2009年的一天，律师兼狂热的户外运动爱好者罗伯特·米尔纳（化名）在华盛顿州的山区高速公路上开车时，感觉自己正在向侧面翻滚。难道是他的车翻了吗？也许是被一辆看不见的T型骨架碰撞所推动？米尔纳猛踩刹车。车停了下来——但没有翻倒。它完全直立地停在高速公路中间。米尔纳就呆在那里，陷入精神上的晕头转向，直到公路巡逻队赶到。
这种眩晕发作，即在没有移动时感觉自己在移动，对米尔纳来说并不陌生。他每隔几天就会发作一次。有一次，他穿着西装倒在了法院的台阶上，世界在他侧身躺着时旋转，恶心且无法动弹，直到有人拨打了911，急救人员把他扶上了救护车。
三年来，米尔纳的生活完全被一种影响内耳一小部分结构的疾病颠倒了，这些结构被称为前庭迷路。这个器官系统，与让我们能够听到声音的器官系统相邻但又彼此独立，是我们感知头部方向和运动的基础。尽管很少有人对此进行深入思考，但它对于正常功能至关重要。知道哪个方向是上方对于平衡、姿势和运动至关重要。感知头部如何转动可以稳定您的视觉：当您的头部向一个方向旋转时，您的前庭系统会使您的眼睛向相反方向移动，以便您所看到的东西保持稳定。这种动作称为前庭眼反射。
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当这些内耳器官出现问题时，世界可能会旋转或翻转，视力可能会模糊，您可能会摇晃甚至跌倒。由于前庭系统与其他大脑区域之间存在联系，您通常还会呕吐和感到困惑。内耳问题可能源于耳朵感染、自身免疫性疾病、头部外伤或某些抗生素或抗癌药物的治疗。在米尔纳的案例中，由于不明原因，压力周期性地在他的一侧内耳内积聚，导致其组成结构的膜破裂并使其功能关闭。
虽然米尔纳的疾病，即梅尼埃病，很罕见，每1000人中仅影响12人，但内耳问题却很常见。大约三分之一的人在一生中的某个时候会因疾病、损伤或药物治疗而经历令人不安的眩晕。对于我们大多数人来说，这些症状虽然剧烈，但将是短暂的。要么内耳会恢复，要么它会保留足够的功能供大脑适应。
然而，对于大约八分之一的严重内耳损伤患者来说，这些变化太大了，大脑无法完全补偿功能丧失。这些人余生都会经历慢性不稳。此外，对内耳的损害可能会随着时间的推移而累积，导致70%到80%的老年人出现平衡问题，而在老年人中，跌倒也是致命伤害的主要原因。对于绝大多数患有慢性前庭功能丧失的个体来说，没有有效的方法可以恢复其丧失的功能。
事实上，对于许多眩晕病例，主要治疗方法恰恰相反：关闭系统。因此，大约八年前，我和我在华盛顿大学的同事开始着手开发一种内耳假体，该假体可能会恢复像米尔纳和其他遭受前庭系统损伤的患者的平衡感和方向感。
惯性引导
大脑的前庭网络充当身体的惯性引导系统。它从多种感觉模式（包括视觉、触觉和肌肉感觉（运动觉））获取信息，并利用这些信息帮助大脑计算身体在世界中的物理位置。其主要感觉结构是前庭迷路，其中包含五个器官，这些器官将有关头部运动的信息传递到大脑。三个半规管，看起来像彼此成直角的微型呼啦圈，揭示了我们头部在三个维度上的旋转；两个囊状耳石器官告诉我们头部相对于重力的方向以及是否正在线性向上、向下或侧向移动。
如果您向任何方向转动，您都会激活半规管的某种组合；如果您向一侧倾斜或直线移动，耳石器官将开始工作。这些器官充满了液体，并包含感受器细胞，其纤毛伸入该液体内的凝胶状舌状物或层状物（取决于器官）。当头部相对于液体或凝胶移动时，纤毛会弯曲，激活它们所附着的感受器细胞，并将信号发送到大脑。
给定半规管中的所有毛细胞在凝胶状舌状物内都具有相同的方向，因此向大脑发送相同的方向信息：它们发出该半规管平面内旋转的信号[参见第46页的方框]。每当您转动头部时，您都会触发头部两侧三个半规管中的某些组合的激活，运动方向编码在它们的相对信号速率中。因此，如果您向上然后向左移动头部以观察飞过的蝴蝶，您的后半规管都会对向上运动做出强烈反应。与此同时，两个前半规管中的细胞都会安静下来。向左转动将刺激您的左侧水平半规管发出强烈的信号，并减弱右侧水平半规管的反应。
半规管在双耳中以互补对的方式定向，任何运动都会增加某些半规管的信号速率，并降低对侧耳朵中互补半规管的信号速率。大脑从每个半规管的信号频率中推断出运动速度。例如，如果您猛地向右转动头部，您右耳半规管中的纤毛会剧烈弯曲，从而产生来自这些半规管的更频繁的神经信号和来自您左耳半规管的较不频繁的神经信号。这些信号被发送到大脑，大脑的工作是理解这些信号。
在耳石器官中，来自感受器细胞的纤毛向上突出到凝胶状基质中。基质顶部是称为耳石的碳酸钙晶体。头部的倾斜会导致耳石向一侧掉落，就像它们是凝胶盘顶部的水果一样。这种运动会弯曲“凝胶”和嵌入其中的毛细胞的纤毛。垂直或水平移动头部会使晶体下方的毛细胞向上和向下或侧向移动，晶体滞后，再次弯曲凝胶和毛细胞。通过这种方式，这些器官可以检测线性运动和倾斜。
在没有前庭信息的人中，这种情况通常是由对毛细胞有毒的药物引起的，当头部移动时，物体似乎会移动，就好像这个人正在通过抖动的摄像机观看世界一样。平衡受到严重损害，导致这些人像醉酒一样蹒跚，或者迈出短促的步履蹒跚的步伐。在这些情况下，诸如去邮箱之类的简单任务也变得几乎无法克服的挑战。由于前庭系统与控制工作记忆和注意力的部分大脑相连，患者也可能难以清晰地思考、集中注意力或记住事件和地点。每一天都像漂浮在海洋中一样，思想和身体感觉同样没有锚定。
对于这些人来说，手杖和助行器就像助听器一样，提供了来自接触地面的额外感觉输入。然而，这些设备既不能加快也不能正常化用户步态，也不能减轻通常伴随这种情况而来的迷失方向感和身体脱离感。
前庭系统的单侧损伤，这是疾病或外伤更典型的后果，可能更糟，会导致恶心和剧烈的运动错觉。仅一侧耳朵受损也会产生梅尼埃病患者经历的极度眩晕。
当我们静止不动时，大脑期望来自每只耳朵的平衡前庭信息。朝向一只耳朵的运动会产生不平衡，来自该耳朵的输入更多，而来自另一只耳朵的输入更少。因此，当一只耳朵几乎失声时，大脑会将来自另一只耳朵的相对较大的输入解释为朝其方向的快速转动或翻滚。这种错觉是不可理喻的。即使您知道自己不可能在移动，您仍然感觉自己好像在空间中旋转或翻筋斗。与此同时，大脑会激活剧烈排空胃部的反射，以防您中毒，并将身体抛向受影响的耳朵，以将您从假定的向另一方向的跌倒中“拯救”出来。
对于米尔纳来说，疾病并没有完全破坏一侧的前庭功能，而是导致其间歇性失效。由于不明原因，液体积聚，他的内耳膜被拉伸然后破裂，导致液体在不同的腔室之间混合。混合的液体消除了毛细胞向大脑发送信号所需的电化学梯度。那时，耳朵沉默了。对于某些人来说，饮食和利尿剂可以控制这些发作的频率和严重程度。手术切开部分内耳膜可能会减轻压力，但其效果通常不会持久。这些策略对米尔纳都没有帮助。他唯一剩下的选择：化学或手术破坏受影响耳朵的前庭功能——通常还有听力。
当这位律师在2010年准备手术时，他的外科医生告诉他另一种高度实验性的治疗策略。我和我在华盛顿大学的同事刚刚获得了美国食品和药物管理局的批准，可以对一种可植入神经刺激器进行首次临床试验，该刺激器将取代前庭功能。我们为米尔纳提供了成为我们首批10名患者之一的机会。
人工眩晕
长期以来，我和我的同事一直梦想着开发一种治疗600万双侧前庭功能丧失患者和更多单侧功能丧失未代偿患者的方法。多年来，在我们的诊所中，我们看到一些人生来就患有一种称为Usher综合征的遗传性疾病，这使他们几乎没有或没有前庭功能或听力。这些人最初使用视觉来恢复一些平衡，但随后在青春期失去了视力。我们的其他患者接受过化学疗法或抗生素疗程，化学疗法或抗生素杀死了他们双耳中的所有前庭毛细胞。他们的平衡性极差；他们无法确定自己在环境中的身体位置，并且他们经历了视物震颤，在这种情况下，每当头部移动时，视觉世界就会剧烈旋转。还有一些患者的损伤较轻，导致暂时性眩晕，但使他们长期处于不稳和迷失方向的状态。这种无定形的症状也困扰着许多前庭功能丧失的老年患者。
2006年，我与几位同事合作开发技术来帮助最严重的患者。我们想治疗那些几乎没有或没有内耳输入的患者，或者像米尔纳一样，接受大脑无法适应的剧烈波动信号的患者。我们的团队包括神经科学家、生物医学工程师和一名内耳外科医生，他们向美国国家耳聋和其他交流障碍研究所申请建造和测试一种设备。
我们远非第一个提出这个想法的人。事实上，早在1960年代，神经科学家伯纳德·科恩和 Jun-Ichi Suzuki，当时都在纽约市西奈山医院工作，他们就在猫和猴子的内耳中植入了电线，并表明通过向电线发送电流，他们可以在不同方向产生自然出现的眼球运动，类似于头部运动期间看到的眼球运动。最近，哈佛大学和约翰·霍普金斯大学的研究团队一直在研究附着在运动传感器上的小型、完全可植入的设备，这些设备在头部运动期间刺激内耳，但它们尚未准备好植入人体。
与这些其他实验性假体一样，我们的假体也只会刺激半规管。耳石器官中的毛细胞以多种方向定位，从而导致一系列编码运动方向的信号，这些信号更难概括。然而，我们的方法与其他方法在一个重要方面有所不同。我们计划调整人工耳蜗中使用的稳健且经过验证的技术，而不是从头开始构建设备。人工耳蜗产生电脉冲，激活听觉神经以恢复听力。同样，我们的设备将刺激前庭神经以恢复方向感和平衡感。植入的刺激器将与已经在人体中测试和批准的刺激器相同；我们只需更改设备的电极和编程，以适应其新的应用。
8月1日，随着资金的到位，我们开始认真致力于设备的各个部分。一个由三个微型陀螺仪组成的系统将与半规管对齐，以感知头部运动。这些陀螺仪将位于头部外部，与计算机处理器一起封装在一个 Andes 薄荷糖大小的盒子中。处理器的任务是将来自陀螺仪的信息转换为无线电波，然后将其传输到植入耳朵后面颅骨颞骨中的刺激器。然后，刺激器将通过三根导线发送信号，每根导线都将隧道进入一个单独的半规管。
我们的电极导线必须比人工耳蜗中的导线小得多——窄于五分之一毫米，长度小于2.5毫米——才能装入每个半规管的孔中。我们对硬币大小的刺激器进行编程，使其传递的电脉冲频率随着头部向植入耳朵方向移动得更快而变得更高，而随着头部更快地远离该耳朵而变得更慢。我们的程序还根据旋转平面（其水平或偏航（左右转动）、垂直或俯仰（上下点头）以及横向或滚转（从肩膀到肩膀倾斜）分量）改变来自每个半规管的神经刺激。
到2006年底，我们有了一个原型。我们通过将其植入动物和人类尸体的头骨中来测试其贴合性和耐用性。2007年10月，我们将其放入一只活猴子体内。我们打开了它，观察猴子的眼睛。如果设备工作正常，眼睛会向与刺激编码的运动相反的方向移动，这是由前庭眼反射触发的。然而，令我们失望的是，猴子的眼睛保持静止。
然后，在2008年春天，我们的外科医生 Jay Rubinstein 决定巧妙地重新定位电极，将它们在内耳内移动几毫米。当开关被拨动时，猴子的眼睛动了！我们关闭了电源；眼睛停止了。我们加快了速度，眼睛移动得更快。我们改变了接收刺激的神经，眼睛改变了方向。简而言之，我们在这只动物身上成功地创造了各种各样的人工眩晕。我们也做了相反的事情，使猴子对眩晕免疫。当猴子像在游乐园游乐设施中一样在可移动的椅子上旋转时，我们打开了假体——它的眼睛停止移动，这表明猴子不再感觉到自己在旋转。
我们在另外六只猴子身上看到了类似的成功。它们都没有失去自然平衡感，大多数都保留了听力，因此该植入物似乎是安全的。并且它在第一只猴子身上持续工作了超过18个月。2009年10月，我们向FDA申请将刺激器植入人体。
仿生平衡
2010年，我们获得了FDA的批准，并开始招募患者。从理论上讲，最佳候选人包括那些没有前庭功能的人。但是，植入刺激器的手术会给这些人带来风险，包括可能导致听力丧失——并且益处在很大程度上是未知的。相比之下，植入手术实际上可能会帮助像米尔纳这样患有严重的、顽固性梅尼埃病的人。毕竟，对于这些患者来说，破坏一侧耳朵的根治性手术是他们主要的最后手段治疗选择。因此，我们认为此类患者是我们试验的理想候选人。
到2010年10月底，米尔纳每周发作多次。每次发作后，他都会服用镇静剂来关闭他的内耳；他还服用止吐药来阻止恶心。一天之内，他就会康复，他的内耳膜也会康复——但会在几天内再次破裂。米尔纳只是想让它停止，因为每次他的耳朵出现问题时，他的生活都会停止。他自愿成为我们的第一位患者。他希望不仅能从自己的病情中解脱出来，还能帮助其他和他一样受苦的人。
在手术室里待了六个小时后，外科医生缝合了米尔纳的耳朵。米尔纳迅速康复，第二天就回家了。一周后，他回到我们的实验室进行测试。我们固定了一个包含外部处理器的头带，并将他用安全带绑在诊所的长椅上。我们担心他会感到恶心或迷失方向，听到很大的声音或感到面部疼痛。然后我们第一次打开了刺激器。
我们刺激了右侧的水平半规管——米尔纳的眼睛向左移动。在黑暗中，他感觉自己正在向右转。我们来回切换，他交替地感觉到转动和停止。如果我们保持脉冲一致且电流稳定，米尔纳会感到旋转，就像在旋转木马上一样。如果我们唤醒了前垂直半规管，米尔纳会感觉自己好像向前倾斜并向该耳朵的一侧倾斜。当电源关闭时，他感觉自己正在恢复到直立坐姿。设备工作正常！
米尔纳没有感到不适。他没有疼痛，也没有听到幻听。他在植入耳朵中经历了听力丧失，但这个结果与替代手术产生的结果相同。在其他访问中，我们要求米尔纳走路、转头并在摇晃的平台上保持平衡。在设备的帮助下，他的平衡性得到了改善，并且在移动时更加稳定。此后，我们已在其他三名梅尼埃病患者身上植入了该设备，结果类似。今年夏天，还将有三名患者接受这种装置。尽管我们对我们看到的进展感到兴奋，但只有时间才能证明这项新技术是否会为前庭功能丧失提供持久的治疗方法。没有人确定每个植入物将保持有效多久，或者大脑是否会完全适应这种新型的前庭信息。使用该设备，信号会从一只耳朵中的所有受刺激纤维同步到达，而自然发生的信号会在不同的时间并从双耳到达。但是，如果该技术在长期内被证明是安全有效的，那么它可能会为所有患有慢性不平衡和迷失方向的人提供缓解——包括那些无法适应其部分前庭功能丧失状况的人。借助这种植入技术，前庭功能丧失可能不再是无法治愈的。
米尔纳使用他的设备已经三年了。尽管我们获得FDA批准的方案不允许他一直使用这种仍处于实验阶段的设备，但当他开始感到不稳定或头晕时，他会打开它。当他这样做时，稳定性就会恢复。他的发作频率现在也降低了，这很可能是因为植入手术降低了他的自然前庭功能。出于这两个原因，他的生活比接受假体之前丰富和轻松得多。今年早些时候，他从最近的滑雪之旅中给我们发了一张数码照片。他站在他最喜欢的滑雪胜地的滑雪道顶端。照片中的一个标志注明了这条滑雪道的名称：“眩晕”。