ملخص
زراعة القوقعة الصناعية هي أنجح البدائل العصبية ، مع بلوغ المليون مستخدم حول العالم، حيث قام الباحثون بتصميم غرسات حديثة متعددة القنوات ، مما يسمح للمستعمل بالتعرف الصحيح على الجملة في هدوء و بنسبة تتراوح بين 70-80٪ في المتوسط العام . استخدم الباحثون أيضًا غرسة القوقعة الصناعية للمساعدة في فهم الأساسيات الكامنة وراء حجم الصوت (جهارة الصوت) وحدة الصوت و تجاوب الدماغ. بينما أدت التطورات الأولية في العلاج إلى تحسين التعرف على الكلام في الضوضاء ، فقد توقف التعرف على الكلام في هدوء بواسطة الغرسة أحادية الجانب منذ أوائل التسعينيات. كذلك في هذا البحث تدابير لإعادة تصميم واجهة تحفيز القوقعة والتعاون مع مجتمع التكنولوجيا العصبية بشكل عام.
مقدمة
زراعة القوقعة الصناعية هي أنجح الأطراف الاصطناعية ، حيث أعادت السمع الوظيفي لمليون شخص أصم جزئيًا أو كليًا في جميع أنحاء العالم. لا تسمح غرسة القوقعة الصناعية فقط للمستخدم البالغ العادي بإجراء محادثة هاتفية دون قراءة الشفاه ، ولكن الأهم من ذلك أنها توفر وضعًا للطفل لتطوير الكلام الطبيعي. وبالمقارنة ، تلقى أقل من ألف كفيف عملية زرع شبكية لاستعادة رؤيتهم وتلقى 208 آلاف شخص تحفيزًا عميقًا للدماغ لعلاج الاضطرابات العصبية والنفسية العصبية في عام 2021.
حيث تهيمن شركة Cochlear Limited (سيدني ، أستراليا) كشركة خاصة على سوق غرسات القوقعة الصناعية ، والتي باعت 650 ألف غرسة على مدار الأربعين عامًا الماضية ، كما لم تكشف Med El (إنسبروك ، النمسا) عن عدد الغرسات المباعة ، لكنه أنها تجاوزت Cochlear في عام 2015 باعتبارها اللاعب الأول في أوروبا ومن الواضح أنها كانت ثاني أكبر شركة مصنعة (Zeng et al. ، 2015) ).
كما لم تكشف Advanced Bionics (فالنسيا ، كاليفورنيا) أيضًا عن عدد عمليات الزرع التي تم بيعها ، لكن الشركة الأم ، Sonova (Stäfa ، سويسرا) ، أبلغت عن إجمالي إيرادات بقيمة 180 مليون دولار لقطاع زراعة قوقعة الأذن في عام 2021 ، أو حوالي خمس عائدات Cochlear (Sonova ، 2021). في عام 2021 ، باعت شركة Nurotron (هانغتشو ، الصين) أكثر من 20000 جهاز ، في حين باعت Oticon Medical ، المعروفة سابقًا باسم Neurelec (Vallauris ، فرنسا) : 16.500. وباعت شركات أصغر أخرى عدة آلاف من الأجهزة (على سبيل المثال ، Listent ، شنغهاي ، الصين) أو لديها عدة مئات الأجهزة المزروعة في تجاربهم السريرية (على سبيل المثال ، AIC Aiyisheng ، Shenyang ، الصين ؛ Shree Coratomic Limited ، Madhya Pradesh ، الهند ؛ Todoc ، سيول ، كوريا).
كما سجل أيضًا انخفاض في عدد المستخدمين النشطين لعدة آلاف من 3 أمتار / منزل (House and Urban ، 1973) و Inraid (Eddington ، 1978) ، والتي تم تطويرها في السبعينيات ولكن تم سحبها تدريجياً من السوق في التسعينيات.
للاحتفال بزراعة القوقعة المليون… تصف هذه المقالة ، التي كتبها فان جانج زينج ، أولاً معالم البحث والتطوير وراء هذا الجهاز الطبي الرائع. ثم البحث العلمي وراء أنجح الأطراف الاصطناعية ،أخيرًا ويناقش العوائق التي تحد من أدائه.
ستناقش المقالة طرق تحسين أداء غرسات القوقعة الصناعية وتسليط الضوء على فرص التعاون بين مجال زراعة القوقعة ومجتمع التكنولوجيا العصبية بشكل عام.
مراحل البحث والتطوير في زراعة القوقعة
هناك ثلاث مراحل ضرورية لنجاح الجهاز الطبي:
الجدوى والأمان والفعالية : تعود جدوى غرسات القوقعة الصناعية إلى فولتا الذي أثبت في عام 1800 أن التحفيز الكهربائي يمكن أن يحفز السمع. حيث قام ويليام هاوس ، و هو”مؤسس” علم الأعصاب ، بتطوير أول زراعة قوقعة صناعية تمت الموافقة عليها من قِبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية ، والتي تتميز بوصلة نقل ملف سلبي والكترود فريد داخل القوقعة. حيث كان جهاز المنزل أحادي القناة أمرًا بالغ الأهمية لسلامة غرسات القوقعة الصناعية وقبولها ، ولكنه لم يتمكن من إنتاج سوى الحد الأدنى من التعرف على الجمل المفتوحة ، حيث كانت وظيفته في المقام الأول تسهيل قراءة الشفاه وتحسين الكلام وإدراك الأصوات البيئية (House and Berliner) ، 1986).
ثم قاد جرايم كلارك عملية تطوير غرسة قوقعة صناعية متعددة القنوات لجهاز Nucleus-22 ، والتي وصفها بأنها “طفرة ثانية” ، لأنها مكنت “البالغين الصم ليس فقط من إدراك الصوت المعقد لبيئتهم الصوتية ، ولكن أيضًا التعرف على الكلمات التي تحتوي على إشارات بصرية وحتى بدونها ” طور إستراتيجية “أخذ العينات المستمر المتداخلة” أو إستراتيجية رابطة الدول المستقلة ، والتي أصبحت منذ ذلك الحين المعيار الصناعي الفعلي الذي يسمح للمستخدم العادي بتحقيق مستوى عالٍ (دقة 70٪ -80٪) من التعرف على الجملة الهادئة دون قراءة الشفاه.
علوم السمع والنطق وراء زراعة القوقعة
تم تصميم غرسات القوقعة الصناعية الحديثة متعددة القنوات مع مراعاة الرؤى البحثية المكثفة في السمع والكلام، أما من الجانب السمعي، اتبع التصميم مبادئ الترميز النغمي للأصوات، من حيث المكان والزمان، بحيث يحترم ترتيب الأقطاب الكهربائية البنية اللونية للأذن الداخلية (Greenwood ، 1961) ، بينما يتوافق عدد الأقطاب الكهربائية تقريبًا مع 24 مرشحًا سمعيًا أو نطاقات حرجة (Zwicker ، 1961). يمكن أن تكون النبضات الكهربائية إما دورية أو عشوائية ، اعتمادًا على سمات إشارة الكلام ، لأنها تنتج أنماطًا من التفريغ العصبي التي تكون طورًا مغلقًا على شكل موجة التحفيز (Kiang and Moxon ، 1972). أما فيما يتعلق بالكلام ، استندت معالجة إشارة زراعة القوقعة الصناعية إلى النظريات الصوتية لإنتاج الكلام وإدراكه.
المصدر والمرشح لتمثيل البنية الطيفية الدقيقة والغلاف
حيث تطرق الكاتب إلى جزأين:
(1) مصدر يكون إما إشارة دورية من اهتزاز الحبال الصوتية أو إشارة صاخبة من تدفق الهواء المطرود من الرئة
(2) مرشح يمثل ترددات الرنين من السبيل الصوتي والذي يتكون من التوافقيات ويسمى التوافقي الأول التردد الأساسي أو F0 ؛ يتشكل هذا المصدر طيفيًا من خلال صدى المسارات الصوتية أو الترددات الصوتية ، حيث تم تسمية أول صنفين من الصيغتين F1 و F2.
يساهم المصدر في هوية المتحدث وجودته ، بينما يساهم المرشح في وضوح الكلام.
على سبيل المثال : يمكن للمرء مضاعفة F0 بحيث يبدو المتحدث الذكر كمتحدث أنثى (الصف الثاني) ، أو استبدال المصدر الدوري بمصدر ضوضاء للحصول على كلام هامس (الصف الثالث). لا يؤدي أي من تعديلات المصدر هذه إلى إضعاف وضوح الكلام (في الوضع الهادئ) طالما بقي مرشح السبيل الصوتي (أي الصيغ) سليمًا.
تم تصميم أول غرسات قوقعة صناعية متعددة الأقطاب ، ولا سيما أكثر أجهزة Nucleus نجاحًا ، بناءً على هذا المصدر ونموذج المرشح ،حيث قام أول معالج كلام محمول Nucleus بترميز المصدر إما بمعدل تحفيز F0 لصوت مسموع أو معدل عشوائي للصوت الذي لا صوت له ، ولكنه استخرج فقط الصيغة الثانية أو F2 من الصوت لترميز معلومات المرشح نظرًا لأن F0 لا يساهم في الوضوح وأن F2 غير مناسب لتشفير المعلومات الساكنة ،
حيث أنتج معالج الكلام الأول هذا 10٪ -20٪ التعرف الصحيح على الجملة. حتى عندما تمت إضافة F1 لاحقًا، كما تحسن التعرف على الجملة بنسبة 30-40 ٪ فقط . و قد كان المستوى المنخفض نسبيًا في التعرف على الجملة بسبب صعوبة فنية في ذلك الوقت، حيث القيود الأساسية لزراعة القوقعة الصناعية، تكمن الصعوبة في أن رقائق معالجة الإشارات الرقمية في ذلك الوقت لا يمكنها التعامل إلا مع خوارزميات أقل تعقيدًا (أي اكتشاف التقاطع الصفري) ، والتي أعطت تقديرًا تقريبيًا للتردد الفوري للإشارة وكانت حسّاسة للضوضاء في الخلفية.
حتى إذا كان من الممكن قياس هذه الترددات الأساسية والصيغة بدقة ، وهو أمر تافه مع التكنولوجيا الحالية ، فلا يمكن تعيينها إلى موقع (مواقع) القوقعة الصحيحة بواسطة زراعة القوقعة. لا يختلف موقع الأقطاب الكهربائية داخل القوقعة بشكل كبير فقط بسبب عمق الإدخال أو الانحناء أو حتى الوضع غير الصحيح (على سبيل المثال ، scala vestibuli) ، ولكن الأفراد لديهم أيضًا درجات وأنماط مختلفة من أعصاب البقاء على قيد الحياة. يزداد هذا التباين الفردي تعقيدًا بسبب التشتت الواسع للتحفيز الكهربائي ، مما يجعل من المستحيل إعادة إنتاج نظام النغمة الطبيعي الدقيق والذي يعد ضروريًا لتشفير التردد الخاص بالموقع (Zeng et al. ، 2014). كانت هناك حاجة إلى نهج مختلف لتحسين أداء التعرف على الكلام لغرسات القوقعة الصناعية.
مشفر صوتي مرتبط بالظرف الزمني
أظهر دودلي (1939) في اختراعه الشهير “المشفر الصوتي” ذي القنوات العشر أنه من أجل جعل الكلام مفهومًا ، ليس من الضروري الحصول على ترددات الصيغ بدقة ، والتي يتم تمثيلها تقريبًا بالطاقة العالية لتعديل السعة البطيء (10 هرتز) مستخرج من كل قناة.
حيث تم تسمية تعديل السعة البطيء هذا بمؤشر الغلاف الزمني ، والذي ثبت أنه مفتاح لتحقيق أداء عالي المستوى (70-80 ٪ من خلال التعرف الصحيح على الجمل في الهدوء) من زراعة القوقعة الصناعية الحديثة.
كما ساهمت العديد من الدراسات في هذا النجاح، بداية بـ إشارات الغلاف الزمني من ثلاث قنوات فقط كافية للتعرف على الكلام ثانيًا : الحاملات ، سواء كانت ضوضاء جيبية أو ضيقة النطاق ، ليست مهمة . تُظهر اللوحة اليمنى العلوية الشكل الموجي الأصلي للمقطع / sa / ومغلفه (الخط الأحمر على الجانب الإيجابي من الشكل الموجي) ، بينما تُظهر الألواح السفلية الموجة الجيبية وحامل الضوضاء ، تم تعديلهما على التوالي بواسطة مغلف / سا /.
ثالثًا و نظرًا لارتفاع درجة قفل طور تفريغ العصب السمعي للتحفيز الكهربائي ، يمكن لمستخدمي زراعة القوقعة الاستفادة بشكل كامل من إشارات الغلاف الزمني ، حيث يمكنهم اكتشاف تقلبات أصغر حتى من المستمعين الصوتيين العاديين.
أخيرًا … جمعت كل هذه الأشياء معًا في إستراتيجية رابطة الدول المستقلة ، حيث تم استخراج الغلاف الزمني وضغطه بشكل صحيح لمطابقة النطاق الديناميكي لمستخدم الغرسة، ثم استخدم لتعديل السعة لناقل نبض ثنائي الطور عالي المعدل نسبيًا (∼ 1000 هرتز) ، والذي تم تشجيره بين الأقطاب الكهربائية لتجنب التفاعلات المرتبطة بالتحفيز المتزامن.
ظل CIS والتطبيقات المماثلة الأخرى من هذا العصر [على سبيل المثال ، n-of-m (McDermott et al. ، 1992)] حجر الزاوية لجميع عمليات زراعة القوقعة الحديثة.
زراعة القوقعة الصناعية كأداة بحث
كما تم استخدام غرسات القوقعة الصناعية كأداة بحث لتعميق فهمنا لعمليات السمع والكلام ، وكذا اكتشاف آليات جديدة. ومن الأمثلة على ذلك ترميز جهارة الصوت.
من المعروف أن جهارة الصوت تزداد كوظيفة قوة الصوت، تقول النظرية الكلاسيكية أن وظيفة الطاقة هذه ترجع إلى عدم خطية القوقعة (Stevens ، 1961) ، حيث يتصرف الدماغ مثل الجهاز الخطي (Krueger ، 1989). نظرًا لأنه يتم تجاوز القوقعة في السمع الكهربائي ، يمكن للمرء أن يتنبأ بوظيفة شدة الصوت الخطية في مستخدمي زراعة القوقعة الصناعية ، إذا كانت النظرية الكلاسيكية صحيحة. بدلاً من ذلك ، تم العثور على وظيفة ذات شدة متسارعة، مما يشير إلى آلية غير خطية من خطوتين :
من الانضغاط إلى التمدد ، في تشفير الجهارة . تم دمج نموذج الجهارة النشط هذا لإنتاج نظرية موحدة لإدراك جهارة الصوت ،وشرح طنين الأذن ، والذي سيكون صعبًا على الدماغ السلبي والخطي .
مثال آخر هو الترميز، والذي اعتمد تقليديًا نظرية الازدواج. بالنسبة إلى النغمات عالية التردد ، تعتمد درجة الصوت على رمز موقع ،
بالنسبة للأصوات ذات التردد المنخفض ، تعتمد طبقة الصوت على رمز زمني ، حيث يكون تردد الصوت معكوسًا لفاصل تفريغ العصب. كان يُعتقد أن هذين الرمزين مستقلين عن بعضهما البعض ، وقد كانت مساهماتهما النسبية لفترة طويلة مسألة نقاش في مجال السمع .
في غرسات القوقعة الصناعية ، يمكن التلاعب بموقع وتوقيت التحفيز بشكل مستقل لاختبار نظرية الازدواج الكلاسيكية. في الواقع ، تعتمد النغمة الكهربائية على كل من موقع وتوقيت التحفيز ، مما يشير إلى أن “نماذج النغمة الحديثة للأصوات المعقدة يجب أن تأخذ معلومات الموقع المطلقة في الاعتبار حيث استخدم “المنبهات المنقولة” في السمع السمعي للتوصل إلى نفس النتيجة.
أخيرًا ، تم استخدام غرسات القوقعة الصناعية لتوضيح أهمية مرونة الدماغ. فالدماغ جهاز ديناميكي يتكيف مع التغيير. لا يمتد النطاق الديناميكي الكهربائي فقط ، ولكن درجة الصوت الكهربائي تتغير أيضًا مع تجربة زراعة القوقعة. بمرور الوقت تم استخدام التحفيز الكهربائي لدراسة مرونة الدماغ بعد فقدان السمع واستعادة السمع بواسطة زراعة القوقعة الصناعية . حيث كشفت مقارنة الإمكانات المحفزة بين الأفراد المزروعين والسمع عن فترة حرجة لنضج الدماغ وربما تطور اللغة
كشفت الأبحاث التي أجريت على غرسات القوقعة الصناعية في الحيوانات والبشر عن إعادة تنظيم القشرة ليس فقط في المنطقة السمعية ، ولكن أيضًا في المناطق البصرية والحسية الجسدية في الدماغ ، على الرغم من أنه من غير الواضح ما إذا كانت هذه التغييرات في الدماغ جيدة أم سيئة ، فإن تتبع النغمة قد يؤدي إلى تحسينات في القدرة على التنبؤ بنتائج غرسة القوقعة الصناعية وشرحها.
حلول لأداء زراعة القوقعة الصناعية
على الرغم من الاكتشافات والتطورات الهامة في التكنولوجيا ، بدءًا من التحسينات الأولية في العلاج إلى السمع الكهربائي الثنائي والتحفيز الكهربائي الصوتي ، ظل الأداء الأساسي لمتوسط مستخدم الزرع الأحادي دون تغيير على مدار الثلاثين عامًا الماضية.
بالمقارنة مع المستمعين ذوي السمع الطبيعي ، لا يزال مستخدمو غرسة القوقعة الصناعية الحاليين يواجهون صعوبة هائلة في تحديد الكلام في ضوضاء الخلفية ، وتحديد الأصوات ، والتمييز بين اللحن والجرس ، ناهيك عن الاستمتاع بالدقة والثراء للموسيقى الأكثر تعقيدًا مثل السمفونية . إن الخروج من عنق الزجاجة الذي دام 30 عامًا ليس بسبب نقص الجهد ، حيث تمت تجربة العديد من الأفكار المبتكرة ولكن لم تسفر بعد عن تحسينات كبيرة في الأداء.
تضمنت هذه الأفكار ، على سبيل المثال ، زيادة معدل التحفيز لمحاكاة نشاط العصب السمعي التلقائي ، وتشفير تعديل التردد لاستعادة البنية الدقيقة ، وأخذ العينات المشذرة غير المتزامن لتشفير المغلف و المرحلة ، توليد أنماط تفريغ طبيعية للعصب السمعي عبر نموذج حسابي ، مما يقلل من انتشار الإثارة عبر التحفيز ثنائي القطب وثلاثي القطب أو شكل موجة غير متماثلة ، وإنشاء قنوات افتراضية عبر التحفيز متعدد الأقطاب .
لمعالجة هذا الاختناق ، يجب أن تعمل غرسات القوقعة الصناعية الحالية على تحسين كل من تشفير ونقل الإشارات الطيفية والزمنية ذات البنية الدقيقة . حتى الآن ، ركزت معظم الأفكار على ترميز إشارات البنية الدقيقة هذه في معالج الكلام ، باستثمار ضئيل أو بدونه في الواجهة الحاسمة للإلكترود والعصبونات.
في الواقع ، ظل التصميم الأساسي للأقطاب من 12 إلى 24 دون تغيير منذ بدايته باستثناء التحسينات التجميلية والتعديلات في شكل وحجم وموضع الأقطاب الكهربائية أو الطول وسماكة الشبكة والانحناء. استمرار استخدام نفس تصميم القطب الكهربي هذا هو العقبة التي تحد من أداء غرسة القوقعة الصناعية. حتى يتم إعادة تصميم واجهة القطب-العصبون لتتمكن من نقل الإشارات الضرورية ، لن تؤدي معالجة الإشارات في معالج الكلام إلى تحسين الأداء، تم اقتراح العديد من الأفكار المبتكرة لتعديل واجهة القطب الكهربائي والعصبون لتحسين أداء غرسات القوقعة الصناعية في المستقبل، أحدهما هو زرع مجموعة من الأقطاب الكهربائية المخترقة في العصب السمعي مباشرةً ، والتي ثبت في نموذج تقلل من حد التحفيز وانتشار الإثارة مقارنةً بزراعة القوقعة التقليدية . تختبر دراستان ممولتان من المعاهد الوطنية للصحة جدوى زرع الأعصاب المخترق في البشر :
(5R01-DC017182 بواسطة John Middlebrooks، وهاريسون لين في جامعة كاليفورنيا إيرفين، و 5UG3-NS107688 بواسطة Hubert Lim في جامعة مينيسوتا)،
تأخذ الفكرة الأخرى نهجًا معاكسًا ، حيث بدلاً من زرع الأقطاب الكهربائية في العصب السمعي ، يتم تطبيق عوامل التغذية العصبية لحث العصب السمعي على النمو في أقطاب القوقعة.
لا تعمل غرسة القوقعة الصناعية هذه ونهج توصيل العلاج على تحسين أداء غرسة القوقعة فحسب ، بل إنها توصل أيضًا العلاج إلى الأذن الداخلية. تستخدم الفكرة الثالثة ، الأكثر عدوانية من السابقتين ، التحفيز الضوئي لاستعادة أنماط الإثارة الطبيعية في القوقعة. أثبتت الأبحاث التي أجريت على الحيوانات جدوى وسلامة هذه التقنية ، وحاولت تقليل قوة وحجم نظام التحفيز الضوئي المناسب للاستخدام البشري.
الختام
كان مجال غرسة القوقعة الصناعية ولا يزال رائدًا في مجال التكنولوجيا العصبية ، لكن المجالات الأخرى تلحق بالركب ومن المحتمل أن تتولى زمام الأمور في المستقبل القريب. على سبيل المثال ، يتم استخدام تحفيز الحبل الشوكي الآن لإدارة الألم في حوالي 50.000 مريض سنويًا ، يقترب من العدد السنوي لعمليات زراعة القوقعة مناطق (65.000).
لقد تأخر التطور التكنولوجي لغرسات القوقعة الصناعية ، أو عدم وجودها مؤخرًا ، عن واجهات الدماغ والحاسوب، والتي تستخدم آلاف الأقطاب الكهربائية مع إمكانية التسجيل والتحفيز ، والاتصال اللاسلكي المحمي والمستمر، والعمر الطويل للبطارية دون إعادة الشحن لما يصل إلى 20 عامًا في الجسم .
لذلك ، تظل غرسة القوقعة الصناعية القابلة للزرع بالكامل بعيدة المنال ، على الرغم من أن هذه الفكرة قد تم اقتراحها منذ عقود ومن المحتمل أن يكون لها تأثير كبير على الراحة وأسلوب الحياة. على الرغم من أن الباحثين في زراعة القوقعة قد ابتكروا عن طريق نقل موقع التحفيز من القوقعة إلى جذع الدماغ السمعي والدماغ المتوسط ،لكن لم يتم تسجيل أي تطورات حديثة في هذه المنهجية.
في المقابل ، يسعى الباحثون في مجال الرؤية بنشاط إلى وضع غرسة قشرية عالية الكثافة على أمل استعادة ليس فقط حدة البصر ولكن أيضًا رؤية الألوان . بدافع من مبادرة NIH Brain الحالية والجهود المماثلة على مستوى العالم ، يندفع علماء الأعصاب ومهندسو الأعصاب نحو التطبيقات البشرية الأولى التي تأمل في علاج أو منع مجموعة واسعة من الأمراض العصبية والنفسية.
أثناء الاحتفال المليون بهذا الإنجاز الملحوظ لغرسة القوقعة ، يمكننا ويجب علينا تطبيق خبرتنا لمساعدة “الوافدين الجدد” على تجنب مخاطر الابتكار أثناء استعارة أفكار جديدة منهم لاستعادة السمع الطبيعي وتحسينه.
