很难想象 18 世纪后期亚历山德罗·伏特伯爵（Count Alessandro Volta）将两根金属棒插入耳朵并接通电源时在想什么。但他肯定不知道自己听到的“噼啪声”后来会帮助治愈聋哑和听力障碍者——那只是一个大胆的猜想。
“我头部受到了一次电击，片刻之后……我开始听到一种声音……那是一种噼啪作响的声音，伴随着震动，就像某种糊状物或粘稠物质正在沸腾一样。”
后来从这些实验以及朱塞佩·维拉蒂（Giuseppe Veratti）和本杰明·威尔逊（Benjamin Wilson）的早期研究中发展出来的人工耳蜗（或称“仿生耳”）已经帮助全球超过 60 万人克服了听力挑战。这就是科学与奇迹的结合点。亲眼目睹一个人首次打开人工耳蜗时的反应会让人泪流满面（试着别哭）。
但是人工耳蜗是如何实现这个奇迹的呢？这项技术在未来几年会有怎样的发展？
在这个两部分系列的第一部分中，我们将探讨人工耳蜗背后的迷人科学及其工作原理。在第二部分中，我们将调查这些设备昂贵（在美国平均花费 80,000 美元）的悲剧。最后，我们将探索一些开创性的策略和技术，这些策略和技术可以使人工耳蜗对发展中国家的人们来说更经济实惠。
那么，事不宜迟，让我们深入探讨吧……
耳朵如何将声音振动转化为电脉冲的科学
要理解人工耳蜗的工作原理，我们需要了解人耳如何充当两个世界之间的“接口”：（1）声音振动的机械世界和（2）大脑的电化学世界。我们还需要了解耳朵中哪里出了问题导致失聪、听力障碍和听力损失。
内耳图：图片来源于维基百科
作为将机械声振动转化为大脑能够理解的电脉冲的接口，耳朵通过电化学过程完成其工作。如果你不熟悉这个过程，阅读以下步骤会让你大开眼界
声音振动通过空气传播：声波无非是一系列相互碰撞的空气分子。这些振动从声源发出，像水体中的波浪一样通过空气传播。
声音振动进入耳朵：外耳（耳廓）的碗状结构捕捉声波。接下来，振动的空气分子进入耳道（外耳道），直到它们接触到耳膜（鼓膜）。
耳膜随声音振动而移动：一旦声音振动到达耳膜，声波会使耳膜以相同的频率和谐振动。
耳膜导致“听小骨”振动：中耳有三块小听小骨（锤骨、镫骨和砧骨）。当耳膜振动时，它将其振动传递给听小骨。
声音振动在耳蜗中变为液体振动：当听小骨振动时，特别是镫骨，它们将振动传递给蜗牛状耳蜗内的液体。
液体振动带动耳蜗中的毛细胞：负责听力的微小毛细胞位于充满液体的耳蜗中。耳蜗中的液体振动使这些毛细胞与振动同步移动。请看这张令人惊叹的毛细胞彩色图像！
毛细胞将液体振动转化为电脉冲：毛细胞的移动和弯曲导致毛细胞附近微小的孔状通道打开和关闭。这些打开和关闭的通道释放特殊的化学物质，产生电化学反应和电荷。电荷刺激听觉神经。这就是伏特伯爵在他研究中体验到的原理。根据目前对这个过程的科学解释，刺激耳蜗最窄的部分会让你感知到较低的声音频率。刺激耳蜗最宽的部分会让你感知到较高的声音频率。AllHear 基金会的奇普·戈德史密斯博士（Dr. Chip Goldsmith）为听力损失患者提供了以下观点：“最重要的声音是高频音，即言语的辅音。当你缺失这些时，说话者的言语质量（和理解能力）就会下降。”
听觉神经将电脉冲传递给大脑：当听觉神经接收到电脉冲时，它将它们传递给大脑。大脑处理并将电信号解释为我们听到的声音。
展开的耳蜗骨骼与相应的声音频率图：图片来源于维基百科
现在我们了解了耳朵如何充当将机械声音振动转化为大脑可以理解的电信号的界面，接下来让我们看看这个过程中可能出现哪些问题导致失聪和听力障碍。然后我们将解释人工耳蜗如何恢复听力。
什么导致失聪和听力障碍？
受损毛细胞示意图：图片来源于CDC.gov
除了由认知障碍引起的听力损失外，大多数听力损失病例——以及失聪和严重听力障碍的事件——都是由于一个或多个问题干扰了上述过程，阻碍了耳朵充当“接口”而导致的。以下是不涉及认知障碍的失聪和听力损失的最常见原因
毛细胞损伤：当耳朵中的毛细胞受损时——由于噪音、衰老过程或其他原因——它们无法产生足够强的电信号供听觉神经向大脑发送足够强的电信号。这会干扰清晰的听力。
听觉神经损伤：当听觉神经退化时，它无法向大脑传递足够的电脉冲以实现清晰的听力。在这种情况下，耳蜗可能接收到足够的液体振动，并产生足够的电信号，但听觉神经的退化阻碍了这些信号的传递。患有这种听力损失的个体可能对人工耳蜗的反应不佳。
损伤：严重损伤后，耳朵的一个或多个部分——例如听小骨或耳膜——可能无法正常运作，可能导致听力损失或失聪。
发育不良：由于发育不良或遗传状况，耳朵的不同部分可能无法正常运作——或者可能完全缺失——这会抑制听力或导致失聪。
疾病和感染：当疾病或感染影响耳朵结构时，可能会导致暂时性或永久性听力丧失。
在上述所有情况下，大脑都没有接收到足够的电刺激以实现清晰听力。虽然外科手术可以纠正耳小骨和鼓膜的某些问题——并且感染的影响可能是暂时的——但大多数听力损失和失聪病例是永久性的，需要通过助听器或人工耳蜗进行治疗。助听器通过提供声音放大来克服耳朵的功能缺陷。当助听器的声音放大不足时，人工耳蜗可能会有所帮助。
健康毛细胞图：图片来源于维基百科
人工耳蜗的工作原理
人工耳蜗绕过了耳朵将声音振动转换为电信号的工作。它不依赖于耳内毛细胞的运动来产生电化学反应，而是通过电刺激将电声信息直接传递到耳蜗。为了理解这个过程如何工作，我们需要了解人工耳蜗的不同组件
麦克风和语音处理器：麦克风和语音处理器位于耳后。这些组件拾取声音信息并将其转换为数字声音，就像助听器一样。语音处理器将声音转换为数字信号，根据声音的频率将其分离成多个通道。
图片来源：经编辑的图片，源自Centreforhearing.org
发射器：语音处理器将声音分离成不同的频率通道后，将数字声音信息发送到发射器。发射器通过磁铁连接到植入的接收器/刺激器，固定在皮肤外部。发射器将数字声音信息转换为电信号，并通过皮肤发送给接收器/刺激器。
图片来源：经编辑的图片，源自Centreforhearing.org
接收器/刺激器：接收器/刺激器完全隐藏在皮肤下方——与一些患者的担忧相反，没有任何电线或连接器从皮肤中伸出。在放置接收器/刺激器时，外科医生会在颅骨上创建一个浅凹槽，使接收器/刺激器与颅骨平齐。手术在耳后进行。手术后，除非患者佩戴外部麦克风/处理器和发射器，否则无法察觉他们植入了人工耳蜗。
图片来源：经编辑的图片，源自AAOCI
电极阵列：从植入的接收器/刺激器伸出的是一个细长、柔韧的“电极阵列”。外科医生将电极阵列植入蜗牛状耳蜗。外科医生从耳后切口进入该区域。激活后，电极阵列通过从接收器/刺激器接收到的电信号刺激耳蜗的不同部分。
如今，几乎所有的人工耳蜗都使用“多通道”电极阵列。多通道意味着有不同的接触点向耳蜗的特定部分发送电刺激。每个接触点负责一系列声音频率。在此图像中，您可以看到电极阵列上有 16 个接触点。每个接触点负责为特定的声音频率范围提供电刺激。
图片来源：编辑自Advanced Bionics
整合所有功能
如您所见，人工耳蜗的奇迹——及其恢复听力的能力——已经远远超越了伏特伯爵将金属棒插入耳朵并接通电源的实验。通过使用上述组件，人工耳蜗完成了耳朵的工作——跳过了上述步骤 1 到 7——将电声信息直接传递到耳蜗。为此，人工耳蜗的各个部分执行以下操作
麦克风拾取环境中的声音。
语音处理器将声音转换为数字信息。
语音处理器将声音信息组织成不同的频率通道。
语音处理器将每个通道的声音信息发送到发射器。
发射器为每个声音通道发送相应的电脉冲到接收器/刺激器。
电脉冲通过皮肤传输到植入式刺激器。
每个独立通道的脉冲通过电极阵列传输到耳蜗。
电极阵列上的接触点刺激耳蜗的不同区域。
听觉神经从耳蜗的不同部位接收电脉冲，并将电信息传递给大脑。
大脑将不同的电脉冲解释和理解为声音。
值得注意的是，我们尚未完全理解大脑如何处理和理解电声信息。但我们知道大脑具有高度适应性。尽管人工耳蜗产生的电脉冲与自然听觉中的不同，但大脑很快就能适应这种新的电刺激形式。起初，植入者通常报告他们听到的是“机器人声音”或“米老鼠声音”。几个月或一年后，这些体验会逐渐消失，听觉感觉会更加自然。
米歇尔·哈里斯（Michelle Harris），博客Deaf Be Not Proud的作者/所有者——她本人也是人工耳蜗的佩戴者——最近向我们亲身讲述了人工耳蜗的体验：
“当我第一次佩戴人工耳蜗时，没有任何声音与我开始失去听力之前记忆中的声音相似。最初，每个人听起来都一模一样，就像唐老鸭。我花了数周到数月才认出我家人的声音。花更长时间才重新学习所有新的但常见的耳朵正在接收的声音，比如滴水的水龙头、电子设备的蜂鸣声、树叶的沙沙声等等。事实上，我经常问我的孩子们，‘那是什么声音？’”
“适应人工耳蜗需要大量的时间、耐心和家人的支持。我想说，我花了整整一年或更长时间才觉得一切听起来又正常了。最长的适应期涉及听到投射出的声音，比如通过电话、麦克风、电视和电影院电影中的人说话。这有时仍然是一个挑战。佩戴人工耳蜗 10 年后，音乐听起来仍然不太一样，而且很难理解歌词。尽管有这些困难，但至少可以说，佩戴人工耳蜗改变了我的生活。”
人工耳蜗的潜在缺点
对于大多数患有轻度至重度听力损失的患者，医生建议使用放大特定声音频率的助听器。首先，助听器比人工耳蜗便宜得多，如果您选择像 MDHearingAid 这样经济实惠的制造商，一对助听器最低只需 399 美元。此外，助听器可以避免与人工耳蜗相关的潜在缺点和风险。这些缺点和风险包括
极其昂贵：在美国，平均人工耳蜗手术费用为 80,000 美元。这些费用通常由美国的医疗保险、医疗补助或私人健康保险承担。虽然患者可以在发展中国家以更低的费用接受人工耳蜗植入，但如果该国拥有进行该手术所需的医疗基础设施，费用仍然远远超出大多数人的预算。最终，高昂的植入费用意味着这些设备对于没有保险的人和生活在发展中经济体的人来说，在很大程度上是负担不起和难以获得的。
无法恢复“自然”听力：人工耳蜗并不能恢复“自然”听力。它们取而代之。正如米歇尔·哈里斯在上面的引述中指出的那样，人工耳蜗用户的听觉体验与具有自然听力或佩戴助听器的人的听觉体验截然不同。
丧失剩余听力能力：植入人工耳蜗电极阵列的手术可能会干扰并永久损害耳蜗内的毛细胞和其他结构。医生会尽量保留自然听力，但许多患者因手术而丧失了剩余的听力能力。
面部神经损伤风险：尽管不常见，但人工耳蜗手术存在面部神经损伤的风险，这可能导致某些面部肌肉瘫痪。
并非总是有效：人工耳蜗可能无法恢复您的听力。例如，天生失聪且在言语发展年龄之前未植入人工耳蜗的个体，其成功率较低。根据研究《人工耳蜗和大脑可塑性》（Cochlear Implants and Brain Plasticity）：“语前失聪成年人的表现水平通常远低于语后失聪成年人。”此外，听神经损伤、创伤性脑损伤和认知问题的个体可能成功率较低。
你适合植入人工耳蜗吗？
确定你是否适合人工耳蜗的最佳方法是咨询听力学家。听力学家可以进行专业的听力测试，诊断你的病情，并提供治疗建议。然而，如果你只是想检查听力损失的严重程度——并确定一副经济实惠的直销助听器是否适合你的情况——一个免费的五分钟在线听力测试是一个很好的开始。
参加MDHearingAid 的免费听力测试后，您将知道（1）您是否有听力损失，（2）听力损失的严重程度可能如何，以及（3）一副经济实惠的直销助听器是否能提供帮助。以下是您的测试结果示例
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最终思考
到目前为止，您应该对人工耳蜗背后的科学有了大致的了解，但没有什么比真实的人们首次打开植入物体验声音的视频更能概括这项技术的奇迹了（这是我喜欢的另一个视频）。看到这些美好瞬间，想到全世界数百万人无法获得这项技术，令人心碎。事实上，桑德拉·波普斯博士（Dr. Sandra Porps），一位与经济实惠的助听器制造商 MDHearingAid 合作的听力学家和人工耳蜗专家表示，“目前只有大约 6% 的人工耳蜗受益者实际拥有它。”
在本文的第二部分，我们将探讨人工耳蜗为何如此昂贵。我们还将研究一种实验性但有争议的人工耳蜗形式——以及一些令人兴奋的非营利性工作——这可能使这项技术在全球范围内对每个人都更经济实惠。敬请关注……
