2017 Fiscal Year Annual Research Report
Non-invasive hearing prosthesis using infrared laser
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17H01769
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
小林 耕太 同志社大学, 生命医科学部, 准教授 (40512736)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
飛龍 志津子 同志社大学, 生命医科学部, 教授 (70449510)
古山 貴文 同志社大学, 研究開発推進機構, 助手 (20802268)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 人工感覚器 / 赤外線レーザー / フラビン蛋白蛍光イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は近赤外レーザー人工内耳を開発することである。同人工内耳は従来型の電極を刺激プローブとして使用するものと異なり、低侵襲で聴覚を回復することを目指している。神経細胞膜中のイオンチャネルの多くは熱に対する感受性を持つ。近赤外レーザー光を神経細胞に照射することで、チャネルを加熱し（最大5℃）、活動電位を誘発することができる。生体外より聴覚末梢（蝸牛神経）をレーザーで刺激することにより、低浸襲・非接触で神経活動を誘発し、聴力を再建することが可能になると私達は考えている。
当該年度は（１）スナネズミを被験体として、レーザー刺激部位の同定およびレーザー刺激による音圧、周波数の再建の可能性を検討した。具体的には、レーザーにより刺激する部位を変化させることで異なる周波数の聴こえを再建可能であるか検証するため、レーザー刺激用光ファイバーが蝸牛のどの部位を刺激しているかについてX線マイクロCTを用いて定量化を行った。またレーザーの刺激パラメータ、繰りかえし周期および出力を変化させることで、音の周波数および音圧を変化させたのと同様な神経応答（脳幹および皮質応答）がえられることがわかった。（２）ニホンザルを被験体として、音響生理実験を開始し、聴性脳幹反応および皮質由来の神経活動（Auditory evoked potential）の記録をおこなった。単純な音（クリック音）および音声（coo call）に対する脳幹および皮質応答の記録に成功した。さらに（３）ヒトを被験体として、これまでに作成したレーザーにより再建される音の「聴こえ」をシミュレートした音声が、老人性難聴に有用であるかを実験的に検証した。老人性難聴において顕著に不足する高周波のフォルマント情報をレーザーにより補強することで高周波に知覚手がかりをもつ子音の聞き取りが有意に上昇する結果が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
スナネズミを被験体とする生理実験 レーザー刺激用光ファイバーが蝸牛のどの部位を刺激しているかについてX線マイクロCTを用いて定量化を行った。結果、外耳道から光ファイバーを挿入することで蝸牛頂部を刺激可能であることや、耳骨胞に穿孔し中耳に光ファイバーを挿入することで蝸牛基部付近を刺激可能であることが分かった。また、音とレーザーの同時刺激をおこない、音によるレーザー応答のマスキングを調べた。データより蝸牛頂部刺激では低周波（４kHz周辺）に対応する聴神経を刺激している可能性が示唆された。さらにレーザー位置を微細（300μm）に変化させることでマスキングの起きやすい周波数を操作可能であることを確認した。これはレーザーの刺激位置を変化させることで「聴こえ」の周波数を操作できることを示唆する。また来年度以降、皮質応答を記録するためフラビン蛋白蛍光イメージングのセットアップをおこなった。
ニホンザルを被験体とする生理実験 来年度以降ニホンザルにおいてレーザー刺激がどのような「聴こえ」をもたらすかを生理学的指標により定量化するため、EEG記録・解析システムを構築した。単純な音（クリック音）に対する脳幹反応および音声（coo call）に対する皮質応答であるMismatch Negativityの記録に成功した。
ヒトを被験体とした刺激シミュレーション実験 レーザー刺激により再建される音の「聴こえ」をシミュレートした音声が、老人性難聴に有用であるかを実験的に検証した。老人性難聴では高周波に弁別手がかりをもつ子音の聴き取りが顕著に低下する。平均的な老人性難聴の状況下において第3フォルマントをレーザーによって模擬した音声を追加すると、予想通り子音知覚の改善が見られた。この結果はレーザー刺激が老人性難聴に有効であることを示唆する。
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| Strategy for Future Research Activity |
スナネズミを被験体とする生理実験 レーザー刺激によりどのような音知覚が生成しているかについて検討をおこなう。被験体の蝸牛正円窓に留置した電極より聴覚末梢の応答を記録する。また中枢レベルでの応答を定量化するため、フラビン蛋白蛍光イメージングをおこなう。特に聴覚皮質を記録対象として、レーザー出力の強さを変化させた場合と刺激部位（蝸牛基部と蝸牛頂部）を変化させた場合に皮質の応答の強度および反応部位が変化するかをイメージングにより可視化する。音刺激に対する応答と比較することで、皮質レベルでどのような音知覚が生成されているかを考察する。
ニホンザルを被験体とする生理実験 霊長類においてレーザー刺激をおこなう具体的手法を検討する。また音知覚を生理学的指標により定量化する。ニホンザルを対象とし刺激用光ファイバーの相応しい挿入位置およびレーザー出力を決定する。刺激パラメータ決定後、麻酔下の動物を対象に、レーザーおよび音に対するEEGの記録をおこなう。音刺激とした単純な音（クリック音）および音声（coo call）を使用する。レーザー刺激として、単発レーザーおよび音声のF1の時間変化をレーザー周期が模倣する刺激を用いる。
ヒトを被験体とした刺激シミュレーション実験 レーザー刺激によりどの程度の音声知覚（言語および付随する情報）を再建可能か検証する。従来型の人工内耳の場合でも装用者は術後に一定期間の訓練を経て音声知覚が回復するのが一般的である。よってレーザー刺激音声の知覚訓練をおこなった場合、訓練期間に依存してどの程度の知覚が可能になるのか、訓練効果の持続時間、訓練の転移について定量化を行う。レーザー刺激をシミュレートした音声を用いる。また音声の言語情報だけでなく、感情などの言語に付随する情報についても、レーザー刺激により伝達可能か実験的検討を行う予定である。
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Research Products
(8 results)
