你的大脑里有一个“反向钢琴”

神经科学家詹姆斯·赫德斯佩斯基本上已经在人耳内部生活了近 50 年。

在那段时间里，洛克菲勒大学感觉神经科学实验室主任赫德斯佩斯极大地促进了科学家们对耳朵和大脑如何协同工作来处理声音的理解。上周，挪威科学学院认可了他数十年的开创性研究，并授予他百万美元的卡夫利神经科学奖。赫德斯佩斯与另外两位听力研究人员分享了该奖项：威斯康星大学麦迪逊分校的罗伯特·费蒂普莱斯和巴黎巴斯德研究所的克里斯汀·珀蒂特。

随着赫德斯佩斯多年来探索听觉的神经机制，他对内耳复杂的解剖结构产生了特殊的欣赏——这种欣赏超越了实验室。“我认为我们科学家倾向于低估科学的审美方面，”他说。“是的，科学是对事物本质的客观调查。但它更像艺术而非其他。这是人们为了它的美而做的事情，并希望理解迄今为止隐藏的东西。这是一个令人难以置信的美丽事物，比如内耳，它执行着一个非常卓越的功能。这怎么可能呢？它是如何做到的？”在周四得知自己获得卡夫利奖后，赫德斯佩斯与大众科学谈论了他的工作以及大脑如何将物理振动转化为交响乐的体验。

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[以下是采访的编辑稿。]

内耳如何处理声音？

在 19 世纪，德国科学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹提出了一个非常重要的生理学见解，至今仍然存在。他认识到耳蜗——耳朵的感受器官——本质上是一架反向钢琴。在钢琴中，每根琴弦代表一个音调，输出被混合成和谐的整体。耳朵基本上是撤销了这项工作。它接收和谐的整体，分离出各个音调，并在螺旋耳蜗的不同位置表示每个音调。排列在耳蜗中的 16,000 个毛细胞中的每一个都是一个接收器，它对特定的频率做出反应。这些毛细胞以系统的方式排列，就像钢琴琴弦一样。

“转导”是一个在您的工作中经常出现的词。它在听觉中起什么作用？

神经系统的通用货币是电。它是动作电位——实际上是 1 和 0 的流，很像计算机中的那些。但是外部感觉世界的货币非常不同。我们有光子——那就是视觉。我们有压力——那就是触觉。我们有分子——那就是嗅觉或味觉。最后，我们有空气中的振动——那是声音的本质。每种不同类型的物理刺激都必须以某种方式转换为大脑能够解释的电信号。这就是转导过程。激励我的事情，并花费了我 40 年职业生涯的前 20 年才真正理解的事情，是如何完成的。机械振动如何冲击毛细胞的上部——所谓的毛束——如何将能量转化为电反应。

那么后 20 年呢？

我职业生涯的后半部分是出乎意料的。从我自己和他人最初 20 年的多项研究中，很明显该系统不仅仅是被动换能器。进入的声音不仅仅引发反应。相反，耳朵有一个所谓的有源过程。耳朵有一个内置放大器，而且这个放大器不同于我们的其他任何感官。这就好像进入眼睛的光在眼睛内部产生更多的光，或者进入鼻子的气味产生更多的气味分子。在我们的耳朵的情况下，进入耳朵的声音实际上被耳朵机械放大了，放大倍数在 100 到 1,000 倍之间。这非常深刻。有源过程还锐化了听觉的调谐，以便我们能够区分仅相差约 0.1% 的频率。相比之下，钢琴上的两个琴键相差 6%。

放大是您当前研究的重点吗？

这是我的团队正在投入大量精力的三件事之一。其他事情之一是试图了解毛束——毛细胞的机械敏感上部——是如何组装的。如何将如此复杂的东西组合在一起是发育生物学中的一个真正问题。另一个是尝试帮助毛细胞再生。该领域最大的挑战之一是哺乳动物的毛细胞在死亡后不会被替换。这就是为什么我们所有人往往会变得越来越难以听到声音，并最终变得严重耳聋。我们正在采取的方法之一是筛选药物，试图找到一种分子，使毛细胞能够再次开始再生。到目前为止，我们已经筛选了 80,000 种药物，我们特别有两种化合物看起来很有希望。我们现在正试图更详细地了解它们是如何运作的，以及它们或相关化合物是否可以用于人类的再生。

您是否认为基因疗法是治疗听力损失的一种潜在可行方法？

我认为毛细胞是基因疗法非常合理的靶标——原因有二：首先，存在许多不同的人类听力损失状况。大约有 100 种仅影响听力或听力和平衡，还有大约 200 种听力损失伴随影响心脏、肾脏或其他器官的状况。因此，特别是对于局限于耳朵的问题，基因疗法可能是有价值的。与我分享这个奖项的人之一，巴黎巴斯德研究所的克里斯汀·珀蒂特，真正开创了通过基因方法来识别参与人类听觉运作的基因和蛋白质。因此，我们现在拥有数十种 хорошо 理解的蛋白质或编码它们的基因，这些蛋白质或基因在某些形式的听力损失中是缺陷的，并且将是基因疗法的有吸引力的靶标。

使耳朵特别有吸引力的另一件事是它的几何形状。目前，基因疗法通常意味着通过病毒插入基因。当您谈论整个身体时，这可能会有问题，因为您可能不希望其中一些基因进入它们通常不运作的地方。但是耳朵是一个所谓的特权隔间；它内部有空间，其中的液体与身体中的任何其他液体隔绝。并且有可能在那里注射一种携带基因的病毒，这种病毒只会被人耳的细胞看到，而不会进入肝脏或其他器官并可能造成伤害。