本研究由来自 The Bionics Institute、RMIT University、University of Freiburg 等多个机构的 Ajmal A Azees、Alex C Thompson、Patrick Ruther、Rachael T Richardson 等学者共同完成，发表于 *Journal of Neural Engineering*，2025 年第 22 卷，文章编号 036005，于 2025 年 5 月 6 日正式发表。研究的核心目标是探索一种结合光学（optogenetic）与电学刺激的多通道混合人工耳蜗（hybrid cochlear implant）在激活小鼠耳蜗时能否实现更高的空间精确性，并降低通道间干扰。

一、学术背景与研究目的

人工耳蜗（cochlear implant）是目前重度至极重度感音神经性听力损失患者为数不多的有效干预手段之一。其工作原理是通过电刺激螺旋神经节神经元（spiral ganglion neurons）来模拟毛细胞向听觉通路传递的声音信息。然而，临床广泛使用的单极（monopolar）电刺激模式存在明显局限：由于耳蜗内淋巴液的高导电性，电流会在电极周围广泛扩散，导致不同频率通道之间的激活区域高度重叠。这种通道串扰（channel summation）使得同时刺激多个电极时会产生难以控制的响度叠加，临床上只能采用交替脉冲（interleaved pulsed stimulation）策略加以规避，但这也牺牲了对声音时间精细结构（temporal fine structure）的自然编码能力。

为提高频谱分辨率，研究者开始探索光学刺激作为替代方案。通过向听觉神经元中导入光敏离子通道蛋白（opsin），即光遗传学（optogenetics）技术，可以用可见光精准激活特定区域的螺旋神经节神经元。已有研究表明，光刺激能够形成更独立的频率通道，即使在同时刺激相邻光源时也几乎没有通道间干扰。然而，单纯光刺激存在响应保真度低和功耗高的问题，尤其在高频脉冲刺激下，即使是最快的视蛋白（opsin）变体也难以提供足够的时序信息以支持语音理解。

针对上述问题，本研究提出“混合刺激”（hybrid stimulation）策略：将阈下（sub-threshold）光刺激与阈下电刺激相结合，利用光刺激在空间上预先去极化特定区域的神经元，使其接近兴奋阈值，随后施加的低强度电脉冲即可优先触发这一“预激”区域的神经放电。理论预期是这种策略既能降低所需电刺激强度，又能保持光学刺激的高空间选择性。此前已有单通道研究验证了混合刺激在提高高频跟随率方面的优势，但尚未在多通道、可转化植入装置上系统评估其空间激活扩散与通道总和效应。因此，本研究的主要目的是：在小鼠模型上，使用集成有发光二极管（LED）和铂电极环的多通道混合人工耳蜗阵列，量化单通道混合刺激下的激活扩散范围，以及双通道同时刺激时的通道干扰程度。

二、研究流程与实验方法

本研究的工作流程可分为四个主要环节：混合刺激阵列的设计与制造、动物模型与手术植入、刺激方案与电生理记录、数据分析与统计比较。

混合刺激阵列的研制 研究团队首先设计并制造了一种适用于小鼠耳蜗的混合刺激阵列。该阵列在一个柔软的硅胶载体中交替排列了五个微型 LED（尺寸 270×220 µm，波长 453 nm）和五个铂电极环（宽度 200 µm，直径从尖端到基端逐渐递减，范围为 0.21–0.29 mm）。LED 阵列在聚酰亚胺薄膜基底上制造，并在集成前涂覆了一层约 5 µm 厚的 Parylene C 以提供生物相容性保护和防潮绝缘。铂电极环被切割成杯状以便嵌入 LED。整个阵列的电极间距与 LED 间距均为 520 µm，阵列总长约 2.76 mm。实验前对所有阵列进行了阻抗测试、弯曲测试和盐水浸泡老化测试，并通过对裸 LED 和封装后 LED 的输出功率测量，确认 Parylene C 涂层未显著影响光输出。此外，研究团队还利用从显微 CT 扫描数据构建的 3D 打印水凝胶小鼠鼓阶模型，测试了阵列在模拟耳蜗内的插入弯曲行为，从而发现全深度插入可能导致机械损伤，最终在后续实验中仅插入两个混合通道（H4 和 H5）以避免损坏。

动物模型与手术植入 实验使用 8 只（4 雄 4 雌，7–12 周龄）表达 Channelrhodopsin-2/H134R 视蛋白的转基因小鼠。这些小鼠由 Cre-parvalbumin 小鼠与 Cop4-H134R/EYFP 报告小鼠杂交获得，其所有螺旋神经节神经元均表达光敏通道。小鼠经异氟烷麻醉后，手术暴露耳蜗，通过圆窗膜穿刺和耳蜗中部造口注入硫酸新霉素进行急性致聋处理。随后将对侧下丘（inferior colliculus）暴露，并将一个 32 通道、电极间距为 50 µm 的 NeuroNexus 记录阵列垂直插入下丘中央核。混合刺激阵列经圆窗插入耳蜗，插入深度限定为两个混合通道。

刺激方案 所有刺激均以 4 Hz 频率重复，重复 10 次并随机化顺序。光刺激采用 1 ms 脉冲，通过自制的 LED 驱动器提供 0–10 mA 电流，光阈值定义为诱发最大峰电位 30% 的最低强度。电刺激为阴极先行双相脉冲（25 µs/相，8 µs 相间间隔），通过铂电极环以单极模式施加，返回电极为皮下针电极。电流强度以临床单位（current level, CL）表示。混合刺激中，光脉冲先于电脉冲 1.5 ms 启动，此时间间隔系先前研究确定的最佳促进时延。混合通道 H4 由 LED4 与电极 E4 组成，H5 由 LED5 与电极 E5 组成。光刺激强度设定在各动物光阈值的 40%–90% 阈下水平，电刺激则覆盖全部电流范围。在通道干扰实验中，以更基底的 H4 为干扰通道，以更尖端的 H5 为测试通道，将 H4 的电刺激设置在阈下 10 CL、阈值、阈上 10 CL 和阈上 20 CL 四个水平，同时扫描 H5 的全部电流范围。

数据分析 多单位神经活动经放大、滤波和 30 kHz 采样后，用黑石 Cerebus 系统记录。电刺激伪迹采用 Heffer 和 Fallon 提出的方法去除。在 5–40 ms 刺激后窗口内对 32 个记录通道的峰电位进行计数，生成响应图像（response image），并构建空间调谐曲线（spatial tuning curve）。激活扩散宽度在阈上两个辨别指数水平（d′ = 1 和 d′ = 2）处进行测量比较。通道干扰通过测试通道最佳记录电极的阈值偏移（threshold shift）来衡量，并进一步转化为相对阈值影响（relative threshold influence）。

三、主要研究结果

混合刺激降低电刺激阈值 光刺激阈值在 L4 和 L5 分别为平均 1.05±0.2 µW 和 0.43±0.1 µW，混合刺激中使用的平均光强度分别为阈值的 77.5% 和 66.3%。所有 8 只小鼠中，混合刺激均降低了达到激活阈值所需的电流。H4 通道的中位降幅为 40 CL（约 6 dB），H5 通道中位降幅为 55 CL（约 8.6 dB），两通道间的降幅差异无统计学意义（p = 0.776）。配对 t 检验显示两个通道的阈值降低均极显著（p < 0.001）。响应图像显示，混合刺激下最佳记录电极位置与单纯电刺激相比仅有轻微偏移，仍保持相对独立的基底-尖端拓扑对应关系。

混合刺激减少激活扩散 在 d′ = 1 水平，混合刺激的平均激活宽度约为电刺激的 ¹⁄₁.8，差异显著（p < 0.05）；在 d′ = 2 水平，混合刺激的激活宽度约为电刺激的 ¹⁄₁.3，同样显著更窄（p < 0.05）。H4 与 H5 通道之间的激活宽度无显著差异。然而，当刺激电流进一步升高时，混合刺激与电刺激的激活宽度趋于一致，表明混合刺激的空间优势主要存在于低电流刺激水平。

混合刺激降低通道间干扰 在同时刺激 H4 干扰通道与 H5 测试通道的实验中，干扰通道电刺激处于阈下 10 CL 时，相对阈值影响为 2.4±0.9；当干扰通道达到阈值、阈上 10 CL 和阈上 20 CL 时，相对阈值影响分别增加至 4.0±1.3、4.6±1.8 和 8.3±4.2。与此前使用相似电极阵列获得的单纯电刺激干扰数据相比（相对阈值影响在所有干扰水平均更高），混合刺激的通道干扰显著更低（双因素方差分析，p = 0.001）。这一结果表明，在阈下光刺激辅助下，即使相邻通道间距仅 0.52 mm，同时混合刺激仍能保持较好的通道独立性。

四、结论与研究价值

本研究首次在多通道、可转化植入装置上验证了混合刺激策略的空间精确性优势。研究发现，混合刺激通过阈下光刺激的空间预激效应，显著降低了达到激活阈值所需的电刺激强度，从而在低刺激水平下获得了比单纯电刺激更窄的激活扩散。更重要的是，相邻混合通道在同时刺激时表现出显著低于单纯电刺激的通道间干扰，这为开发能够同时刺激多个通道的人工耳蜗编码策略提供了实验基础。同时刺激多通道的能力有望改善对声音时间精细结构的编码，从而提高嘈杂环境中的言语识别能力和音乐感知能力。然而，研究也指出了混合刺激的局限性：其空间优势在较高电刺激水平下会减弱甚至消失。此外，本研究使用的是所有螺旋神经节神经元均表达视蛋白的转基因小鼠，而临床转化中需要通过病毒载体导入视蛋白，其表达效率与转基因模型存在差异。作者因此强调，未来还需在病毒介导转导的动物模型、慢性致聋模型以及长期植入状态下进一步验证这些发现。

五、研究亮点与特色

本研究的核心亮点可归纳为几个方面。第一，装置创新：研究团队成功将微型 LED 与临床式铂电极环集成在同一柔性阵列中，并采用 Parylene C 封装，兼顾了光学透明性、生物相容性和机械柔性。第二，方法创新：首次在多通道装置上系统量化了混合刺激的激活扩散和双通道同时刺激下的通道干扰，填补了该领域的关键数据空白。第三，结果具有直接比较价值：由于阵列间距与先前发表的单纯光刺激和单纯电刺激研究相同或非常接近，本研究的混合刺激数据可以与历史数据进行直接定量比较，从而清晰揭示混合刺激在空间精确性上介于纯光刺激与纯电刺激之间、但显著优于纯电刺激的定位。第四，转化导向明确：电极设计模仿临床人工耳蜗，插入深度受控，研究结论直接指向多通道同时刺激策略的临床应用潜力。尽管仍需大量后续研究，但这项工作为未来更自然、更精细的听觉修复提供了重要的实验依据和方向指引。