率较大时，可能来不及散热，组织受损的风险更高。Richter等人分析了耳蜗结构和听神经刺激的特点，提出：脉冲激光的脉宽取1-100 μs比较合适[24]。

（5）光纤放置位置的影响

Izzo等[4]使用2.12 μm的激光刺激沙鼠的听神经元。研究发现：当光纤逐渐远离耳蜗轴时，OCAP的幅度会下降。当光纤到耳蜗轴的距离从0增大到300 μm时，OCAP的幅度将下降68%。研究认为：当光纤头远离耳蜗轴时，光纤和螺旋神经节细胞间的耳蜗液体量增加，液体对光的吸收增加，导致刺激螺旋神经节细胞的光能减少，因此OCAP幅度下降。这一实验也证明了光热效应是激光触发听神经冲动的原因。Izzo使用波长为1.94 μm的激光刺激沙鼠的听神经元，也得到了相同的结论[24]。

1.6 致聋时长的影响

Richter等探讨了急性致聋和慢性致聋对OCAP的影响[6]，急性致聋是指致聋后马上进行激光刺激，慢性致聋是指致聋四周后再进行激光刺激。研究发现：急性致聋前后的OCAP基本没有差异。但是，慢性致聋后的OCAP阈值显著比致聋前高。这种变化与残存的螺旋神经节细胞数量有关。对于急性致聋，螺旋神经节细胞的密度在致聋前后并没有改变，因此急性致聋前后的OCAP没有显著差异。相反，慢性致聋后的螺旋神经节细胞的密度显著降低，导致慢性致聋后的OCAP阈值显著增大。

2 结论

本文从多个方面综述了近年来国内外对脉冲红外激光刺激听觉系统的研究，主要包括：脉冲红外激光触发听神经冲动的可行性、空间选择性、安全性、生物机制、激光刺激参数和致聋时长对刺激效果的影响。研究发现：

（1）脉冲红外激光触发听神经冲动可行、空间选择性高、安全稳定。

（2）从目前的实验结果来看，脉冲红外激光触发听神经冲动的生物机制是光热效应。

(3) 激光的波长、刺激速率、刺激强度、刺激脉宽、光纤放置位置都对触发效果具有影响，但目前还没有优化后的刺激参数。

（4）急性致聋对激光触发听神经冲动几乎没有影响，但慢性致聋后的OCAP阈值显著增大。

3 展望

脉冲红外激光刺激在听觉系统的应用主要是光学耳蜗的研发。未来待解决的问题主要包括：

（1）目前，脉冲红外激光刺激听觉系统的研究主要集中在动物(如沙鼠、豚鼠、猫)实验中，只有一例实验是在肿瘤病人身体上进行。因此，为了在人体上实现光学耳蜗，还需验证激光刺激在人体上的安全性。

（2）目前采用的脉冲红外激光波长范围较窄，主要为532 nm、808 nm、1.84-2.12 μm，还需要验证其它波长的脉冲激光触发听神经冲动的可行性和生理机制。

（3）刺激参数（如刺激位置、刺激速率、激光波长、刺激强度、刺激脉宽、刺激时长等）还需进行最优化设置；只有在动物实验中确定最优参数，才有可能用于人体。

（4）目前的动物实验仅局限于单通道光纤实验。为了实现光学耳蜗，未来的研究还需要探讨多通道激光触发听神经冲动的效果。

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Review of pulsed infrared laser stimulating auditory nerves

WANG Jian1,WU Mocun2,GUAN Tian2,PENG Bao1
（1 School of Electronics and Communication,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,P.R.China;2 Research Center of Biomedical Engineering,Graduate School at Shenzhen,Tsinghua University,Shenzhen 518055,P.R.China）

Compared to electrical stimulation,infrared laser stimulation technique has significant advantages.This paper reviewed relative research focusing on pulsed infrared laser stimulation of the auditory system in recent years.The main contents include:feasibility of laser triggering auditory impulse,spatial selectivity,security,physiological mechanisms,the effect of stimulation parameters,and the effect of time duration of deafness.Finally,this paper prospected the application of infrared laser stimulation technology on optical cochlear,proposing potential research directions in the future.

optical cochlear;infrared laser;impulse of auditory nerve

R318.18

A

1672-6332（2015）01-0026-06

【责任编缉：高潮】

2015-03-09

国家自然科学基金青年基金(81401539)；国家自然科学基金(31271056)；深圳市人体听觉与平衡功能医疗技术工程实验室、深圳市战略新兴产业发展专项资金(JCYJ20130401100512995)

王健（1985-），女（汉），四川德阳人，讲师，博士。主要研究方向：听觉音高感知、语音信号处理。E-mail:wangj01@sziit.com.cn