新研究發(fā)現(xiàn)將來可用人耳充電且不影響聽力

當(dāng)你手中那臺可愛又可恨的智能手機(jī)再次顯示“電量不足”的時候，你是否想過用自己身體的某個部位給它充電？

其實，這并非天方夜譚。早在20世紀(jì)30 年代，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)人類的耳蝸內(nèi)存在微弱的離子電流。但由于擔(dān)心利用耳蝸內(nèi)的電源會對健康造成威脅，科學(xué)家們一直無法找到此生物電的利用渠道。

本月上旬，來自麻省理工學(xué)院（mit）、馬薩諸塞州眼耳中心（meei）、哈佛麻省聯(lián)合辦理的健康科學(xué)和技術(shù)部門（hst）的研究人員首次證明，哺乳動物耳朵中的這塊天然電池可以為植入式電子設(shè)備提供能量，而且不會影響聽力。

他們發(fā)現(xiàn)，連接電極并植入豚鼠耳蝸的低功耗發(fā)射器，能夠以無線方式將有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至耳外接收器。最重要的是，實驗結(jié)束后豚鼠的聽力仍處于正常水平。

在這次實驗中，這只小豚鼠的耳蝸成功為無線發(fā)射器“免費(fèi)”供電長達(dá)五個小時。

“一種電子設(shè)備單純使用耳朵作為電力支持，這還是第一次?！?/p>

馬薩諸塞州眼耳中心耳外科醫(yī)生、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院聽覺神經(jīng)科學(xué)家康斯坦蒂娜?斯坦科維奇表示，“這項技術(shù)有可能在將來的某一天為人類大腦和人工耳蝸植入提供自主電源?！?/p>

用耳朵驅(qū)動無線發(fā)射器

為了證明獲取內(nèi)耳電能并不影響聽力，康斯坦蒂娜與hst的研究生安德魯?萊薩特需要在實驗前一周將電極植入一只實驗豚鼠的耳蝸內(nèi)，附加在電極上的是由麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實驗室（mtl）開發(fā)的低功率電子設(shè)備（小型無線電發(fā)射器）。

“豚鼠的聽覺系統(tǒng)頗為發(fā)達(dá)，其聲音誘發(fā)電位也表現(xiàn)得很明顯，因此是研究聽覺系統(tǒng)電生理的較好實驗對象?！爆F(xiàn)已過世的中國生理聲學(xué)專家梁之安在上世紀(jì)六十年代做過類似研究，他曾表示，“特別是在大動物不易獲得的條件下，豚鼠的使用更值得推薦?！?/p>

將電極植入豚鼠耳蝸是一個有些“殘忍”的小手術(shù)?？邓固沟倌群椭中枰獙㈦嗍舐樽?，在其耳后溝劃一道長 2 厘米的切口，將包有電極的針管插入豚鼠顱頂?shù)募∪饨M織與面神經(jīng)管內(nèi)，電極的另一端引出至耳朵外固定于適當(dāng)位置。

這個小手術(shù)做完后一周才可以開始實驗，實驗時便無需再對豚鼠進(jìn)行麻醉。

mtl 的研究人員錢德拉克森（chandrakasan）也是本次實驗的關(guān)鍵人物之一，他的任務(wù)是為豚鼠耳蝸內(nèi)的電極裝上一個超低功率無線電發(fā)射器?！叭绻麤]有辦法獲得由耳朵內(nèi)部傳出的信息，那么即便能夠證明豚鼠的聽力沒有受到影響，這次實驗的意義也不大?！卞X德拉克森解釋。

由于哺乳動物的耳蝸電能有限，倘若無線電發(fā)射器的功率比手機(jī)無線電要大，同樣不能直接應(yīng)用在電極上。因此，植入豚鼠耳蝸的電極還包含了功率轉(zhuǎn)換電路，這便可實現(xiàn)在電容器里充電?！半姌O的電壓并不穩(wěn)定，但它可以在40秒到4分鐘的時間內(nèi)控制電路，以獲取足夠的電壓來發(fā)射無線電?！笨邓固沟倌日f。

研究人員在豚鼠耳膜兩側(cè)的電極中都植入了 mtl 開發(fā)的這種無線電發(fā)射器，以便耳外接收器讀取數(shù)據(jù)。

實驗結(jié)果令人欣喜，在無額外電源供給的情況下，該無線電發(fā)射器運(yùn)轉(zhuǎn)正常。當(dāng)然，這一結(jié)果只是驗證了前人的結(jié)論：哺乳動物的耳蝸內(nèi)存在電能。

本次研究的進(jìn)展在于，實驗證明所植入的設(shè)備能夠有效地向耳朵外部接收器無線傳輸耳朵內(nèi)的化學(xué)條件數(shù)據(jù)，生物電的轉(zhuǎn)化與使用價值第一次得到驗證。

最關(guān)鍵的是，實驗結(jié)束后，幾位科學(xué)家對豚鼠的聽力進(jìn)行了檢測，儀器數(shù)據(jù)顯示實驗豚鼠的聽力與正常豚鼠無異。

沉睡的“天然電池”

上述實驗結(jié)果無疑為人類耳蝸生物電的開發(fā)與利用前景提供了無限遐想，科學(xué)家們對這一研究進(jìn)展已經(jīng)等待了半個多世紀(jì)。

1930年，韋伯（weber）和布雷（bray）兩位科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了“耳蝸微音器電位”，開啟了耳蝸電生理研究的大門。

而學(xué)界對于耳蝸電位的密集研究與主要進(jìn)展，則集中于二十世紀(jì)五六十年代。

1952年，科學(xué)家貝克西（békésy）從豚鼠的耳蝸中導(dǎo)出了兩種靜息電位：以前庭階內(nèi)的外淋巴為零電位計，由蝸管內(nèi)淋巴導(dǎo)出的電位是正50毫伏，從螺旋器內(nèi)導(dǎo)出的電位是負(fù)40毫伏。

當(dāng)然，四五十毫伏的電壓在日常生活中幾乎可以忽略不計―一節(jié)干電池用完后的電壓大約為 1000 毫伏（即1伏特），但對于內(nèi)耳來說，這些電能卻不容忽視。

十幾年后，戴維斯（davis）研究了幾種耳蝸電現(xiàn)象的相互關(guān)系，提出耳蝸的“機(jī)械―電學(xué)”說，從原理上解釋了耳蝸如何把聲音機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)電能。

貝克西測算出豚鼠耳蝸內(nèi)的電位量，戴維斯則告訴后來的研究者，耳蝸內(nèi)的電能究竟從何而來。

原來，很多哺育動物包括人類的耳蝸就是一個天然形成的“電壓器”。收到外界聲音后，耳膜振動引起的機(jī)械力能夠?qū)е露侂跄蓚?cè)的鉀離子和鈉離子濃度失衡，這層膜隔中的細(xì)胞就是一些專門的離子泵（一類特殊的載體蛋白）。濃度失衡的兩種離子加上離子泵，便構(gòu)成了一個生產(chǎn)電能的“電壓器”。

“在過去，人們曾經(jīng)認(rèn)為內(nèi)耳的電勢太高，不適合植入電子設(shè)備，因為高電勢有很大的危險?！笨邓固沟倌日f，“60 年前，我們就知道那里是一塊天然電池，對于維持正常聽力來說很重要，但是沒有人嘗試去利用這塊天然電池來給電子設(shè)備供電?！?/p>

眼下，如何增強(qiáng)耳蝸電能的穩(wěn)定性與持久性，已成為科學(xué)家們接下來需要攻克的難點(diǎn)。

德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)環(huán)境化學(xué)教授烏韋?施羅德認(rèn)為，由于內(nèi)耳的空間十分狹小，如果植入電極或芯片，總功率也將受到限制。

如此看來，用耳朵為你的 iphone 充電依然無法實現(xiàn)，但也沒有必要灰心。目前的研究表明，耳蝸的電能已足夠維持一天一次的體內(nèi)藥物運(yùn)輸系統(tǒng)，雖然連續(xù)性有限，但可以借鑒儲蓄電能的模式優(yōu)化使用效果。

“事實上，你可以從耳蝸中制造低壓電源，把它作為驅(qū)動耳蝸植入設(shè)備的能源?！泵绹鴦P斯西儲大學(xué)耳鼻喉科主任克里夫?馬吉瑞恩說，“想象一下，如果我們能夠測量不同疾病條件下耳蝸內(nèi)的電壓，那就可以為畸變診斷提供依據(jù)?！?/p>

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