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前庭植入物

介绍

前庭系统受损的人会经历一系列症状，包括听觉和视觉障碍、眩晕、头晕和空间定向障碍。目前，对于前庭系统功能减弱或受损的患者没有有效的治疗方法。在过去十年中，科学家们开发了一种类似于人工耳蜗的电刺激装置，可以恢复半规管的功能。前庭植入物旨在恢复前庭系统受损患者的平衡。图 显示了一个前庭植入物原型，这是由 MED-EL（奥地利因斯布鲁克）设计的一种改良的人工耳蜗。

由 MED-EL（奥地利因斯布鲁克）设计的前庭植入物。

这种前庭神经假体原型包含四个主要部分：一个电刺激器、三个放置在每个半规管壶腹中的耳蜗外电极和一个耳蜗内阵列。当前庭植入物开启时，以电荷平衡、双相脉冲形式的电刺激串被发送到每个耳蜗外电极，朝向相应的 vestibular nerve 。最终，电刺激将通过稳定眼球运动（VOR）来恢复患者的平衡。朝着可植入假体发展的努力已经显示出可喜的结果，有效地恢复了头部旋转的正常前庭感觉传导。然而，实现准确的刺激模式以长期编码三维头部运动而不引起不必要的 neuronal activity 仍然是众多关键挑战之一。

前庭眼球反射：当检测到头部旋转（1）时，一侧的 extra ocular muscles 被抑制，而另一侧被刺激。这会导致眼球运动（3）以补偿旋转。

前庭假体演变 (1963-2014)

1963 年，Cohen 和 Suzuki 通过证明可以通过电刺激前庭神经的壶腹支引起眼球运动，从而引入了前庭假体的概念。随后进行的研究旨在设计一个连续且准确的刺激模型，用于康复患有不同类型前庭疾病的患者，例如双侧前庭功能丧失 (BVL) 和梅尼埃病 。在 Cohen 和 Sukui 开创性工作 40 年后，Merfeld 及其同事开发了第一个前庭装置，通过电刺激前庭神经生成平滑的眼球运动 。神经电子前庭装置的可行性进一步激励研究人员整合一个运动检测系统来测量头部运动。Santina 及其同事 使用陀螺仪传感器测量三维空间中的运动，并将这些信息编码以生成信号，通过前庭神经控制每只眼睛的肌肉。截至 2012 年底，世界上只有两个团队在人类身上进行了前庭植入研究：一个团队由华盛顿大学的 Jay Rubinstein 领导，另一个团队由荷兰马斯特里赫特大学医学中心的 Herman Kingma 领导，另一个团队由瑞士日内瓦大学医院的 Jean-Phillippe Guyot 领导 。Jay Rubinstein 在 2010 年领导了第一个前庭临床研究。Rubinstein 及其同事成功地安装了一个前庭起搏器，以减少或停止诊断为梅尼埃病患者的非自愿性眩晕发作 。该设备与手持控制器相结合，可以启动和停止可以发送到任何一个或所有电极的一系列电刺激，但没有编码运动 。不幸的是，植入患者的前庭起搏器导致听觉和前庭功能显著下降 。该小组已经采取了一个新的方向，通过整合有关运动的信息来探索不同的电刺激模式 。第二项针对人类临床研究的尝试由 Kingma、Guyot 及其同事于 2012 年进行。本研究中使用的前庭植入物由 MED-EL 制造。Perez-Fornos 及其同事 证明，患者获得了令人满意的功能恢复水平，这使他们能够进行日常活动，例如步行。

目前，通过持续的大学与企业合作关系取得了进展。有四个领先的大学和/或企业合作关系正在努力为临床应用开发前庭假体。这些团队包括：华盛顿大学的 Rubinstein 和 Cochlear Ltd（澳大利亚莱恩湾）、Della Santina 领导的 Johns Hopkins 医学院前庭神经工程实验室 [美国马里兰州巴尔的摩]、Daniel Merfeld 领导的哈佛大学 Jenks 前庭生理实验室 [美国马萨诸塞州波士顿眼耳医院] 以及 Herman Kingma、Jean-Philippe Guyot 和 MED-EL 的联合努力。

未来研究方向

最先进的前庭植入物技术是一个两步系统，它会对绕着相应轴（前、后或水平管道）旋转产生的三个壶腹神经产生电刺激。然而，假体神经刺激的生物物理学仍然是一个挑战，难以模仿正常的感官传导。尽管我们已经了解了前庭神经传入纤维如何编码头部运动，但我们仍然不了解如何为多通道假体设计非侵入性刺激编码策略。积极的研究仍在继续，重点是克服设计和信号传导的局限性。

目前的脑神经假体旨在激发植入其中的神经组织，但持续的兴奋性刺激可能会导致神经功能障碍。最终，一种既能激发一个方向的头动，又能抑制相反方向的运动的设备是十分需要的。由 Santina 和同事开发的最新原型系统 SCSD1 已经表明，直流电刺激可以诱发兴奋性和抑制性的 VOR 反应。他们的结果表明，将人工基线引入前庭系统可能会以不可预测的方式改变兴奋性和抑制性阈值的动态范围。另一方面，临床研究表明，人类可以在合理的时间内（几分钟）适应人工神经活动的缺失和存在。一旦适应完成，就可以调整刺激的幅度和频率调制以产生不同速度和方向的平滑眼球运动。

电假体的另一种设计限制是电流会扩散到目标神经组织之外，导致错误的半规管受到刺激 。结果，这种电流扩散导致眼轴与头部旋转轴失配。因此，定向神经可塑性背后的机制可以为人类提供对齐良好的反应。其他研究表明，红外神经刺激有利于靶向特定神经元，并且对附近的神经元群体干扰较小 。使用光学方法可以实现更高的空间选择性和改进的手术方法。

此外，前庭假体开发中一个基本挑战是考虑前庭末梢器官的信息如何引发特定运动。研究表明，反射和感知反应取决于刺激哪些前庭传入神经。正在对外科手术进行研究，以精确地定位电极相对于传入神经，这最终可能会极大地影响刺激所需反应的能力。

由于内耳的听觉和前庭区域是连接的，电流扩散到目标壶腹神经之外和/或手术风险可能会干扰耳蜗神经活动。人类植入者很可能存在听力损失的风险，正如在恒河猴身上观察到的。Santina 和同事发现，电极植入会导致高达 14 分贝的听力损失，而电刺激的传递会进一步降低 0.4-7.8 分贝的听力。这项研究表明，电流扩散到耳蜗毛细胞可能会导致附近耳蜗区域的随机活动。