感覺系統/神經感覺植入物/前庭植入物

前庭植入物

介紹

前庭系統受損的人會經歷一系列症狀，包括聽覺和視覺障礙、眩暈、頭暈和空間定向障礙。目前，對於前庭系統功能減弱或受損的患者沒有有效的治療方法。在過去十年中，科學家們開發了一種類似於人工耳蝸的電刺激裝置，可以恢復半規管的功能。前庭植入物旨在恢復前庭系統受損患者的平衡。圖 顯示了一個前庭植入物原型，這是由 MED-EL（奧地利因斯布魯克）設計的一種改良的人工耳蝸。

由 MED-EL（奧地利因斯布魯克）設計的前庭植入物。

這種前庭神經假體原型包含四個主要部分：一個電刺激器、三個放置在每個半規管壺腹中的耳蝸外電極和一個耳蝸內陣列。當前庭植入物開啟時，以電荷平衡、雙相脈衝形式的電刺激串被髮送到每個耳蝸外電極，朝向相應的 vestibular nerve 。最終，電刺激將透過穩定眼球運動（VOR）來恢復患者的平衡。朝著可植入假體發展的努力已經顯示出可喜的結果，有效地恢復了頭部旋轉的正常前庭感覺傳導。然而，實現準確的刺激模式以長期編碼三維頭部運動而不引起不必要的 neuronal activity 仍然是眾多關鍵挑戰之一。

前庭眼球反射：當檢測到頭部旋轉（1）時，一側的 extra ocular muscles 被抑制，而另一側被刺激。這會導致眼球運動（3）以補償旋轉。

前庭假體演變 (1963-2014)

1963 年，Cohen 和 Suzuki 透過證明可以透過電刺激前庭神經的壺腹支引起眼球運動，從而引入了前庭假體的概念。隨後進行的研究旨在設計一個連續且準確的刺激模型，用於康復患有不同型別前庭疾病的患者，例如雙側前庭功能喪失 (BVL) 和梅尼埃病 。在 Cohen 和 Sukui 開創性工作 40 年後，Merfeld 及其同事開發了第一個前庭裝置，透過電刺激前庭神經生成平滑的眼球運動 。神經電子前庭裝置的可行性進一步激勵研究人員整合一個運動檢測系統來測量頭部運動。Santina 及其同事 使用陀螺儀感測器測量三維空間中的運動，並將這些資訊編碼以生成訊號，透過前庭神經控制每隻眼睛的肌肉。截至 2012 年底，世界上只有兩個團隊在人類身上進行了前庭植入研究：一個團隊由華盛頓大學的 Jay Rubinstein 領導，另一個團隊由荷蘭馬斯特裡赫特大學醫學中心的 Herman Kingma 領導，另一個團隊由瑞士日內瓦大學醫院的 Jean-Phillippe Guyot 領導 。Jay Rubinstein 在 2010 年領導了第一個前庭臨床研究。Rubinstein 及其同事成功地安裝了一個前庭起搏器，以減少或停止診斷為梅尼埃病患者的非自願性眩暈發作 。該裝置與手持控制器相結合，可以啟動和停止可以傳送到任何一個或所有電極的一系列電刺激，但沒有編碼運動 。不幸的是，植入患者的前庭起搏器導致聽覺和前庭功能顯著下降 。該小組已經採取了一個新的方向，透過整合有關運動的資訊來探索不同的電刺激模式 。第二項針對人類臨床研究的嘗試由 Kingma、Guyot 及其同事於 2012 年進行。本研究中使用的前庭植入物由 MED-EL 製造。Perez-Fornos 及其同事 證明，患者獲得了令人滿意的功能恢復水平，這使他們能夠進行日常活動，例如步行。

目前，透過持續的大學與企業合作關係取得了進展。有四個領先的大學和/或企業合作關係正在努力為臨床應用開發前庭假體。這些團隊包括：華盛頓大學的 Rubinstein 和 Cochlear Ltd（澳大利亞萊恩灣）、Della Santina 領導的 Johns Hopkins 醫學院前庭神經工程實驗室 [美國馬里蘭州巴爾的摩]、Daniel Merfeld 領導的哈佛大學 Jenks 前庭生理實驗室 [美國馬薩諸塞州波士頓眼耳醫院] 以及 Herman Kingma、Jean-Philippe Guyot 和 MED-EL 的聯合努力。

未來研究方向

最先進的前庭植入物技術是一個兩步系統，它會對繞著相應軸（前、後或水平管道）旋轉產生的三個壺腹神經產生電刺激。然而，假體神經刺激的生物物理學仍然是一個挑戰，難以模仿正常的感官傳導。儘管我們已經瞭解了前庭神經傳入纖維如何編碼頭部運動，但我們仍然不瞭解如何為多通道假體設計非侵入性刺激編碼策略。積極的研究仍在繼續，重點是克服設計和訊號傳導的侷限性。

目前的腦神經假體旨在激發植入其中的神經組織，但持續的興奮性刺激可能會導致神經功能障礙。最終，一種既能激發一個方向的頭動，又能抑制相反方向的運動的裝置是十分需要的。由 Santina 和同事開發的最新原型系統 SCSD1 已經表明，直流電刺激可以誘發興奮性和抑制性的 VOR 反應。他們的結果表明，將人工基線引入前庭系統可能會以不可預測的方式改變興奮性和抑制性閾值的動態範圍。另一方面，臨床研究表明，人類可以在合理的時間內（幾分鐘）適應人工神經活動的缺失和存在。一旦適應完成，就可以調整刺激的幅度和頻率調製以產生不同速度和方向的平滑眼球運動。

電假體的另一種設計限制是電流會擴散到目標神經組織之外，導致錯誤的半規管受到刺激 。結果，這種電流擴散導致眼軸與頭部旋轉軸失配。因此，定向神經可塑性背後的機制可以為人類提供對齊良好的反應。其他研究表明，紅外神經刺激有利於靶向特定神經元，並且對附近的神經元群體干擾較小 。使用光學方法可以實現更高的空間選擇性和改進的手術方法。

此外，前庭假體開發中一個基本挑戰是考慮前庭末梢器官的資訊如何引發特定運動。研究表明，反射和感知反應取決於刺激哪些前庭傳入神經。正在對外科手術進行研究，以精確地定位電極相對於傳入神經，這最終可能會極大地影響刺激所需反應的能力。

由於內耳的聽覺和前庭區域是連線的，電流擴散到目標壺腹神經之外和/或手術風險可能會干擾耳蝸神經活動。人類植入者很可能存在聽力損失的風險，正如在恆河猴身上觀察到的。Santina 和同事發現，電極植入會導致高達 14 分貝的聽力損失，而電刺激的傳遞會進一步降低 0.4-7.8 分貝的聽力。這項研究表明，電流擴散到耳蝸毛細胞可能會導致附近耳蝸區域的隨機活動。