ایمپلنت نوری مجرای حلزون گوش به دنیای ناشنوایی روشنایی می‌بخشد

به‌زودی می‌توان از چراغ‌های چشمک‌زن برای منظوری کاملاً جدید استفاده کرد. یافته‌های جدید، محققین آلمانی و سوئیسی و اتریشی را به سمت ساخت یک ایمپلنت ناشنوایی اولیه هدایت کرده است که با تابش یک سری پرتو لیزری و با کمک سلول‌های مویی موجود در داخل گوش درونی باعث تحریک و ایجاد سیگنال‌های شنوایی می‌شود.

محققین معتقدند یک پرتو لیزری نزدیک به طول‌موج مادون‌قرمز می‌تواند با استفاده از فرایندی که تأثیر نوری صدایی نامیده می‌شود، یک موج صوتی تولید کند. ابزار ساخته‌شده توسط این محققین، پرتوهای لیزری عمودی باریکی به قطر 1.4 تا 1.9 میکرون ارسال می‌کند که بر روی مایع درون مجرای حلزونی اثر می‌گذارد. در ابتدا اشعه مادون‌قرمز توسط مایع درون مجرای حلزونی جذب می‌شود. به خاطر گرمای حاصله مقداری شکست میعانی صورت می‌گیرد. اگر این فرایند به‌اندازه کافی سریع رخ دهد باعث ایجاد یک موج صوتی درون مجرای حلزونی می‌شود. این موج صوتی سلول‌های مویی کوچکی که در داخل مجرای حلزونی وجود دارد را تحریک کرده یا جابجا می‌کند که با این تحریک یا جابجایی یک سیگنال صوتی به سمت عصب شنوایی فرستاده می‌شود و بدین ترتیب مغز صدا را درک می‌کند.

در طی سه سال اخیر، محققین رشته‌های لیزری بسیار باریکی ساخته‌اند و تست‌هایی بر روی خوکچه‌های هندی انجام داده‌اند و دریافته‌اند که می‌توانند با استفاده از پرتوهای عمودی لیزر و اثر نوری صوتی، سیگنال‌هایی ایجاد کنند که توسط عصب شنوایی به مغز منتقل شود. دانشمندان تحریک‌های ناشی از پرتو لیزر و تحریک‌های ناشی از یک‌صدای کلیک را در خوکچه‌های هندی باهم مقایسه کردند. هر دو محرک، سیگنال‌های عصبی تولید کردند که ازلحاظ شکل و شدت باهم مطابقت داشتند. بنا بر گفته‌های مارک فرتز این طرح هنوز در مراحل اولیه است ولی امید می‌رود که با استفاده از این تکنولوژی بتوان ابزارهای شنوایی کمکی و ایمپلنت‌های مجرای حلزونی را بهبود بخشید و یا با تکنولوژی جدید جایگزین نمود. مارک فرتز یک فیزیکدان و مدیر پروژه در مرکز الکترونیک میکروتک سوئیس است که یک مرکز غیرانتفاعی کاربردی تکنولوژی و تحقیقات (CSEM) در الپانچ سوئیس می‌باشد.

قدم‌های بعدی این پروژه، بهبود مصرف انرژی دستگاه و کاهش اندازه آن است. قطعات ساخته‌شده برای نمونه اولیه این پروژه (قطعاتی از قبیل یک جعبه سیلیکاتی برای درزگیری سنسورهای کاشته شده در بدن و طراحی پیشرفته لنز لیزر) می‌تواند کاربردهای دیگری نیز داشته باشد؛ مثلاً می‌توان با تاباندن پرتو لیزر در داخل گوش، تعادل را بهبود بخشید.

تصویر: دیاگرام گوش داخلی و کرتکس شنوایی مغز

تکنولوژی کنونی ایمپلنت مجرای حلزونی، به دسته‌ای از الکترودها وابسته است که از طریق جمجمه در گوش داخلی نصب می‌شوند. این الکترودها یک میدان الکتریکی تولید می‌کنند که عصب مجرای حلزونی را تحریک کرده و صدا را تبدیل به سیگنال‌های الکتریکی می‌کند که عصب به مغز می‌رساند. تمرکز بر میدان الکتریکی سخت است که باعث می‌شود که مسائل دیگری از قبیل تولید نویز رخ دهد.

فرتز و CSEM از اعضای یک گروه شامل تعدادی از محققین درزمینه صوت و لیزر می‌باشند. این گروه در مرکز تحقیقات پیشرفته هانوفر آلمان مشغول به فعالیت هستند. تیمی حرفه‌ای از متخصصین، از قبیل شرکت Verilas که از سازنده‌های آلمانی لیزر است و شرکت میکرو اپتیک SUSS که از سازنده‌های لنزها و تاباننده‌های دقیق است، این گروه را پشتیبانی می‌کنند. شرکت MED-EL اینزبروک که یکی از بزرگ‌ترین تولیدکننده‌های ایمپلنت‌های مجرای حلزونی است نیز در این طرح شرکت دارد. شرکت STMicroelectronics سخت‌افزار لازم برای این کار را طراحی کرده است و مرکز تحقیقات فنی VTT فنلاند، یک روکش ضد رسوب ساخته تا مانع خورده شدن ایمپلنت توسط رشد بی‌رویه فیبروز شود.

البته هنوز چالش‌هایی در طراحی نمونه اولیه وجود دارد. چالش‌هایی از قبیل این مسئله که مصرف انرژی به چه صورت انجام شود و چطور قطعات را کوچک کرد. ایمپلنت بدنی یا نمی‌تواند گرمای زیادی تولید کند و یا اگر بتوانند گرمای زیادی تولید کنند، باعث نابودی سلول‌ها و بافت‌های اطراف خود می‌شود. محققین دریافتند که با ایجاد تعداد بسیار زیادی از پالس‌های 50 نانوثانیه‌ای که هرکدام فقط یک انفجار 50 نانوثانیه‌ای تولید می‌کنند می‌توان به دمایی کمتر از دمایی که با تابش پیوسته تولید می‌شود دست پیدا کرد. این انفجارها همان چیزی است که برای ایجاد پالس صوتی که از مجرای عصب شنوایی عبور کند، نیاز است.

این محققین از جعبه‌های سیلیکاتی برای درزبندی لیزر و دیگر قطعات استفاده کردند تا مانع از رسوب و خوردگی در بدن شوند. سپس این مجموعه را به نوارهای پلاتینیومی متصل کرده و آن را به‌صورت کامل در یک پوشش سیلیکونی قراردادند. در تست‌هایی که بر روی خوکچه‌های هندی صورت گرفت، محققین از یک نمونه افزونه‌ای از دستگاهی که ساخته بودند استفاده کردند، ولی در نمونه‌های اولیه بعدی، آن‌ها موفق به کاهش اندازه لیزر به ابعاد دو در یک میلی‌متر شدند. بعدازاین تغییرات، کل ابزار شبیه به یک باطری 9 ولت کتابی ولی در اندازه‌های بسیار کمتر بود که می‌توانست در کف یک دست قرار گیرد. فرتز بیان کرد برای ساخت ایمپلنت به‌صورت تجاری باید هنوز هم دستگاه کوچک‌تر از این شود که امکان‌پذیر نیز هست.

کلاوس پیتر ریشتر، نایب‌رئیس تحقیقات در بخش گوش و حلق و بینی از دانشگاه Northwestern که از ابتدا در این فعالیت حضورداشته است، می‌گوید استفاده از نور برای انتقال سیگنال‌های صوتی موضوعی است که در سال‌های اخیر بسیار موردبحث قرارگرفته است و بارها آزمایش گردیده و پیشرفت‌های زیادی در این حیطه صورت گرفته است.

در یک روش جدید تلاش شده است که به‌صورت مستقیم اعصاب شنوایی با نور تحریک شود. گروهی دیگر تلاش داشته‌اند که سلول‌ها را به نحوی به‌صورت ژنتیکی تغییر دهند که این سلول‌ها به نور واکنش نشان دهند. این ایده توسط اد بایدون در انستیتوی تکنولوژی ماساچوست و تیم توبیاس موزر در دانشگاه گوتنینگ آلمان مطرح‌شده است.

ده سال پیش تیم ریشتر هر بار ساعت‌ها تلاش می‌کردند تا با استفاده از پرتو لیزر مستقیماً اعصاب شنوایی را تحریک کنند. در سال 2013 آن‌ها توانستند از این تکنولوژی برای انجام تست‌هایی بر روی گربه‌هایی که ناشنوا بودند و یا از ابزارهای شنوایی کمکی استفاده می‌کردند تا 6 هفته بهره ببرند. این ابزارها در کوله‌پشتی‌هایی قرار داشت که گربه‌ها آن‌ها را می‌پوشیدند.

در حال حاضر چندین پروژه دیگر با محوریت استفاده از نور برای بهبود ابزارهای شنوایی در حال انجام است:

• جنتینا ونزل در دانشگاه سارلند هامبورگ در حال آزمایش استفاده از لیزر سبز است که برای فرکانس‌های صوتی کدگذاری شده تا گوش داخلی را فعال نماید.
• ارتش امریکا به دنبال مشکلات شنوایی ایجادشده در جنگ‌های دهه‌های اخیر، یک مرکز تحقیقات ایمپلنت‌های لیزری ایجاد کرده است و همچنین انستیتوی ملی آمریکا درزمینه ناشنوایی و دیگر مشکلات ارتباطی نیز در این زمینه فعالیت دارند.

به دست آوردن همه سیگنال‌های صوتی از یک محیط پر از نویز و تبدیل آن‌ها به سیگنال‌های الکتریکی کاری بس حساس و مشکل است. ریشتر نیز بیان می‌کند که تحقیقاتی که تابه‌حال برای ارزیابی این تکنولوژی بر روی حیوانات صورت گرفته دارای محدودیت‌هایی است: «تنها کاری که شما با گربه‌ها می‌توانید انجام دهید اندازه‌گیری مقدار سیگنال‌ها است، اما گربه‌ها نمی‌توانند بگویند که من این را شنیدم یا آن را نشنیدم.»

 این مطلب در شماره 15 مجله نویز منتشر شده است.