2009年的一天，律師兼狂熱的戶外運動愛好者羅伯特·米爾納（化名）在華盛頓州的山區高速公路上開車時，感覺自己正在向側面翻滾。難道是他的車翻了嗎？也許是被一輛看不見的T型骨架碰撞所推動？米爾納猛踩剎車。車停了下來——但沒有翻倒。它完全直立地停在高速公路中間。米爾納就呆在那裡，陷入精神上的暈頭轉向，直到公路巡邏隊趕到。
這種眩暈發作，即在沒有移動時感覺自己在移動，對米爾納來說並不陌生。他每隔幾天就會發作一次。有一次，他穿著西裝倒在了法院的臺階上，世界在他側身躺著時旋轉，噁心且無法動彈，直到有人撥打了911，急救人員把他扶上了救護車。
三年來，米爾納的生活完全被一種影響內耳一小部分結構的疾病顛倒了，這些結構被稱為前庭迷路。這個器官系統，與讓我們能夠聽到聲音的器官系統相鄰但又彼此獨立，是我們感知頭部方向和運動的基礎。儘管很少有人對此進行深入思考，但它對於正常功能至關重要。知道哪個方向是上方對於平衡、姿勢和運動至關重要。感知頭部如何轉動可以穩定您的視覺：當您的頭部向一個方向旋轉時，您的前庭系統會使您的眼睛向相反方向移動，以便您所看到的東西保持穩定。這種動作稱為前庭眼反射。
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當這些內耳器官出現問題時，世界可能會旋轉或翻轉，視力可能會模糊，您可能會搖晃甚至跌倒。由於前庭系統與其他大腦區域之間存在聯絡，您通常還會嘔吐和感到困惑。內耳問題可能源於耳朵感染、自身免疫性疾病、頭部外傷或某些抗生素或抗癌藥物的治療。在米爾納的案例中，由於不明原因，壓力週期性地在他的一側內耳內積聚，導致其組成結構的膜破裂並使其功能關閉。
雖然米爾納的疾病，即梅尼埃病，很罕見，每1000人中僅影響12人，但內耳問題卻很常見。大約三分之一的人在一生中的某個時候會因疾病、損傷或藥物治療而經歷令人不安的眩暈。對於我們大多數人來說，這些症狀雖然劇烈，但將是短暫的。要麼內耳會恢復，要麼它會保留足夠的功能供大腦適應。
然而，對於大約八分之一的嚴重內耳損傷患者來說，這些變化太大了，大腦無法完全補償功能喪失。這些人餘生都會經歷慢性不穩。此外，對內耳的損害可能會隨著時間的推移而累積，導致70%到80%的老年人出現平衡問題，而在老年人中，跌倒也是致命傷害的主要原因。對於絕大多數患有慢性前庭功能喪失的個體來說，沒有有效的方法可以恢復其喪失的功能。
事實上，對於許多眩暈病例，主要治療方法恰恰相反：關閉系統。因此，大約八年前，我和我在華盛頓大學的同事開始著手開發一種內耳假體，該假體可能會恢復像米爾納和其他遭受前庭系統損傷的患者的平衡感和方向感。
慣性引導
大腦的前庭網路充當身體的慣性引導系統。它從多種感覺模式（包括視覺、觸覺和肌肉感覺（運動覺））獲取資訊，並利用這些資訊幫助大腦計算身體在世界中的物理位置。其主要感覺結構是前庭迷路，其中包含五個器官，這些器官將有關頭部運動的資訊傳遞到大腦。三個半規管，看起來像彼此成直角的微型呼啦圈，揭示了我們頭部在三個維度上的旋轉；兩個囊狀耳石器官告訴我們頭部相對於重力的方向以及是否正線上性向上、向下或側向移動。
如果您向任何方向轉動，您都會啟用半規管的某種組合；如果您向一側傾斜或直線移動，耳石器官將開始工作。這些器官充滿了液體，幷包含感受器細胞，其纖毛伸入該液體內的凝膠狀舌狀物或層狀物（取決於器官）。當頭部相對於液體或凝膠移動時，纖毛會彎曲，啟用它們所附著的感受器細胞，並將訊號傳送到大腦。
給定半規管中的所有毛細胞在凝膠狀舌狀物內都具有相同的方向，因此向大腦傳送相同的方向資訊：它們發出該半規管平面內旋轉的訊號[參見第46頁的方框]。每當您轉動頭部時，您都會觸發頭部兩側三個半規管中的某些組合的啟用，運動方向編碼在它們的相對訊號速率中。因此，如果您向上然後向左移動頭部以觀察飛過的蝴蝶，您的後半規管都會對向上運動做出強烈反應。與此同時，兩個前半規管中的細胞都會安靜下來。向左轉動將刺激您的左側水平半規管發出強烈的訊號，並減弱右側水平半規管的反應。
半規管在雙耳中以互補對的方式定向，任何運動都會增加某些半規管的訊號速率，並降低對側耳朵中互補半規管的訊號速率。大腦從每個半規管的訊號頻率中推斷出運動速度。例如，如果您猛地向右轉動頭部，您右耳半規管中的纖毛會劇烈彎曲，從而產生來自這些半規管的更頻繁的神經訊號和來自您左耳半規管的較不頻繁的神經訊號。這些訊號被髮送到大腦，大腦的工作是理解這些訊號。
在耳石器官中，來自感受器細胞的纖毛向上突出到凝膠狀基質中。基質頂部是稱為耳石的碳酸鈣晶體。頭部的傾斜會導致耳石向一側掉落，就像它們是凝膠盤頂部的水果一樣。這種運動會彎曲“凝膠”和嵌入其中的毛細胞的纖毛。垂直或水平移動頭部會使晶體下方的毛細胞向上和向下或側向移動，晶體滯後，再次彎曲凝膠和毛細胞。透過這種方式，這些器官可以檢測線性運動和傾斜。
在沒有前庭資訊的人中，這種情況通常是由對毛細胞有毒的藥物引起的，當頭部移動時，物體似乎會移動，就好像這個人正在透過抖動的攝像機觀看世界一樣。平衡受到嚴重損害，導致這些人像醉酒一樣蹣跚，或者邁出短促的步履蹣跚的步伐。在這些情況下，諸如去郵箱之類的簡單任務也變得幾乎無法克服的挑戰。由於前庭系統與控制工作記憶和注意力的部分大腦相連，患者也可能難以清晰地思考、集中注意力或記住事件和地點。每一天都像漂浮在海洋中一樣，思想和身體感覺同樣沒有錨定。
對於這些人來說，手杖和助行器就像助聽器一樣，提供了來自接觸地面的額外感覺輸入。然而，這些裝置既不能加快也不能正常化使用者步態，也不能減輕通常伴隨這種情況而來的迷失方向感和身體脫離感。
前庭系統的單側損傷，這是疾病或外傷更典型的後果，可能更糟，會導致噁心和劇烈的運動錯覺。僅一側耳朵受損也會產生梅尼埃病患者經歷的極度眩暈。
當我們靜止不動時，大腦期望來自每隻耳朵的平衡前庭資訊。朝向一隻耳朵的運動會產生不平衡，來自該耳朵的輸入更多，而來自另一隻耳朵的輸入更少。因此，當一隻耳朵幾乎失聲時，大腦會將來自另一隻耳朵的相對較大的輸入解釋為朝其方向的快速轉動或翻滾。這種錯覺是不可理喻的。即使您知道自己不可能在移動，您仍然感覺自己好像在空間中旋轉或翻筋斗。與此同時，大腦會啟用劇烈排空胃部的反射，以防您中毒，並將身體拋向受影響的耳朵，以將您從假定的向另一方向的跌倒中“拯救”出來。
對於米爾納來說，疾病並沒有完全破壞一側的前庭功能，而是導致其間歇性失效。由於不明原因，液體積聚，他的內耳膜被拉伸然後破裂，導致液體在不同的腔室之間混合。混合的液體消除了毛細胞向大腦傳送訊號所需的電化學梯度。那時，耳朵沉默了。對於某些人來說，飲食和利尿劑可以控制這些發作的頻率和嚴重程度。手術切開部分內耳膜可能會減輕壓力，但其效果通常不會持久。這些策略對米爾納都沒有幫助。他唯一剩下的選擇：化學或手術破壞受影響耳朵的前庭功能——通常還有聽力。
當這位律師在2010年準備手術時，他的外科醫生告訴他另一種高度實驗性的治療策略。我和我在華盛頓大學的同事剛剛獲得了美國食品和藥物管理局的批准，可以對一種可植入神經刺激器進行首次臨床試驗，該刺激器將取代前庭功能。我們為米爾納提供了成為我們首批10名患者之一的機會。
人工眩暈
長期以來，我和我的同事一直夢想著開發一種治療600萬雙側前庭功能喪失患者和更多單側功能喪失未代償患者的方法。多年來，在我們的診所中，我們看到一些人生來就患有一種稱為Usher綜合徵的遺傳性疾病，這使他們幾乎沒有或沒有前庭功能或聽力。這些人最初使用視覺來恢復一些平衡，但隨後在青春期失去了視力。我們的其他患者接受過化學療法或抗生素療程，化學療法或抗生素殺死了他們雙耳中的所有前庭毛細胞。他們的平衡性極差；他們無法確定自己在環境中的身體位置，並且他們經歷了視物震顫，在這種情況下，每當頭部移動時，視覺世界就會劇烈旋轉。還有一些患者的損傷較輕，導致暫時性眩暈，但使他們長期處於不穩和迷失方向的狀態。這種無定形的症狀也困擾著許多前庭功能喪失的老年患者。
2006年，我與幾位同事合作開發技術來幫助最嚴重的患者。我們想治療那些幾乎沒有或沒有內耳輸入的患者，或者像米爾納一樣，接受大腦無法適應的劇烈波動訊號的患者。我們的團隊包括神經科學家、生物醫學工程師和一名內耳外科醫生，他們向美國國家耳聾和其他交流障礙研究所申請建造和測試一種裝置。
我們遠非第一個提出這個想法的人。事實上，早在1960年代，神經科學家伯納德·科恩和 Jun-Ichi Suzuki，當時都在紐約市西奈山醫院工作，他們就在貓和猴子的內耳中植入了電線，並表明透過向電線傳送電流，他們可以在不同方向產生自然出現的眼球運動，類似於頭部運動期間看到的眼球運動。最近，哈佛大學和約翰·霍普金斯大學的研究團隊一直在研究附著在運動感測器上的小型、完全可植入的裝置，這些裝置在頭部運動期間刺激內耳，但它們尚未準備好植入人體。
與這些其他實驗性假體一樣，我們的假體也只會刺激半規管。耳石器官中的毛細胞以多種方向定位，從而導致一系列編碼運動方向的訊號，這些訊號更難概括。然而，我們的方法與其他方法在一個重要方面有所不同。我們計劃調整人工耳蝸中使用的穩健且經過驗證的技術，而不是從頭開始構建裝置。人工耳蝸產生電脈衝，啟用聽覺神經以恢復聽力。同樣，我們的裝置將刺激前庭神經以恢復方向感和平衡感。植入的刺激器將與已經在人體中測試和批准的刺激器相同；我們只需更改裝置的電極和程式設計，以適應其新的應用。
8月1日，隨著資金的到位，我們開始認真致力於裝置的各個部分。一個由三個微型陀螺儀組成的系統將與半規管對齊，以感知頭部運動。這些陀螺儀將位於頭部外部，與計算機處理器一起封裝在一個 Andes 薄荷糖大小的盒子中。處理器的任務是將來自陀螺儀的資訊轉換為無線電波，然後將其傳輸到植入耳朵後面顱骨顳骨中的刺激器。然後，刺激器將透過三根導線傳送訊號，每根導線都將隧道進入一個單獨的半規管。
我們的電極導線必須比人工耳蝸中的導線小得多——窄於五分之一毫米，長度小於2.5毫米——才能裝入每個半規管的孔中。我們對硬幣大小的刺激器進行程式設計，使其傳遞的電脈衝頻率隨著頭部向植入耳朵方向移動得更快而變得更高，而隨著頭部更快地遠離該耳朵而變得更慢。我們的程式還根據旋轉平面（其水平或偏航（左右轉動）、垂直或俯仰（上下點頭）以及橫向或滾轉（從肩膀到肩膀傾斜）分量）改變來自每個半規管的神經刺激。
到2006年底，我們有了一個原型。我們透過將其植入動物和人類屍體的頭骨中來測試其貼合性和耐用性。2007年10月，我們將其放入一隻活猴子體內。我們打開了它，觀察猴子的眼睛。如果裝置工作正常，眼睛會向與刺激編碼的運動相反的方向移動，這是由前庭眼反射觸發的。然而，令我們失望的是，猴子的眼睛保持靜止。
然後，在2008年春天，我們的外科醫生 Jay Rubinstein 決定巧妙地重新定位電極，將它們在內耳內移動幾毫米。當開關被撥動時，猴子的眼睛動了！我們關閉了電源；眼睛停止了。我們加快了速度，眼睛移動得更快。我們改變了接收刺激的神經，眼睛改變了方向。簡而言之，我們在這隻動物身上成功地創造了各種各樣的人工眩暈。我們也做了相反的事情，使猴子對眩暈免疫。當猴子像在遊樂園遊樂設施中一樣在可移動的椅子上旋轉時，我們打開了假體——它的眼睛停止移動，這表明猴子不再感覺到自己在旋轉。
我們在另外六隻猴子身上看到了類似的成功。它們都沒有失去自然平衡感，大多數都保留了聽力，因此該植入物似乎是安全的。並且它在第一隻猴子身上持續工作了超過18個月。2009年10月，我們向FDA申請將刺激器植入人體。
仿生平衡
2010年，我們獲得了FDA的批准，並開始招募患者。從理論上講，最佳候選人包括那些沒有前庭功能的人。但是，植入刺激器的手術會給這些人帶來風險，包括可能導致聽力喪失——並且益處在很大程度上是未知的。相比之下，植入手術實際上可能會幫助像米爾納這樣患有嚴重的、頑固性梅尼埃病的人。畢竟，對於這些患者來說，破壞一側耳朵的根治性手術是他們主要的最後手段治療選擇。因此，我們認為此類患者是我們試驗的理想候選人。
到2010年10月底，米爾納每週發作多次。每次發作後，他都會服用鎮靜劑來關閉他的內耳；他還服用止吐藥來阻止噁心。一天之內，他就會康復，他的內耳膜也會康復——但會在幾天內再次破裂。米爾納只是想讓它停止，因為每次他的耳朵出現問題時，他的生活都會停止。他自願成為我們的第一位患者。他希望不僅能從自己的病情中解脫出來，還能幫助其他和他一樣受苦的人。
在手術室裡待了六個小時後，外科醫生縫合了米爾納的耳朵。米爾納迅速康復，第二天就回家了。一週後，他回到我們的實驗室進行測試。我們固定了一個包含外部處理器的頭帶，並將他用安全帶綁在診所的長椅上。我們擔心他會感到噁心或迷失方向，聽到很大的聲音或感到面部疼痛。然後我們第一次打開了刺激器。
我們刺激了右側的水平半規管——米爾納的眼睛向左移動。在黑暗中，他感覺自己正在向右轉。我們來回切換，他交替地感覺到轉動和停止。如果我們保持脈衝一致且電流穩定，米爾納會感到旋轉，就像在旋轉木馬上一樣。如果我們喚醒了前垂直半規管，米爾納會感覺自己好像向前傾斜並向該耳朵的一側傾斜。當電源關閉時，他感覺自己正在恢復到直立坐姿。裝置工作正常！
米爾納沒有感到不適。他沒有疼痛，也沒有聽到幻聽。他在植入耳朵中經歷了聽力喪失，但這個結果與替代手術產生的結果相同。在其他訪問中，我們要求米爾納走路、轉頭並在搖晃的平臺上保持平衡。在裝置的幫助下，他的平衡性得到了改善，並且在移動時更加穩定。此後，我們已在其他三名梅尼埃病患者身上植入了該裝置，結果類似。今年夏天，還將有三名患者接受這種裝置。儘管我們對我們看到的進展感到興奮，但只有時間才能證明這項新技術是否會為前庭功能喪失提供持久的治療方法。沒有人確定每個植入物將保持有效多久，或者大腦是否會完全適應這種新型的前庭資訊。使用該裝置，訊號會從一隻耳朵中的所有受刺激纖維同步到達，而自然發生的訊號會在不同的時間並從雙耳到達。但是，如果該技術在長期內被證明是安全有效的，那麼它可能會為所有患有慢性不平衡和迷失方向的人提供緩解——包括那些無法適應其部分前庭功能喪失狀況的人。藉助這種植入技術，前庭功能喪失可能不再是無法治癒的。
米爾納使用他的裝置已經三年了。儘管我們獲得FDA批准的方案不允許他一直使用這種仍處於實驗階段的裝置，但當他開始感到不穩定或頭暈時，他會開啟它。當他這樣做時，穩定性就會恢復。他的發作頻率現在也降低了，這很可能是因為植入手術降低了他的自然前庭功能。出於這兩個原因，他的生活比接受假體之前豐富和輕鬆得多。今年早些時候，他從最近的滑雪之旅中給我們發了一張數碼照片。他站在他最喜歡的滑雪勝地的滑雪道頂端。照片中的一個標誌註明了這條滑雪道的名稱：“眩暈”。