你的大腦裡有一個“反向鋼琴”

神經科學家詹姆斯·赫德斯佩斯基本上已經在人耳內部生活了近 50 年。

在那段時間裡，洛克菲勒大學感覺神經科學實驗室主任赫德斯佩斯極大地促進了科學家們對耳朵和大腦如何協同工作來處理聲音的理解。上週，挪威科學學院認可了他數十年的開創性研究，並授予他百萬美元的卡夫利神經科學獎。赫德斯佩斯與另外兩位聽力研究人員分享了該獎項：威斯康星大學麥迪遜分校的羅伯特·費蒂普萊斯和巴黎巴斯德研究所的克里斯汀·珀蒂特。

隨著赫德斯佩斯多年來探索聽覺的神經機制，他對內耳複雜的解剖結構產生了特殊的欣賞——這種欣賞超越了實驗室。“我認為我們科學家傾向於低估科學的審美方面，”他說。“是的，科學是對事物本質的客觀調查。但它更像藝術而非其他。這是人們為了它的美而做的事情，並希望理解迄今為止隱藏的東西。這是一個令人難以置信的美麗事物，比如內耳，它執行著一個非常卓越的功能。這怎麼可能呢？它是如何做到的？”在週四得知自己獲得卡夫利獎後，赫德斯佩斯與大眾科學談論了他的工作以及大腦如何將物理振動轉化為交響樂的體驗。

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[以下是採訪的編輯稿。]

內耳如何處理聲音？

在 19 世紀，德國科學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲提出了一個非常重要的生理學見解，至今仍然存在。他認識到耳蝸——耳朵的感受器官——本質上是一架反向鋼琴。在鋼琴中，每根琴絃代表一個音調，輸出被混合成和諧的整體。耳朵基本上是撤銷了這項工作。它接收和諧的整體，分離出各個音調，並在螺旋耳蝸的不同位置表示每個音調。排列在耳蝸中的 16,000 個毛細胞中的每一個都是一個接收器，它對特定的頻率做出反應。這些毛細胞以系統的方式排列，就像鋼琴琴絃一樣。

“轉導”是一個在您的工作中經常出現的詞。它在聽覺中起什麼作用？

神經系統的通用貨幣是電。它是動作電位——實際上是 1 和 0 的流，很像計算機中的那些。但是外部感覺世界的貨幣非常不同。我們有光子——那就是視覺。我們有壓力——那就是觸覺。我們有分子——那就是嗅覺或味覺。最後，我們有空氣中的振動——那是聲音的本質。每種不同型別的物理刺激都必須以某種方式轉換為大腦能夠解釋的電訊號。這就是轉導過程。激勵我的事情，並花費了我 40 年職業生涯的前 20 年才真正理解的事情，是如何完成的。機械振動如何衝擊毛細胞的上部——所謂的毛束——如何將能量轉化為電反應。

那麼後 20 年呢？

我職業生涯的後半部分是出乎意料的。從我自己和他人最初 20 年的多項研究中，很明顯該系統不僅僅是被動換能器。進入的聲音不僅僅引發反應。相反，耳朵有一個所謂的有源過程。耳朵有一個內建放大器，而且這個放大器不同於我們的其他任何感官。這就好像進入眼睛的光在眼睛內部產生更多的光，或者進入鼻子的氣味產生更多的氣味分子。在我們的耳朵的情況下，進入耳朵的聲音實際上被耳朵機械放大了，放大倍數在 100 到 1,000 倍之間。這非常深刻。有源過程還銳化了聽覺的調諧，以便我們能夠區分僅相差約 0.1% 的頻率。相比之下，鋼琴上的兩個琴鍵相差 6%。

放大是您當前研究的重點嗎？

這是我的團隊正在投入大量精力的三件事之一。其他事情之一是試圖瞭解毛束——毛細胞的機械敏感上部——是如何組裝的。如何將如此複雜的東西組合在一起是發育生物學中的一個真正問題。另一個是嘗試幫助毛細胞再生。該領域最大的挑戰之一是哺乳動物的毛細胞在死亡後不會被替換。這就是為什麼我們所有人往往會變得越來越難以聽到聲音，並最終變得嚴重耳聾。我們正在採取的方法之一是篩選藥物，試圖找到一種分子，使毛細胞能夠再次開始再生。到目前為止，我們已經篩選了 80,000 種藥物，我們特別有兩種化合物看起來很有希望。我們現在正試圖更詳細地瞭解它們是如何運作的，以及它們或相關化合物是否可以用於人類的再生。

您是否認為基因療法是治療聽力損失的一種潛在可行方法？

我認為毛細胞是基因療法非常合理的靶標——原因有二：首先，存在許多不同的人類聽力損失狀況。大約有 100 種僅影響聽力或聽力和平衡，還有大約 200 種聽力損失伴隨影響心臟、腎臟或其他器官的狀況。因此，特別是對於侷限於耳朵的問題，基因療法可能是有價值的。與我分享這個獎項的人之一，巴黎巴斯德研究所的克里斯汀·珀蒂特，真正開創了透過基因方法來識別參與人類聽覺運作的基因和蛋白質。因此，我們現在擁有數十種 хорошо 理解的蛋白質或編碼它們的基因，這些蛋白質或基因在某些形式的聽力損失中是缺陷的，並且將是基因療法的有吸引力的靶標。

使耳朵特別有吸引力的另一件事是它的幾何形狀。目前，基因療法通常意味著透過病毒插入基因。當您談論整個身體時，這可能會有問題，因為您可能不希望其中一些基因進入它們通常不運作的地方。但是耳朵是一個所謂的特權隔間；它內部有空間，其中的液體與身體中的任何其他液體隔絕。並且有可能在那裡注射一種攜帶基因的病毒，這種病毒只會被人耳的細胞看到，而不會進入肝臟或其他器官並可能造成傷害。