文汇报

重建听力，遐想很可能成为现实（附照片）

王正敏教授谈世界人工耳蜗最新研究热点

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人工耳蜗工作原理示意图
图片来源：拉斯克奖官网，2013年

　　本报记者 唐闻佳
　　
Why我们为什么能听见
　　我们已知，人能听见是依靠听觉系统将声音转译为大脑可读懂的信息。在此过程中，中耳会先听到声音，产生震动。这种声波会很快传递到内耳，也就是耳蜗所在地。这个如同蜗牛壳的内耳结构上，布满上万个毛细胞，当声波呼啸而过时，这些毛细胞被压弯。也正是这个动作令毛细胞产生电信号，激活相应的神经元，刺激到第八对颅神经，又称听神经。由此，声音信息传递到大脑。
　　这是一个设计精妙的系统，环环相扣。但在大多数病例中，耳聋源于毛细胞缺损。科学家探索人工耳蜗，就是想绕开毛细胞，借助电子刺激物将声音信息传给听神经。
　　
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　　坐在中国人工耳蜗首创团队召集人的这把交椅上，年近八旬的王正敏却很难沾沾自喜，“我们与国外先进水平还有很大的差距，还需要大样本积累、比较。”
　　面对有媒体指出王正敏团队研发的人工耳蜗在2012年获得国家4000万元的专项经费，王正敏回应，这4000万元的项目中，2000万元是力声特公司申请的，另外2000万元是复旦大学附属眼耳鼻喉科医院申请的，而他并非这个项目的负责人。记者从眼耳鼻喉科医院获悉，这笔2000万元经费支撑是“国产人工耳蜗优化及临床技术研究”多中心项目，由该院与6家医院合作，负责人则是眼耳鼻喉科医院教授戴春富。
　　如果说争议可以说清，不争的事实是，人工耳蜗的研发进程远没有结束。
　　此前中国在人工耳蜗研发进程中是落后的，如今，中国团队正在奋起直追。从全球人工耳蜗研发进展看，许多难以突破的瓶颈性问题相继出现，天马行空的遐想亦不断涌现。
　　人工耳蜗的出现让人类实现了重获听力的遐想，不过，人工耳蜗至今还没有达到尽善尽美的地步。
　　王正敏教授告诉记者，人工耳蜗在世界各地植入后都出现了一些问题，比如主要问题有：即便选择当今最好的病号（耳聋病程短、语后聋患者，即耳聋前是会说话的），植入人工耳蜗后依然无法辨识音乐旋律。这不仅意味着病人无法欣赏音乐会，更重要的是，这将对他们参与对话产生负面影响。
　　我们已知，人类对话由三部分构成--语音、语义、语法。其中，语音（音调）是理解对话不可或缺的要素，比如在中国普通话中，四声语调所指词语含义完全不同。这也是为什么世界上在比较各地研制的人工耳蜗后认为，普通话是世界所有语言中语音效果最差的--因为中国普通话是一种典型的声调语言，而这正是人工耳蜗研发的难点之一。
　　当然，即便人工耳蜗目前难以实现对语调语音的精准辨识，但如果病人在耳聋前就很好地掌握了语法、语义（主要为语后聋患者），那么，大脑的一个神奇功能可以做到让他们通过“上下文”来听懂对话，这就是大脑天然拥有的推导能力。据此也可以理解，病人听懂句子要比听懂单词更容易--因为单词没有可用来推导出意思的上下文。
　　如何解决语音的问题，让更多患者受益，是如今各国科研人员在攻关的热点。他们不约而同地回到对毛细胞的研究。我们已知，耳蜗内密布着大量的毛细胞，它们又分为内毛细胞（大约3500根）和外毛细胞（9000-12000根），前者负责听音，后者负责调频，各司其职。这让人不得不感叹人体内结构设计之精妙，但这十足为科学家探索器官替代装置设置了巨大的障碍。理论上说，如果能做到像正常人那样可以智能刺激不同部位的毛细胞，聋人佩戴人工耳蜗后的听力效果自然更好；换言之，即在耳蜗内分布越多电极刺激点，听力效果自然越好。比如原来电极1要负责1000-1500赫兹区间的毛细胞音频区（及其背后的神经元），如果能在电极1中再添加多个电极，对毛细胞相关神经元的刺激精确度会提高。
　　理论归理论，如果分布电极过密，科研人员又遇到一个技术难题--电流之间有磁场，导致电流干扰，声音信息再度被破坏。
　　这个难题眼看无法解决，结果国外有科学家提出“电流驾驶”的设想，即在两个电极之间（大约1毫米的距离）加入100个虚拟电极，外界不同的音频可以自动智能行驶到相应的电极刺激点。这不仅规避了电流干扰的问题，还提升了电流刺激神经元的精确度。由此，未来患者真的可以欣赏音乐之美，当然，人工耳蜗的成本也将大幅上升。
　　现阶段，“电流驾驶”并没有想象中那么好用，于是又有科研人员提出既然电极分布太近会产生电流干扰，可否用激光来刺激神经元--平行光之间是不会产生干扰的。目前，光纤维刺激也是人工耳蜗的研究前沿方向。如果这条路走通，人工耳蜗将从电子时代走入光子时代，“光子耳蜗”、“光学耳蜗”将出现。
　　另外，现在临床上还由于某些面部疾病，比如神经细胞瘤，导致整个耳蜗摘除。如何帮助他们重建听力？有科研人员提出将电极刺激器植入脑干。这是眼下人工耳蜗衍生性研究的热点之一，但目前实验效果并不好。“脑干神经网络分布比耳蜗中的更复杂，是一个三维体系。”王正敏教授解释。
　　在医学方面，也有神经生物学家在大力推进听力“重塑”研究。从医学生物学角度分析，人的听力形成有个十分专业的表述——“塑造”，即人出生后听觉中枢并没有发育完全，而是依靠出生后的刺激才圆满地完成塑造听力，这个阶段大约需要4-6年。这就解释了为何对先天性耳聋患儿植入人工耳蜗必须在4岁以内，越早干预，听力恢复效果越好。成人语后聋患者尽管不需要塑造，但如果聋的时间太长，人工耳蜗的效果也会变差。目前，耳聋时间超过20年以上，就不主张接受人工耳蜗植入了。
　　在人工耳蜗的研究者看来，一旦神经生物学家实现“重塑”，将从此突破人工耳蜗植入对年龄的限制，这也将是一个具有里程碑意义的研究成果。
　　最后，也是最重要的，各国科研人员还在致力于全植入研究。这不仅与人工耳蜗小型化趋势一致，更重要的是，全植入将让患者减少“聋人”的外观标签，更好地融入社会。
　　目前，无论多么先进的人工耳蜗依然没有突破它最初的雏形--由体外机和体内机（植入人体）两部分组成。尽管体外机已经做到不那么突兀，酷似蓝牙耳机，但这依然无法避免正常人可能据此辨识聋人，并引发某些歧视。当然，全植入的研究并不那么容易推进，涉及许多新问题。比如，电池寿命怎么解决，总不能定期做“开脑”手术；原本体外机上负责收集声音的麦克风植入哪里。
　　在此基础上，英国人想法也很大胆。他们提出发展多功能人工耳蜗，就是将血糖传感器、血压监测器“搭载”在人工耳蜗上一并植入人体。这样一来，可以实现对个体血压、血糖等生命体征的24小时动态监测，以便更准确地评估患者病情，及时发现风险，制定治疗方案。
　　可以说，人工耳蜗的问世不仅让失聪者重回“有声世界”，它亦开启了人们对医疗干预替代装置的无限想象。有人欢呼，也有人泼冷水，面对这些畅想，王正敏是坚定的支持者，他说，这让他想起20多年前的自己。
　　因央视先后发表《“院士造假遭举报”事件真相》、《“院士造假遭举报”事件调查》等报道，复旦大学王正敏教授最早建议并主持的“国产人工耳蜗”项目被置于风口浪尖。央视报道称该成果为“克隆”国外产品的仿制品。但，“克隆说”很快遭到国产人工耳蜗首创研发团队的否定，时任复旦大学通信系教授、语音信号处理专家周耀华直陈，“我们全部采用崭新的方法，没有采用他们（国外）的器件和模型……讲我们仿制，是天大的谎话。”
　　争辩难免充斥情绪，而非理性。其实，全球人工耳蜗研发进程交织着互相借鉴，启发，与再创造。从全球视野看人工耳蜗研发史，或许能提供一个看待此次国产耳蜗争端的另类视角。
　　
它让人类第一次通过医学干预装置“重获”感官 从全球视角看人工耳蜗研发史
　　本报记者 唐闻佳
　　刚刚翻过的2013年，对人工耳蜗的研发者而言意义非凡。有诺贝尔奖风向标之称的拉斯克奖首次将临床医学奖颁给了3名人工耳蜗先驱：澳大利亚墨尔本大学名誉退休教授格莱姆·克拉克、奥地利MED-EL人工耳蜗公司的创世人英格博格·霍克迈尔、美国杜克大学的布莱克·威尔逊。拉斯克奖给出的理由是，因为他们的远见、坚持与创意，发明了一个改变数万人人生的装置。
　　拉斯克奖并没有言之过重。人工耳蜗研发历程充满着质疑、反对、甚至恐吓，可以说，世界各地的人工耳蜗研发者无一不是大胆勇士。当然，他们的胆识获得应有的回报，人工耳蜗的出现，第一次让人类通过医学干预装置“重获”感官。
　　重拾听力，这点子太疯狂
　　据世卫组织统计，全球有3600万人饱受严重听力丧失之苦，并且直到上世纪，这都是一个终身残疾，严重影响日常生活。
　　对年轻人来说，耳聋对大脑发育无异于一场灾难，尤其是语言能力开发，以及与之相关的听说读写能力。“较差的听说水平将导致今后差劲的教育表现、受限的就业机会，以及有限的社会参与程度。”美国国立卫生研究院（NIH）吉拉德·欧唐诺在给《新英格兰医学》杂志的一篇文章中这样写道。
　　人工耳蜗的出现改变了这一切。随着电子技术、计算机技术、语音学、电生理学、材料学、耳显微外科学的发展，人工耳蜗已从实验阶段进入临床应用。现在，全世界把人工耳蜗作为治疗重度聋至全聋的常规方法。
　　但起初，学界大多数给研发人工耳蜗投了“反对票”。
　　人能听见，是一个极为复杂、精妙的过程。在大多数病例中，重度耳聋源于毛细胞（位于耳蜗内）缺损，听力通路“断”了。于是，就有人提出植入人工耳蜗，绕开毛细胞，借助这个电子装置上的电极刺激神经，重连听力通路。
　　20世纪50年代末，法国医生首先将这个理论付诸实践，他们将一个简易装置植入一名大部分听力丧失的患者。这个尝试很快以失败收场，但这条新闻却激发了无数耳科医生。美国加州的威廉姆·豪斯就是其中之一。豪斯一直梦想着帮助聋人重拾听力。为此，他开发了一个新装置，电流可以通过单一电极传递到耳蜗上的一个点位（这就是此后说的“单通道人工耳蜗”）。1961年，两名患者接受了植入手术。这个新装置帮助他们感知到环境声音。此后，它的升级品能帮助患者借助唇语理解对话。不过，经它传递的对话依然是支离破碎的，好像卡壳的录音带。
　　即便如此，这种胜利依然燃起了全球科学家的改进热情。但实事求是地说，只有少部分人参与这项先锋味十足的研究，主流科学家则挑起了声势浩大的反对，“借助电子刺激重拾有意义的听力是不可能的。听力所需的神经信号传递过程太为复杂，想通过简单而又粗糙的信号来达到，无异于天方夜谭。”
　　顶住压力，“少数派”获突破
　　好在，奥地利的英格博格·霍克迈尔、澳洲的格莱姆·克拉克都没有被科学大佬们吓退，开始了各自的研究。事后证明，他们设计的新装置不仅加强了聋人对环境声音的感知能力，唇读能力，更重要的是，令患者在没有视觉提示的情况下理解对话。要做到这些，他们开发了一个听觉网络，这是此前通过单电极传递信息忽略的方向。
　　20世纪60年代末，斯坦福大学的布莱尔·西蒙斯的多项研究佐证了这个方向的价值。西蒙斯发现，单电极只能忠实地传递某些频率的声音，而耳蜗上密布的毛细胞并不会对进入其中的声音作出整齐划一的反应——毛细胞所处的位置决定了它们会作出不同反应。举例来说，婴儿的哭声会“叫醒”耳蜗口的毛细胞，轰鸣驶来的卡车“惊扰”的是耳蜗中部的毛细胞。这样一来，伸展开来的毛细胞就好比一架钢琴琴键，依次分布高音区、中音区、低音区。
　　通过找到不同声音在耳蜗上的不同接受部位，霍克迈尔和克拉克分别成功地解密耳蜗内的“位置信号”现象。据此，他们瞄准接受特定频率的不同毛细胞（及其对应的神经元），开发出多种电极，安置在耳蜗内的不同位置。
　　在此期间，这群科学家还解决了安全性、机械类问题。比如，植入装置必须减少感染、对人体组织的破坏，以及外部电流经过身体可能带来的风险。开发者必须找到无毒材料，它们可以搭载一束束电极深深地植入人体耳蜗中。
　　当时，所有科研人员的设计都包含同一要素：将声学信息转化为电子信号刺激大脑听神经。（见图）
　　1977年12月、1978年8月，患者分别在澳大利亚、奥地利接受了克拉克、霍克迈尔各自研制的早期人工耳蜗。这些多通道人工耳蜗极大地提升了患者对声音的感知能力。今天，世界各地的人工耳蜗大多以此为蓝图。
　　中国同步引进，但徘徊多年
　　值得注意的是，中国几乎是同时引进了这个技术。上世纪70年代末，中国做过第一例人工耳蜗手术，不过，由于术后出现感染，植入者不得不很快将它取出。到了80年代，全国做了约1000例进口的单道人工耳蜗手术，但术后发现，患者虽然能听到声音，但无法理解它的意思。
　　实际上，我国当初植入的是第一代人工耳蜗——单通道刺激装置，即传递给听神经刺激的通道只有一个，但是语言的信息是复杂的，只通过一个通道得出的信息量十分有限，植入者“听见”的只能是聒噪的噪音，而非真正的语言。
　　这次失败的尝试导致我国的医生和患者对人工耳蜗持观望态度，全国仅少数科研人员顶住压力继续攻关。王正敏的团队是其中之一。
　　“我们几乎是和国外同时意识到人工耳蜗的问题的，但就在他们一代代研发更新产品时，我们的医生、科研人员还在徘徊，在这方面至少落后了10年。”中科院声学所医用声学实验室主任、研究员肖灵曾在2010年谈及国产人工耳蜗临床转化进程时这样对媒体说。
　　1985年，美国食品药品监管局（FDA）首次批准了多通道人工耳蜗，用于治疗语后聋成年患者。3年后，美国国立卫生研究院的一份共识性文件得出一个关键结论：比起单道刺激，多通道刺激可能拥有更优越的语音识别性能。多通道刺激装置此后成为人工耳蜗研发的主流。
　　放弃知识产权，造福更多患者
　　早期多通道装置推动了人工耳蜗进入一个崭新阶段，但许多受试患者在没有上下文语境或视觉提示的情况下，依然无法跟上对话单词或句子。下一个发展方向就要跨越这个技术屏障。
　　1991年，布莱克·威尔逊向全球报告了一种全新的语音处理策略，首度以极为清晰的方式理顺了耳蜗内的“位置密码”。鉴于没有两个电极会同时接受到同一个电子信号，威尔逊提出的策略可以最低限度地减少了声音扭曲或破碎。经过这个和此后其他的重要发现，威尔逊的CIS编码方案已经可以让大部分人工耳蜗植入患者第一次在没有视觉提示的情况下理解单词和句子。
　　这个编码系统依据的原理即：声音会对耳蜗内毛细胞所在的不同区域产生刺激，由此设计出相应的电极束来刺激那些原本需要毛细胞去“激活”的区域，帮助患者更好地理解对话。
　　CIS系统奠定了声音信息处理策略的基础，如今在全球广为传播，并在20世纪90年代早期极大推动了人工耳蜗的应用。
　　值得一提的是，这代人工耳蜗之所以能快速被各国引进、应用，还源于一项重要政策，即由威尔逊团队在美国国立卫生研究院资助下的这项人工耳蜗研究的所有知识产权被无偿捐出，进入公共使用领域。如此用意也是为了快速推动各国人工耳蜗研究，造福患者。
　　回顾这段半个世纪前的研发历程，这3名人工耳蜗研发者分别在各自领域推动了这个“不可能完成的任务”成为可能：澳大利亚墨尔本大学的耳鼻喉科医生克拉克完成一个可以指导未来设计的实验性装置；霍克迈尔，一个电子工程师，也是医学电子公司的首席执行官，她创建了自己的公司，并致力于推动将人工耳蜗装置走出实验室；杜克大学的威尔逊为开发语言识别技术做出重要贡献，该技术大大改善了语言失真问题。他们之后，全球众多实验室和科学家加入人工耳蜗的研发队列，互相借鉴，启发，改进，再创新。