?2012 年的一個(gè)星期天，在教自己 6 歲的兒子玩滑板時(shí)，Scott Moorehead摔倒在地?！拔业念^骨后部首當(dāng)其沖，”他說(shuō)。他在重癥監(jiān)護(hù)病房住了三天，醫(yī)生對(duì)他進(jìn)行了多處顱骨骨折、大量?jī)?nèi)出血和大腦額葉損傷的治療。

幾個(gè)星期和幾個(gè)月后，Moorehead 的聽(tīng)力恢復(fù)了，他的頭痛消失了，他的煩躁和困惑也消失了，但他再也沒(méi)有恢復(fù)嗅覺(jué)。

這次事故永久地切斷了Moorehead 鼻子到大腦底部嗅球的神經(jīng)。除了嗅覺(jué)之外，他也失去了基本的味覺(jué)。“味道主要來(lái)自氣味，”他解釋道?！拔业纳囝^只能感知到甜、咸、辣和苦。你可以蒙著我的眼睛，把10種口味的冰淇淋放在我面前，我不知道有什么區(qū)別：它們都嘗起來(lái)有點(diǎn)甜，除了巧克力有點(diǎn)苦。”

Moorehead為此極度痛苦：除了食物的味道，他還想念他所愛(ài)的人的獨(dú)特氣味。有一次，他沒(méi)有注意到煤氣泄漏，直到他的妻子回家報(bào)警時(shí)才意識(shí)到危險(xiǎn)。

Moorehead的痛苦并不唯一，嗅覺(jué)喪失不僅可能由頭部受傷引起，還可能由接觸某些毒素和各種醫(yī)療問(wèn)題引起，包括腫瘤、阿爾茨海默氏癥和病毒性疾病，如 COVID。嗅覺(jué)通常也會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而萎縮；在2012 年的一項(xiàng)研究中，超過(guò) 1,200 名成年人接受了嗅覺(jué)檢查，80 歲及以上的參與者中有 39% 患有嗅覺(jué)功能障礙。

新冠疫情以來(lái)，嗅覺(jué)和味覺(jué)的喪失一直是 COVID 的主要癥狀?；加?COVID 引起的嗅覺(jué)喪失的人目前只有三種選擇：等待并看看感覺(jué)是否會(huì)自行恢復(fù)，要求使用類固醇藥物來(lái)減輕炎癥并可能加速恢復(fù)，或者開(kāi)始進(jìn)行復(fù)檢，他們將自己暴露在一些環(huán)境中每天聞到熟悉的氣味，以促進(jìn)鼻腦神經(jīng)的恢復(fù)。如果患者在出現(xiàn)癥狀后幾周內(nèi)尋求藥物治療并康復(fù)，那么通常會(huì)有效果。但即便如此，這些干預(yù)措施也并不適用于所有人。

2020 年 4 月，VCU 嗅覺(jué)和味覺(jué)診所的研究人員對(duì)被診斷患有 COVID 的成年人發(fā)起了一項(xiàng)全國(guó)性調(diào)查，以確定嗅覺(jué)相關(guān)癥狀的流行率和持續(xù)時(shí)間。他們定期對(duì)這些人進(jìn)行隨訪，去年 8 月，他們公布了最初診斷后兩年的人的結(jié)果。結(jié)果 令人震驚：38% 的人報(bào)告嗅覺(jué)和味覺(jué)完全恢復(fù)，54% 的人報(bào)告部分恢復(fù)，7.5% 的人報(bào)告完全沒(méi)有恢復(fù)。“這是一個(gè)嚴(yán)重的生活質(zhì)量問(wèn)題，” VCU 診所主任 Evan Reiter說(shuō)。

讓嗅覺(jué)再生

雖然不少研究人員正在研究生物方法，例如使用干細(xì)胞再生氣味受體和神經(jīng)，但Richard Costanzo 認(rèn)為硬件植入是完全喪失嗅覺(jué)的人的唯一解決方案?！爱?dāng)這些途徑真的無(wú)法使用時(shí)，你必須用技術(shù)取代它們，”他說(shuō)。

Costanzo他是生理學(xué)和生物物理學(xué)的名譽(yù)教授，他在 1980 年代創(chuàng)立了 VCU 的 嗅覺(jué)和味覺(jué)障礙中心，這是該國(guó)最早的此類診所之一。經(jīng)過(guò)多年對(duì)嗅覺(jué)喪失的研究和對(duì)生物再生可能性的調(diào)查，他在 1990 年代開(kāi)始研究硬件解決方案。

他研發(fā)了一種電子鼻原型：一種用于嗅覺(jué)的神經(jīng)假體，電子鼻傳感器將其信號(hào)傳輸?shù)綇?nbsp;人工耳蝸中取出的小電極陣列。對(duì)于有聽(tīng)力損失的人來(lái)說(shuō)，植入物能將有關(guān)聲音的信息輸入內(nèi)耳，然后再輸入大腦。植入物的大小也適合大腦邊緣的嗅球。那么，是否也可以用它來(lái)傳達(dá)有關(guān)氣味的信息？

與大多數(shù)嗅覺(jué)喪失者不同，當(dāng)醫(yī)生告訴Moorehead無(wú)法恢復(fù)嗅覺(jué)時(shí)，他并沒(méi)有放棄。作為一家在 43 個(gè)州設(shè)有商店的手機(jī)零售公司的首席執(zhí)行官 ，他擁有投資于長(zhǎng)期研究的資源。當(dāng)一位同事告訴他在 VCU 的工作時(shí)，他取得了聯(lián)系并希望提供研究資助。自 2015 年以來(lái)，Moorehead 已為這項(xiàng)研究投入了近 100 萬(wàn)美元。他還從 VCU 獲得了這項(xiàng)技術(shù)的許可，并創(chuàng)辦了一家名為 Sensory Restoration Technologies 的初創(chuàng)公司。

當(dāng) COVID 來(lái)襲時(shí)，Moorehead 看到了機(jī)會(huì)。盡管他們還遠(yuǎn)沒(méi)有推出要宣傳的產(chǎn)品，但他還是很快為這家初創(chuàng)公司建立了一個(gè) 網(wǎng)站。他說(shuō)：“人們正在失去嗅覺(jué)。人們需要知道我們的存在！”

嗅覺(jué)是如何工作的

不止嗅覺(jué)，其他感官也存在等效的神經(jīng)假體，比如聽(tīng)覺(jué)。

人工耳蝸是迄今為止最成功的神經(jīng)技術(shù)， 全世界有超過(guò) 700,000 臺(tái)設(shè)備植入耳朵。同時(shí)，已經(jīng)有研究機(jī)構(gòu)為盲人開(kāi)發(fā)了視網(wǎng)膜植入物，但氣味和味道一直被認(rèn)為是一項(xiàng)艱難的挑戰(zhàn)。

要了解原因，首先要了解人類嗅覺(jué)系統(tǒng)的奇妙復(fù)雜性。當(dāng)玫瑰的氣味飄入您的鼻腔時(shí)，氣味分子會(huì)與受體神經(jīng)元結(jié)合，將電信號(hào)發(fā)送到嗅覺(jué)神經(jīng)。這些神經(jīng)通過(guò)骨板到達(dá)嗅球，這是前腦中的一個(gè)小神經(jīng)結(jié)構(gòu)。從那里，信息進(jìn)入杏仁核，這是大腦中控制情緒反應(yīng)的一部分。海馬體，一種與記憶有關(guān)的結(jié)構(gòu)；和處理認(rèn)知處理的額葉皮層。

進(jìn)入鼻子的氣味分子與嗅覺(jué)受體細(xì)胞結(jié)合，后者通過(guò)篩板的骨骼發(fā)送信號(hào)到達(dá)嗅球。從那里，信號(hào)被發(fā)送到大腦。

這些分支的神經(jīng)連接是氣味有時(shí)會(huì)受到如此強(qiáng)烈沖擊的原因，讓人聯(lián)想到快樂(lè)的記憶或創(chuàng)傷性事件?！靶嵊X(jué)系統(tǒng)可以進(jìn)入其他感官無(wú)法進(jìn)入的大腦部分，”Coelho 說(shuō)，大腦連接的多樣性還表明，刺激嗅覺(jué)系統(tǒng)可能還有其他用途，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出欣賞食物或注意到氣體泄漏的范圍：“它可能會(huì)影響情緒、記憶和認(rèn)知?！?/p>

由于以下幾個(gè)原因，生物系統(tǒng)難以復(fù)制。人的鼻子有大約 400 種不同類型的受體來(lái)檢測(cè)氣味分子。這些受體一起工作，使人類能夠區(qū)分?jǐn)?shù)量驚人的氣味：2014 年的一項(xiàng)研究估計(jì)，這個(gè)數(shù)字達(dá)到了 1 萬(wàn)億。到目前為止，將 400 個(gè)傳感器放在一個(gè)芯片上并連接到用戶的眼鏡上是不切實(shí)際的。更重要的是，研究人員還沒(méi)有完全理解刺激某些受體組合導(dǎo)致大腦感知?dú)馕兜男嵊X(jué)密碼。幸運(yùn)的是，Costanzo 和 Coelho認(rèn)識(shí)解決這兩個(gè)問(wèn)題的人。

電子鼻和腦刺激研究進(jìn)展

如今，電子鼻已經(jīng)在各種工業(yè)、辦公室和住宅環(huán)境中使用——如果你家里有一個(gè)典型的一氧化碳探測(cè)器，你就有一個(gè)非常簡(jiǎn)單的電子鼻。

“傳統(tǒng)的氣體傳感器基于金屬氧化物等半導(dǎo)體，” 英國(guó)曼徹斯特大學(xué)領(lǐng)先的電子鼻研究員兼化學(xué)感受教授Krishna Persaud解釋說(shuō)。他就是Costanzo 和 Coelho的顧問(wèn)。他說(shuō)，在最典型的電子鼻裝置中，“當(dāng)分子與半導(dǎo)體材料相互作用時(shí)，電阻會(huì)發(fā)生變化，你可以測(cè)量出來(lái)?！?Persaud 說(shuō)，在過(guò)去的二十年里，這種傳感器一直在縮小，現(xiàn)在它們只有微芯片那么大。“這使得它們放在一個(gè)小包裝中非常方便，”他說(shuō)。在 VCU 團(tuán)隊(duì)的早期實(shí)驗(yàn)中，他們使用了來(lái)自一家名為Figaro的日本公司的現(xiàn)成傳感器。

Persaud 說(shuō)，這種市售傳感器的問(wèn)題在于它們無(wú)法區(qū)分很多不同的氣味。這就是為什么他一直在研究新材料，例如制造成本低、功率低且可以組合成陣列以提供對(duì)數(shù)十種氣味的敏感性的導(dǎo)電聚合物。對(duì)于神經(jīng)假體，“原則上，數(shù)百個(gè) [傳感器] 是可行的，”P(pán)ersaud 說(shuō)。

第一代產(chǎn)品不允許用戶聞到數(shù)百種不同的氣味。相反，VCU 團(tuán)隊(duì)最初設(shè)想包括一些與安全相關(guān)的氣味的受體，例如煙霧和天然氣，以及一些令人愉悅的氣味。他們甚至可以定制假肢，為用戶提供對(duì)他們有意義的氣味：例如，為家庭面包師提供面包的氣味，或者為狂熱的徒步旅行者提供松林的氣味。

將這種電子鼻技術(shù)與最新的神經(jīng)技術(shù)相結(jié)合是 Costanzo 和 Coelho 目前面臨的挑戰(zhàn)。在與 Persaud 合作測(cè)試新傳感器的同時(shí)，他們還與波士頓的臨床醫(yī)生合作研究向大腦發(fā)送信號(hào)的最佳方法。

VCU 團(tuán)隊(duì)通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。在 2016 年和2018 年對(duì)大鼠進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，研究小組表明，使用電極直接刺激嗅球表面的斑點(diǎn)會(huì)在嗅球深處產(chǎn)生神經(jīng)活動(dòng)模式，這些神經(jīng)活動(dòng)將信息傳遞到大腦的其他部分。研究人員將這些模式稱為氣味圖。但是，雖然神經(jīng)活動(dòng)表明老鼠正在感知某些東西，但老鼠無(wú)法告訴研究人員他們聞到了什么。

耳鼻喉科醫(yī)生 Eric Holbrook 經(jīng)常與需要在鼻竇腔內(nèi)進(jìn)行手術(shù)的患者一起工作。他幫助 VCU 團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了初步的臨床實(shí)驗(yàn)。

他們的下一步是招募可以與人類志愿者進(jìn)行類似試驗(yàn)的合作者。他們從Costanzo 的一位前學(xué)生Holbrook開(kāi)始，他是哈佛醫(yī)學(xué)院耳鼻喉科副教授和馬薩諸塞州眼耳鼻科主任。Holbrook 大部分時(shí)間都在對(duì)人的鼻竇腔進(jìn)行手術(shù)，包括篩竇腔，它位于篩板下方，篩板是一種將嗅覺(jué)受體與嗅球分開(kāi)的骨結(jié)構(gòu)。

Holbrook 在 2018 年發(fā)現(xiàn)，在骨頭上放置電極會(huì)向嗅球發(fā)送電脈沖。在對(duì)清醒患者進(jìn)行的一項(xiàng)試驗(yàn)中，五名志愿者中的三名 報(bào)告了在這種刺激期間的嗅覺(jué)感知，報(bào)告的氣味包括“洋蔥味”、“防腐劑味和酸味”和“果味但不好聞”。雖然 Holbrook 認(rèn)為該試驗(yàn)是嗅覺(jué)植入系統(tǒng)概念的一個(gè)很好的證明，但他說(shuō)通過(guò)骨骼的傳導(dǎo)性差是一個(gè)重要的限制因素?！叭绻覀円峁╇x散的、獨(dú)立的刺激區(qū)域，”他說(shuō)，“它不能通過(guò)骨骼，而是需要在嗅球本身上。”

在嗅球上放置電極將是一個(gè)新領(lǐng)域。“理論上，”科埃略說(shuō)，“有很多不同的方法可以到達(dá)那里?！?外科醫(yī)生可以向下穿過(guò)大腦、側(cè)向穿過(guò)眼窩或向上穿過(guò)鼻腔，突破篩板到達(dá)球莖。Coelho 解釋說(shuō)，鼻科外科醫(yī)生經(jīng)常進(jìn)行涉及突破篩板的低風(fēng)險(xiǎn)手術(shù)?！靶碌牟皇侨绾蔚竭_(dá)那里或事后清理，”他說(shuō)，“而是如何在不引起問(wèn)題的情況下將異物留在那里?！?/p>

神經(jīng)外科醫(yī)生馬克·理查森 (Mark Richardson) 的癲癇患者在住院期間自愿參加神經(jīng)科學(xué)研究，使用植入電極進(jìn)行腦部監(jiān)測(cè)。

另一種策略完全是跳過(guò)嗅球，而是刺激大腦中接收來(lái)自嗅球信號(hào)的“下游”部分。支持這種方法的是Holbrook 以前的學(xué)生， 馬薩諸塞州總醫(yī)院功能神經(jīng)外科主任 Mark Richardson。Richardson經(jīng)常讓癲癇患者在醫(yī)院里呆上幾天，他們的大腦中裝有電極，這樣醫(yī)生就可以確定哪些大腦區(qū)域與他們的癲癇發(fā)作有關(guān)，并計(jì)劃手術(shù)治療。然而，當(dāng)這些患者在等待時(shí)，他們經(jīng)常被招募進(jìn)行神經(jīng)科學(xué)研究。

為了促進(jìn)Costanzo 和 Coelho 的研究，Richardson的團(tuán)隊(duì)要求監(jiān)測(cè)單元中的癲癇患者聞一下用一根帶有薄荷、魚(yú)或香蕉等氣味的棍子。Richardson說(shuō)，他們大腦中的電極顯示了“在我們預(yù)期的區(qū)域以及我們沒(méi)有預(yù)料到的區(qū)域”產(chǎn)生的神經(jīng)活動(dòng)模式。為了更好地了解大腦的反應(yīng)，他的團(tuán)隊(duì)剛剛開(kāi)始使用一種稱為嗅覺(jué)計(jì)的工具進(jìn)行另一輪實(shí)驗(yàn)，該工具將釋放更精確定時(shí)的氣味爆發(fā)。

一旦研究人員知道大腦在哪里會(huì)因?yàn)楸『傻臍馕抖钴S起來(lái)，他們就可以嘗試單獨(dú)用電刺激這些區(qū)域，以期產(chǎn)生同樣的感覺(jué)?！芭c現(xiàn)有技術(shù)相比，我認(rèn)為我們更接近于通過(guò)大腦刺激來(lái)誘導(dǎo)[氣味感知]，而不是通過(guò)嗅球刺激，”理查森說(shuō)。他指出，已經(jīng)有批準(zhǔn)用于大腦刺激的植入物，并表示使用這種設(shè)備將使監(jiān)管路徑更容易。然而，大腦內(nèi)氣味感知的分布式特性帶來(lái)了一個(gè)新的并發(fā)癥：用戶可能需要多個(gè)植入物來(lái)刺激不同的區(qū)域?！拔覀兛赡苄枰焖龠B續(xù)或同時(shí)訪問(wèn)不同的站點(diǎn)，”他說(shuō)。

商業(yè)化之路?

在歐洲，歐盟正在資助自己的嗅覺(jué)植入項(xiàng)目，稱為 ROSE（在氣味缺陷中恢復(fù)氣味檢測(cè)和識(shí)別）。它于 2021 年啟動(dòng)，涉及歐洲的七家機(jī)構(gòu)。

德累斯頓工業(yè)大學(xué)嗅覺(jué)與味覺(jué)診所負(fù)責(zé)人、聯(lián)盟成員Thomas Hummel表示，ROSE 研究人員正在與法國(guó)公司Aryballe合作，該公司生產(chǎn)用于氣味分析的微型傳感器。合作伙伴目前正在試驗(yàn)刺激嗅球和前額葉皮層?！霸O(shè)備所需的所有部件都已經(jīng)存在，”他說(shuō)?！袄щy在于將它們結(jié)合在一起?！?Hummel 估計(jì)，該聯(lián)盟的研究可能會(huì)在 5 到 10 年內(nèi)產(chǎn)生商業(yè)產(chǎn)品。“這是一個(gè)努力和資金的問(wèn)題，”他說(shuō)。

電子鼻專家 Persaud 表示，對(duì)于神經(jīng)假體是否具有商業(yè)可行性尚無(wú)定論。“一些患有嗅覺(jué)喪失的人會(huì)不惜一切代價(jià)讓他們恢復(fù)這種感覺(jué)，”他說(shuō)。“問(wèn)題在于是否有足夠多的人為這種設(shè)備創(chuàng)造市場(chǎng)，”他說(shuō)，因?yàn)槭中g(shù)和植入物總是存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

VCU 的研究人員已經(jīng)與美國(guó)食品和藥物管理局的監(jiān)管機(jī)構(gòu)舉行了非正式會(huì)議，他們已經(jīng)開(kāi)始了批準(zhǔn)植入式醫(yī)療設(shè)備的早期步驟。但傾向于關(guān)注實(shí)際問(wèn)題的投資者摩爾黑德表示，這個(gè)夢(mèng)之隊(duì)可能不會(huì)將這項(xiàng)技術(shù)一路帶到 FDA 批準(zhǔn)的商業(yè)系統(tǒng)的終點(diǎn)線。他指出，現(xiàn)有的許多醫(yī)療植入公司都擁有這種專業(yè)知識(shí)，例如 主導(dǎo)人工耳蝸市場(chǎng)的澳大利亞公司Cochlear ?！叭绻夷茏?[項(xiàng)目] 達(dá)到對(duì)其中一家公司有吸引力的階段，如果我能為他們承擔(dān)一些風(fēng)險(xiǎn)，那將是我最大的努力，”Moorehead說(shuō)。

Costanzo 說(shuō)，恢復(fù)人們的嗅覺(jué)和味覺(jué)能力是最終目標(biāo)。但在那之前，他還能給他們一些別的東西。他經(jīng)常接到絕望到失眠的人的電話，他們看的了他的工作?！八麄兎浅８屑び腥苏谘芯拷鉀Q方案，”Costanzo 說(shuō)?！拔业哪繕?biāo)是為這些人帶來(lái)希望?！?/p>

素材來(lái)源：

https://spectrum.ieee.org/covid-smell-prosthetic