紅外線可激活心臟細胞和耳細胞

日期：2011-04-06 11:31:06

　　科學家利用紅外線使小鼠的心臟細胞產生了收縮，并且還能使蟾魚的內耳細胞向大腦發送信號。未來這一發現將會被用來改善耳蝸植入的效果，還可以設計一些裝置恢復視力、維持平衡和治療運動障礙疾病。

　　美國猶他大學的科學家利用紅外線使小鼠的心臟細胞產生了收縮，并且還能使蟾魚的內耳細胞向大腦發送信號。未來這一發現將會被用來改善耳蝸植入的效果，還可以設計一些裝置恢復視力、維持平衡和治療像帕金森氏病這類的運動障礙疾病。

　　主要研究人員、生物工程學教授理查德·拉彼特說，現在我們用耳蝸植入方法改善耳聾患者有限的聽力，“我們將來會用紅外線脈沖代替電脈沖與大腦交流。”

　　研究發表在《生理學雜志》上。這項由美國國家衛生研究院資助的研究還提出發展用光信號代替電信號刺激心臟細胞制作心臟起搏器的可能性。他們發現，通過玻璃光纖釋放產生的短波紅外線可以激活心臟細胞和內耳細胞。進一步研究又發現，紅外線激活心肌細胞是通過使線粒體內外的鈣離子產生運動實現的，同樣的過程也發現在內耳細胞中。

　　紅外線可以讓我們感覺到熱，那么心臟和內耳細胞被激活是否與紅外線輻射本身無關而是熱的原因呢？拉彼特和同事通過實驗證明，這些細胞確實是被紅外線輻射所激活。

　　紅外線照射內耳細胞和心臟細胞　　與激光發射器一樣，紅外線也是通過二極管產生的，只是波長不同。

　　研究人員在實驗室用紅外線照射新生小鼠的心肌細胞和蟾魚的內耳毛細胞。毛細胞能將聲音、重力或運動的機械振動轉變成電信號通過相連的神經細胞送入大腦。實驗發現，經過紅外線照射的毛細胞向給大腦發送信號的神經元釋放了神經遞質。拉彼特認為，毛細胞的激活是紅外線輻射引起的，因為這些細胞充滿了線粒體，而它們又是這一波長的主要作用對象。在另一項新生小鼠心臟細胞研究中發現，紅外線會影響線粒體內外鈣離子的流動。拉彼特認為這一點很重要，因為對于可產生興奮的神經和肌肉細胞來說，鈣離子就像是讓這些細胞產生收縮或釋放神經遞質的扳機。心臟細胞研究發現，一次持續僅僅五千分之一秒的紅外線脈沖既可以使線粒體快速攝取細胞內的鈣離子，并隨后緩慢釋放回細胞里，這一循環使細胞產生了收縮。

　　拉彼特說，“鈣離子這種行為正常是由細胞控制的而非我們。所以紅外線給了我們控制這些細胞的一種工具。在內耳里，你將控制進入大腦的信號；在心臟，你將控制收縮。”

　　光-電耳蝸植入將成可能　　拉彼特認為這項研究將會帶來優于電信號的光信號耳蝸植入。現在的耳蝸是將聲音轉變成電信號。通常要在內耳耳蝸中放置8個電極，這8個電極只能釋放8個頻率的聲音，而一個健康的成年人能聽到的頻率超過3000個。如果利用光線刺激，那能聽到的就不僅僅是8個頻率而是數百個或數千個頻率。或許有一天光學耳蝸將使耳聾患者能再一次欣賞音樂，聽到一個正常人能聽到的所有細微聲音。與電流不能集中到一個點上而是廣泛分布不同，紅外線能聚焦，這樣就可以讓很多波長的光（相當于不同的聲音頻率）集中在內耳不同的細胞上。

　　將內耳聲音信號傳遞給大腦的神經細胞每秒可放電300次以上，而紅外線耳蝸就能很好地完成這項工作。實驗發現，利用激光脈沖照射毛細胞，可使與之相連的神經細胞每秒放電100多次。對于耳蝸植入來說，這些神經細胞將被紅外線激活而非毛細胞。

　　拉彼特告誡說，開發光學耳蝸可能還需5~10年時間。實際上光學耳蝸所需電量和光源不多，只需像助聽器上一樣的小電池就可以提供足夠的能量。

　　用光學修復運動、平衡和視覺障礙　　目前大腦深部電刺激已被用來治療運動障礙疾病，如帕金森氏病和家族遺傳性振顫。

　　拉彼特正在進行用光線代替電刺激大腦深部有效性的研究，另外還在嘗試利用光學植入治療平衡障礙的潛力。“我們老的時候會行動緩慢，這不是因為我們的肌肉不行了，而是因為我們的平衡出了問題。”他說。“這項技術將通過恢復耳朵向大腦發送有關你的身體空間運動的信號而恢復你的平衡。”

　　光學刺激還能為色素性視網膜炎或其它視網膜細胞有問題的患者提供人工視覺。“你可以佩戴在鏡框上裝有相機的眼鏡，相機上的電信號將會轉變成紅外線輻射脈沖進入到有問題的視網膜上。視網膜不是對光產生反應，而是對紅外線輻射發生反應”產生影像，他說。

　　利用光學進行聽覺和視覺植入，設備不必穿透大腦或其它神經組織，因為紅外線能夠穿透很多組織，所以這類設備“有很好的生物相容性。”拉彼特說。“你可以植入光學設備并終生留在那里。”