?2012 年的一個星期天，在教自己 6 歲的兒子玩滑板時，Scott Moorehead摔倒在地。“我的頭骨后部首當其沖，”他說。他在重癥監護病房住了三天，醫生對他進行了多處顱骨骨折、大量內出血和大腦額葉損傷的治療。

幾個星期和幾個月后，Moorehead 的聽力恢復了，他的頭痛消失了，他的煩躁和困惑也消失了，但他再也沒有恢復嗅覺。

這次事故永久地切斷了Moorehead 鼻子到大腦底部嗅球的神經。除了嗅覺之外，他也失去了基本的味覺。“味道主要來自氣味，”他解釋道。“我的舌頭只能感知到甜、咸、辣和苦。你可以蒙著我的眼睛，把10種口味的冰淇淋放在我面前，我不知道有什么區別：它們都嘗起來有點甜，除了巧克力有點苦。”

Moorehead為此極度痛苦：除了食物的味道，他還想念他所愛的人的獨特氣味。有一次，他沒有注意到煤氣泄漏，直到他的妻子回家報警時才意識到危險。

Moorehead的痛苦并不唯一，嗅覺喪失不僅可能由頭部受傷引起，還可能由接觸某些毒素和各種醫療問題引起，包括腫瘤、阿爾茨海默氏癥和病毒性疾病，如 COVID。嗅覺通常也會隨著年齡的增長而萎縮；在2012 年的一項研究中，超過 1,200 名成年人接受了嗅覺檢查，80 歲及以上的參與者中有 39% 患有嗅覺功能障礙。

新冠疫情以來，嗅覺和味覺的喪失一直是 COVID 的主要癥狀。患有 COVID 引起的嗅覺喪失的人目前只有三種選擇：等待并看看感覺是否會自行恢復，要求使用類固醇藥物來減輕炎癥并可能加速恢復，或者開始進行復檢，他們將自己暴露在一些環境中每天聞到熟悉的氣味，以促進鼻腦神經的恢復。如果患者在出現癥狀后幾周內尋求藥物治療并康復，那么通常會有效果。但即便如此，這些干預措施也并不適用于所有人。

2020 年 4 月，VCU 嗅覺和味覺診所的研究人員對被診斷患有 COVID 的成年人發起了一項全國性調查，以確定嗅覺相關癥狀的流行率和持續時間。他們定期對這些人進行隨訪，去年 8 月，他們公布了最初診斷后兩年的人的結果。結果 令人震驚：38% 的人報告嗅覺和味覺完全恢復，54% 的人報告部分恢復，7.5% 的人報告完全沒有恢復。“這是一個嚴重的生活質量問題，” VCU 診所主任 Evan Reiter說。

讓嗅覺再生

雖然不少研究人員正在研究生物方法，例如使用干細胞再生氣味受體和神經，但Richard Costanzo 認為硬件植入是完全喪失嗅覺的人的唯一解決方案。“當這些途徑真的無法使用時，你必須用技術取代它們，”他說。

Costanzo他是生理學和生物物理學的名譽教授，他在 1980 年代創立了 VCU 的 嗅覺和味覺障礙中心，這是該國最早的此類診所之一。經過多年對嗅覺喪失的研究和對生物再生可能性的調查，他在 1990 年代開始研究硬件解決方案。

他研發了一種電子鼻原型：一種用于嗅覺的神經假體，電子鼻傳感器將其信號傳輸到從 人工耳蝸中取出的小電極陣列。對于有聽力損失的人來說，植入物能將有關聲音的信息輸入內耳，然后再輸入大腦。植入物的大小也適合大腦邊緣的嗅球。那么，是否也可以用它來傳達有關氣味的信息？

與大多數嗅覺喪失者不同，當醫生告訴Moorehead無法恢復嗅覺時，他并沒有放棄。作為一家在 43 個州設有商店的手機零售公司的首席執行官 ，他擁有投資于長期研究的資源。當一位同事告訴他在 VCU 的工作時，他取得了聯系并希望提供研究資助。自 2015 年以來，Moorehead 已為這項研究投入了近 100 萬美元。他還從 VCU 獲得了這項技術的許可，并創辦了一家名為 Sensory Restoration Technologies 的初創公司。

當 COVID 來襲時，Moorehead 看到了機會。盡管他們還遠沒有推出要宣傳的產品，但他還是很快為這家初創公司建立了一個 網站。他說：“人們正在失去嗅覺。人們需要知道我們的存在！”

嗅覺是如何工作的

不止嗅覺，其他感官也存在等效的神經假體，比如聽覺。

人工耳蝸是迄今為止最成功的神經技術， 全世界有超過 700,000 臺設備植入耳朵。同時，已經有研究機構為盲人開發了視網膜植入物，但氣味和味道一直被認為是一項艱難的挑戰。

要了解原因，首先要了解人類嗅覺系統的奇妙復雜性。當玫瑰的氣味飄入您的鼻腔時，氣味分子會與受體神經元結合，將電信號發送到嗅覺神經。這些神經通過骨板到達嗅球，這是前腦中的一個小神經結構。從那里，信息進入杏仁核，這是大腦中控制情緒反應的一部分。海馬體，一種與記憶有關的結構；和處理認知處理的額葉皮層。

進入鼻子的氣味分子與嗅覺受體細胞結合，后者通過篩板的骨骼發送信號到達嗅球。從那里，信號被發送到大腦。

這些分支的神經連接是氣味有時會受到如此強烈沖擊的原因，讓人聯想到快樂的記憶或創傷性事件。“嗅覺系統可以進入其他感官無法進入的大腦部分，”Coelho 說，大腦連接的多樣性還表明，刺激嗅覺系統可能還有其他用途，遠遠超出欣賞食物或注意到氣體泄漏的范圍：“它可能會影響情緒、記憶和認知。”

由于以下幾個原因，生物系統難以復制。人的鼻子有大約 400 種不同類型的受體來檢測氣味分子。這些受體一起工作，使人類能夠區分數量驚人的氣味：2014 年的一項研究估計，這個數字達到了 1 萬億。到目前為止，將 400 個傳感器放在一個芯片上并連接到用戶的眼鏡上是不切實際的。更重要的是，研究人員還沒有完全理解刺激某些受體組合導致大腦感知氣味的嗅覺密碼。幸運的是，Costanzo 和 Coelho認識解決這兩個問題的人。

電子鼻和腦刺激研究進展

如今，電子鼻已經在各種工業、辦公室和住宅環境中使用——如果你家里有一個典型的一氧化碳探測器，你就有一個非常簡單的電子鼻。

“傳統的氣體傳感器基于金屬氧化物等半導體，” 英國曼徹斯特大學領先的電子鼻研究員兼化學感受教授Krishna Persaud解釋說。他就是Costanzo 和 Coelho的顧問。他說，在最典型的電子鼻裝置中，“當分子與半導體材料相互作用時，電阻會發生變化，你可以測量出來。” Persaud 說，在過去的二十年里，這種傳感器一直在縮小，現在它們只有微芯片那么大。“這使得它們放在一個小包裝中非常方便，”他說。在 VCU 團隊的早期實驗中，他們使用了來自一家名為Figaro的日本公司的現成傳感器。

Persaud 說，這種市售傳感器的問題在于它們無法區分很多不同的氣味。這就是為什么他一直在研究新材料，例如制造成本低、功率低且可以組合成陣列以提供對數十種氣味的敏感性的導電聚合物。對于神經假體，“原則上，數百個 [傳感器] 是可行的，”Persaud 說。

第一代產品不允許用戶聞到數百種不同的氣味。相反，VCU 團隊最初設想包括一些與安全相關的氣味的受體，例如煙霧和天然氣，以及一些令人愉悅的氣味。他們甚至可以定制假肢，為用戶提供對他們有意義的氣味：例如，為家庭面包師提供面包的氣味，或者為狂熱的徒步旅行者提供松林的氣味。

將這種電子鼻技術與最新的神經技術相結合是 Costanzo 和 Coelho 目前面臨的挑戰。在與 Persaud 合作測試新傳感器的同時，他們還與波士頓的臨床醫生合作研究向大腦發送信號的最佳方法。

VCU 團隊通過動物實驗奠定了基礎。在 2016 年和2018 年對大鼠進行的實驗中，研究小組表明，使用電極直接刺激嗅球表面的斑點會在嗅球深處產生神經活動模式，這些神經活動將信息傳遞到大腦的其他部分。研究人員將這些模式稱為氣味圖。但是，雖然神經活動表明老鼠正在感知某些東西，但老鼠無法告訴研究人員他們聞到了什么。

耳鼻喉科醫生 Eric Holbrook 經常與需要在鼻竇腔內進行手術的患者一起工作。他幫助 VCU 團隊進行了初步的臨床實驗。

他們的下一步是招募可以與人類志愿者進行類似試驗的合作者。他們從Costanzo 的一位前學生Holbrook開始，他是哈佛醫學院耳鼻喉科副教授和馬薩諸塞州眼耳鼻科主任。Holbrook 大部分時間都在對人的鼻竇腔進行手術，包括篩竇腔，它位于篩板下方，篩板是一種將嗅覺受體與嗅球分開的骨結構。

Holbrook 在 2018 年發現，在骨頭上放置電極會向嗅球發送電脈沖。在對清醒患者進行的一項試驗中，五名志愿者中的三名 報告了在這種刺激期間的嗅覺感知，報告的氣味包括“洋蔥味”、“防腐劑味和酸味”和“果味但不好聞”。雖然 Holbrook 認為該試驗是嗅覺植入系統概念的一個很好的證明，但他說通過骨骼的傳導性差是一個重要的限制因素。“如果我們要提供離散的、獨立的刺激區域，”他說，“它不能通過骨骼，而是需要在嗅球本身上。”

在嗅球上放置電極將是一個新領域。“理論上，”科埃略說，“有很多不同的方法可以到達那里。” 外科醫生可以向下穿過大腦、側向穿過眼窩或向上穿過鼻腔，突破篩板到達球莖。Coelho 解釋說，鼻科外科醫生經常進行涉及突破篩板的低風險手術。“新的不是如何到達那里或事后清理，”他說，“而是如何在不引起問題的情況下將異物留在那里。”

神經外科醫生馬克·理查森 (Mark Richardson) 的癲癇患者在住院期間自愿參加神經科學研究，使用植入電極進行腦部監測。

另一種策略完全是跳過嗅球，而是刺激大腦中接收來自嗅球信號的“下游”部分。支持這種方法的是Holbrook 以前的學生， 馬薩諸塞州總醫院功能神經外科主任 Mark Richardson。Richardson經常讓癲癇患者在醫院里呆上幾天，他們的大腦中裝有電極，這樣醫生就可以確定哪些大腦區域與他們的癲癇發作有關，并計劃手術治療。然而，當這些患者在等待時，他們經常被招募進行神經科學研究。

為了促進Costanzo 和 Coelho 的研究，Richardson的團隊要求監測單元中的癲癇患者聞一下用一根帶有薄荷、魚或香蕉等氣味的棍子。Richardson說，他們大腦中的電極顯示了“在我們預期的區域以及我們沒有預料到的區域”產生的神經活動模式。為了更好地了解大腦的反應，他的團隊剛剛開始使用一種稱為嗅覺計的工具進行另一輪實驗，該工具將釋放更精確定時的氣味爆發。

一旦研究人員知道大腦在哪里會因為薄荷的氣味而活躍起來，他們就可以嘗試單獨用電刺激這些區域，以期產生同樣的感覺。“與現有技術相比，我認為我們更接近于通過大腦刺激來誘導[氣味感知]，而不是通過嗅球刺激，”理查森說。他指出，已經有批準用于大腦刺激的植入物，并表示使用這種設備將使監管路徑更容易。然而，大腦內氣味感知的分布式特性帶來了一個新的并發癥：用戶可能需要多個植入物來刺激不同的區域。“我們可能需要快速連續或同時訪問不同的站點，”他說。

商業化之路?

在歐洲，歐盟正在資助自己的嗅覺植入項目，稱為 ROSE（在氣味缺陷中恢復氣味檢測和識別）。它于 2021 年啟動，涉及歐洲的七家機構。

德累斯頓工業大學嗅覺與味覺診所負責人、聯盟成員Thomas Hummel表示，ROSE 研究人員正在與法國公司Aryballe合作，該公司生產用于氣味分析的微型傳感器。合作伙伴目前正在試驗刺激嗅球和前額葉皮層。“設備所需的所有部件都已經存在，”他說。“困難在于將它們結合在一起。” Hummel 估計，該聯盟的研究可能會在 5 到 10 年內產生商業產品。“這是一個努力和資金的問題，”他說。

電子鼻專家 Persaud 表示，對于神經假體是否具有商業可行性尚無定論。“一些患有嗅覺喪失的人會不惜一切代價讓他們恢復這種感覺，”他說。“問題在于是否有足夠多的人為這種設備創造市場，”他說，因為手術和植入物總是存在一定的風險。

VCU 的研究人員已經與美國食品和藥物管理局的監管機構舉行了非正式會議，他們已經開始了批準植入式醫療設備的早期步驟。但傾向于關注實際問題的投資者摩爾黑德表示，這個夢之隊可能不會將這項技術一路帶到 FDA 批準的商業系統的終點線。他指出，現有的許多醫療植入公司都擁有這種專業知識，例如 主導人工耳蝸市場的澳大利亞公司Cochlear 。“如果我能讓 [項目] 達到對其中一家公司有吸引力的階段，如果我能為他們承擔一些風險，那將是我最大的努力，”Moorehead說。

Costanzo 說，恢復人們的嗅覺和味覺能力是最終目標。但在那之前，他還能給他們一些別的東西。他經常接到絕望到失眠的人的電話，他們看的了他的工作。“他們非常感激有人正在研究解決方案，”Costanzo 說。“我的目標是為這些人帶來希望。”

素材來源：

https://spectrum.ieee.org/covid-smell-prosthetic