聲波轉(zhuǎn)介質(zhì)跨神經(jīng)傳導(dǎo)

汪 勇

（無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214028）

在目前的醫(yī)學(xué)及語(yǔ)言學(xué)領(lǐng)域中，將聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中傳音、感音及其聽(tīng)覺(jué)傳導(dǎo)通路中的聽(tīng)神經(jīng)和各級(jí)中樞發(fā)生病變，引起聽(tīng)功能障礙，產(chǎn)生不同程度的聽(tīng)力減退，統(tǒng)稱(chēng)為耳聾。

根據(jù)病變部位的不同主要分為三類(lèi)：傳導(dǎo)性耳聾、神經(jīng)性耳聾和混合性耳聾。生于外耳道、中耳的傳導(dǎo)聲音部分的耳聾是傳導(dǎo)性耳聾;發(fā)生于內(nèi)耳、聽(tīng)神經(jīng)和聽(tīng)覺(jué)中樞的感音和神經(jīng)部分的耳聾是感音性耳聾；在傳導(dǎo)部分和感覺(jué)神經(jīng)部分都有異常的耳聾是混合性聾。

在實(shí)際生活中，輕度耳聾患者通過(guò)佩戴助聽(tīng)器能夠取得一定的康復(fù)效果，重度以上感音神經(jīng)性耳聾的患者一般只能采用植入式聽(tīng)覺(jué)裝置的方法獲得聽(tīng)力。植入式聽(tīng)覺(jué)裝置包括振動(dòng)聲橋、骨錨式助聽(tīng)器、人工耳蝸和聽(tīng)覺(jué)腦干植入。針對(duì)重度以上的感音神經(jīng)性耳聾，無(wú)論采用上述哪種治療方法，都必須通過(guò)手術(shù)植入，有創(chuàng)傷，風(fēng)險(xiǎn)大，費(fèi)用高，由于體內(nèi)裝置需要長(zhǎng)期植入人體內(nèi)，必然對(duì)體內(nèi)裝置的性能有特殊要求，使得整個(gè)聽(tīng)聲設(shè)備的成本增高，售賣(mài)價(jià)格昂貴。

為解決以上技術(shù)問(wèn)題，我國(guó)一些研究人員一直在探索從皮膚導(dǎo)入聲音的技術(shù)，現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)了一些聽(tīng)聲裝置，例如一種變壓式皮膚聽(tīng)聲器（專(zhuān)利號(hào)1593361），該裝置使用麥克風(fēng)以及與麥克風(fēng)的信號(hào)輸出端相連接的音頻放大器，還包括與音頻放大器相連接的電源，音頻放大器的輸出端與升壓裝置的輸入端相連接，升壓裝置的輸出端又與平面電極的輸入端相連接，升壓裝置將音頻放大器輸出的聲音電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為交流電壓的聲音電流信號(hào)，并升壓至5 V以上。使用時(shí)，麥克風(fēng)把外部的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，升壓裝置將普通的電流信號(hào)升壓，然后通過(guò)平面電極刺激皮膚，將電流的振蕩信號(hào)通過(guò)皮膚傳給大腦。但該裝置并沒(méi)有沒(méi)有實(shí)現(xiàn)根本性的突破。國(guó)際上，早在1790年，意大利人Volt用兩根金屬小棒插入自己雙側(cè)外耳道，在兩根金屬小棒間接通約50 V電壓的電流。當(dāng)接通的一瞬間有頭部受打擊感，隨之聽(tīng)到一種類(lèi)似沸煮的聲音。1930年，韋弗（E.G.Wever）和布雷（C.W.Bray）發(fā)現(xiàn)，來(lái)自貓聽(tīng)神經(jīng)區(qū)域的電反應(yīng)具有與自然聲音相似的性質(zhì)。與此同時(shí)，上世紀(jì)五十年代俄國(guó)科學(xué)家研究了交流電刺激對(duì)聽(tīng)覺(jué)的作用。他們發(fā)現(xiàn)，交流電可以產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)，也可以聽(tīng)懂語(yǔ)言，但是他們的結(jié)果僅限于聽(tīng)覺(jué)正?；蛴幸恍堄嗦?tīng)力的人。腦功能區(qū)之間橫向傳遞的假設(shè)?；痉绞绞菍⒙暡ǖ恼饎?dòng)能轉(zhuǎn)化為同頻同振幅的電脈沖信號(hào)，脈沖發(fā)生端在人體外耳道上的表皮摩擦，通過(guò)這樣的摩擦，局部的末梢神經(jīng)能夠產(chǎn)生與脈沖發(fā)生端相同頻率的神經(jīng)沖動(dòng)，經(jīng)耳大神經(jīng)將這種脈沖信號(hào)傳遞至咽喉神經(jīng)，咽喉神經(jīng)又將同頻神經(jīng)沖動(dòng)信號(hào)投射到大腦皮層的咽喉區(qū)及味覺(jué)區(qū)，咽喉區(qū)和味覺(jué)區(qū)緊鄰聽(tīng)覺(jué)區(qū)。試驗(yàn)中筆者利用對(duì)外耳道的皮膚進(jìn)行脈沖狀態(tài)下的摩擦，誘發(fā)神經(jīng)沖動(dòng)，經(jīng)耳大神經(jīng)生物傳導(dǎo)，由于單純的電刺激無(wú)法在所有神經(jīng)元之間進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo)，這種摩擦電傳導(dǎo)過(guò)程能夠使僅依賴(lài)化學(xué)傳導(dǎo)的神經(jīng)元之間實(shí)現(xiàn)信號(hào)的不間斷傳導(dǎo)，并且能夠保留前神經(jīng)元的頻率特征，使由電脈沖信號(hào)誘發(fā)并放大振幅的相同頻率的生物脈沖信號(hào)經(jīng)由皮下的耳大神經(jīng)傳遞至大腦皮層的咽喉與味覺(jué)區(qū)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，筆者認(rèn)為咽喉區(qū)與味覺(jué)區(qū)所獲得的聲波特征的脈沖信號(hào)極有可能橫向傳遞至聽(tīng)覺(jué)區(qū)，從而使聽(tīng)障人士獲得聽(tīng)覺(jué)感受。見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 奈特，人體神經(jīng)解剖彩色圖譜，2009

圖2 Mark F.Bear,NEROSCIENCE Exploring the Brain,3rd ed.,P371,Lippincott William & Wilkins,2005

實(shí)驗(yàn)中，筆者利用脈沖輸出端輸出與音頻電信號(hào)同頻同振幅的電脈沖信號(hào)，同時(shí)脈沖輸出端摩擦特定區(qū)域（比如耳大神經(jīng)

1 聲波轉(zhuǎn)介質(zhì)跨神經(jīng)傳導(dǎo)神經(jīng)原理推測(cè)

聲波轉(zhuǎn)介質(zhì)跨神經(jīng)傳導(dǎo)方法是筆者提出的研究方案，在總結(jié)了前人研究的基礎(chǔ)上筆者提出了聲波的生物電信號(hào)在不同的大處）的皮膚，利用帶電摩擦刺激受摩擦區(qū)域的皮下神經(jīng)產(chǎn)生與脈沖發(fā)生端相同頻率的神經(jīng)脈沖信號(hào)，這種帶電摩擦的方法能擴(kuò)大被摩擦區(qū)域的皮下神經(jīng)的神經(jīng)遞質(zhì)的傳導(dǎo)量，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元之間的化學(xué)傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)的不間斷同時(shí)存在擴(kuò)大效應(yīng)。擴(kuò)大了的神經(jīng)脈沖信號(hào)以音頻的頻率向聽(tīng)覺(jué)中樞鄰近區(qū)域傳遞，由于傳導(dǎo)量大于自然狀態(tài)下的傳導(dǎo)量，抵達(dá)咽喉和味覺(jué)區(qū)的信號(hào)有可能引起聽(tīng)覺(jué)中樞產(chǎn)生共同反應(yīng)，從而產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)效果，使使用者產(chǎn)生真實(shí)的聽(tīng)覺(jué)。該方法中有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）脈沖輸出端輸出與音頻電信號(hào)同頻同振幅的電脈沖信號(hào)，該電脈沖信號(hào)必須與音頻電信號(hào)同頻同振幅，因?yàn)槁?tīng)覺(jué)區(qū)的大腦皮層各個(gè)區(qū)域只對(duì)特定頻率的脈沖信號(hào)產(chǎn)生反應(yīng)，對(duì)于非本區(qū)域的特定音頻的脈沖信號(hào)不產(chǎn)生反應(yīng)，如圖2和圖3所示（Mark F.Bear NEROSCIENCE Exploring the Brain Third Edition P366 2005）。通過(guò)本發(fā)明裝置投射到聽(tīng)覺(jué)皮層附近的電脈沖信號(hào)保留了原始的音頻特征，溢出的信號(hào)頻率使耳聾患者的聽(tīng)覺(jué)皮層區(qū)的特定部位產(chǎn)生反應(yīng)，該反應(yīng)是基于與原始音頻信號(hào)音頻特征相同的電脈沖信號(hào)，因此其反應(yīng)出來(lái)的聽(tīng)覺(jué)與正常人聽(tīng)到的聲音相同。換句話說(shuō)，如果脈沖輸出端輸出的不是與音頻電信號(hào)同頻同振幅的電脈沖信號(hào)，那么耳聾患者要么產(chǎn)生不了聽(tīng)覺(jué)，要么即使產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)，也不是與聲音原貌一致的聽(tīng)覺(jué)，如果不一致，那么就不能算是聽(tīng)到聲音（聽(tīng)到聲音應(yīng)該是基于與正常人聽(tīng)到的相一致作為判定標(biāo)準(zhǔn)的）。如圖4所示為信號(hào)投射區(qū)。

圖3

圖4 奈特，人體神經(jīng)解剖彩色圖譜2009投射區(qū)

（2）脈沖輸出端摩擦特定區(qū)域的皮膚，本文所描述的摩擦與傳統(tǒng)的振動(dòng)傳導(dǎo)（比如骨傳導(dǎo)）有較大的區(qū)別。摩擦過(guò)程中的電脈沖信號(hào)能夠刺激受摩擦區(qū)域的皮下神經(jīng)產(chǎn)生與脈沖發(fā)生端相同頻率的神經(jīng)脈沖信號(hào)，并且由于摩擦而使神經(jīng)脈沖信號(hào)得到擴(kuò)大。

（3）上述過(guò)程如果只有單純的同頻同振幅電脈沖信號(hào)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)聽(tīng)聲，因?yàn)閱渭兊碾娒}沖信號(hào)無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)持續(xù)傳遞（如圖5所示）。外部電脈沖信號(hào)對(duì)神經(jīng)的刺激無(wú)法保證信號(hào)品質(zhì)的連續(xù)傳遞，只有同時(shí)激發(fā)神經(jīng)元的電信號(hào)與化學(xué)遞質(zhì)同時(shí)傳導(dǎo)，才能使輸入的信號(hào)特征得到持續(xù)傳遞，這就是為什么一定要同時(shí)存在電信號(hào)刺激和摩擦作用的生物原因。

圖5

2 具體實(shí)施方式

筆者在試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了兩套裝置用于實(shí)驗(yàn)，本文介紹較為成熟的第二種方式，如圖6、圖7所示，皮膚聽(tīng)聲裝置，包括電源1、用于將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為音頻電信號(hào)的麥克風(fēng)2、用于將音頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻同振幅電脈沖信號(hào)的第一轉(zhuǎn)換單元3和用于輸出電脈沖信號(hào)的脈沖輸出端4，所述麥克風(fēng)2、第一轉(zhuǎn)換單元3和脈沖輸出端4依次串接，所述電源1分別為麥克風(fēng)2和第一轉(zhuǎn)換單元3供電，還包括摩擦動(dòng)力單元5和用于將音頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)摩擦動(dòng)力單元5的電信號(hào)的第二轉(zhuǎn)換單元7，所述麥克風(fēng)2、第二轉(zhuǎn)換單元7和振動(dòng)單元5依次串接，所述電源1為第二轉(zhuǎn)換單元7供電，所述脈沖輸出端4和振動(dòng)單元5在使用時(shí)均接觸皮下有耳大神經(jīng)的皮膚表層。

使用時(shí)，麥克風(fēng)2將接收到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為音頻電信號(hào)，并分別傳輸給第一轉(zhuǎn)換單元3和第二轉(zhuǎn)換單元7，第一轉(zhuǎn)換單元3將接收到的音頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻同振幅的電脈沖信號(hào)并傳輸給脈沖輸出端4，脈沖輸出端4輸出電脈沖信號(hào)，同時(shí)第二轉(zhuǎn)換單元7將接收到的音頻電信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動(dòng)摩擦單元5的電信號(hào)，振動(dòng)單元5輸出振動(dòng)信號(hào)，電脈沖信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)同時(shí)作用于皮下有耳大神經(jīng)的皮膚表層，在摩擦作用下，皮下的耳大神經(jīng)會(huì)產(chǎn)生與電脈沖信號(hào)相同頻率的生物脈沖信號(hào)，耳大神經(jīng)將這種脈沖信號(hào)傳遞至咽喉神經(jīng)，咽喉神經(jīng)又將同頻脈沖信號(hào)投射到大腦的味覺(jué)皮層，味覺(jué)皮層緊鄰聽(tīng)覺(jué)皮層，味覺(jué)皮層所獲得的聲波特征的脈沖信號(hào)橫向傳遞至聽(tīng)覺(jué)皮層，從而使耳聾患者獲得聽(tīng)覺(jué)感受。

以下為使用本方式的一組實(shí)驗(yàn)情況：

實(shí)驗(yàn)對(duì)象：聽(tīng)障志愿者，聽(tīng)力情況：左耳極重度聽(tīng)力損失，右耳正常；耳聾性質(zhì)：感音神經(jīng)性聾。

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：實(shí)驗(yàn)用的脈沖頻率為C調(diào)倍頻程的一組音叉的純音轉(zhuǎn)化的脈沖信號(hào)，即C=64 Hz、c=128 Hz、c1=256 Hz、c2=512 Hz、c3=1024 Hz、c4=2048 Hz、c5=4096 Hz。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在脈沖輸出端4和摩擦動(dòng)力單元5同時(shí)作用于左耳耳大神經(jīng)表皮的前提下，志愿者主觀體驗(yàn)到大腦內(nèi)左側(cè)出現(xiàn)與脈沖頻率對(duì)應(yīng)的聲音信號(hào)。由于志愿者右耳完全正常，志愿者對(duì)比左耳脈沖音質(zhì)與右耳氣導(dǎo)音質(zhì)，主觀感覺(jué)音質(zhì)接近相同，左耳七個(gè)脈沖組都出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的聲音感知。

本設(shè)計(jì)相比前人的研究結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要手術(shù)植入，對(duì)耳聾患者無(wú)創(chuàng)傷、風(fēng)險(xiǎn)小、聽(tīng)聲過(guò)程不再依賴(lài)于耳蝸神經(jīng)，對(duì)聽(tīng)神經(jīng)功能喪失的耳聾患者依然有效；聽(tīng)聲方法明顯區(qū)別于骨傳導(dǎo)振動(dòng)聽(tīng)聲方法和其他皮膚傳導(dǎo)方式聽(tīng)聲方法。

圖3 方式1

圖7 方式2

3 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出在音頻電脈沖狀態(tài)下對(duì)耳大神經(jīng)皮膚所在地進(jìn)行的摩擦刺激，能夠使低于極重度耳聾的聽(tīng)障人士獲得聽(tīng)力感受，該方案獲得了國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)，專(zhuān)利名稱(chēng)：一種皮膚聽(tīng)聲裝置及其聽(tīng)聲方法，專(zhuān)利號(hào)201510108621.6。但音頻信號(hào)投射到咽喉和味覺(jué)皮層區(qū)引起聽(tīng)覺(jué)皮層區(qū)產(chǎn)生反應(yīng)的推測(cè)仍需進(jìn)一步論證，筆者認(rèn)為如果跨神經(jīng)傳導(dǎo)的原理如果成立將能夠幫助更多的聽(tīng)障人士實(shí)現(xiàn)聽(tīng)力能力重建。

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