并不是只有工程師的大腦才有運(yùn)動控制。事實(shí)上，大多數(shù)的人能夠每天四處走動，都離不開世界上最精密運(yùn)動系統(tǒng)的幫助，這種運(yùn)動系統(tǒng)就存在于我們的內(nèi)耳中。

“內(nèi)耳是生物運(yùn)動系統(tǒng)最輝煌的成就，”弗吉尼亞大學(xué)從事聽覺研究的神經(jīng)學(xué)專家Jeffrey R. Holt博士說。內(nèi)耳含有作為機(jī)械換能器的毛細(xì)胞，它們能把來自聲音和頭部運(yùn)動的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電子信號后傳送給大腦。據(jù)Holt介紹，這些毛細(xì)胞的長度通常不超過30mm，寬不超過5mm；作為體內(nèi)平衡系統(tǒng)的一部分，它們能夠感知小至0.1nm的頭部直線運(yùn)動或轉(zhuǎn)動。

“并且它們的速度快得驚人，”他說。人類聽覺覆蓋的頻率范圍大約從20Hz到20kHz，健康的毛細(xì)胞能夠在這樣的頻率范圍內(nèi)對聲誘位移做出反應(yīng)。某些哺乳類動物甚至具有更高速的聽覺系統(tǒng)，覆蓋的頻率范圍最高可達(dá)150kHz。

毛細(xì)胞提供的速度和解析度對任何想保持直立或者想進(jìn)行對話交流的人來說都是一個好消息。但是，對于那些對內(nèi)耳工作方式感興趣的研究者來說，這些微小的毛細(xì)胞卻是一個巨大的工程問題，因?yàn)檫@些研究者們正試圖設(shè)計出能夠研究這種毛細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)換過程的

實(shí)驗(yàn)設(shè)備。Holt說，“由于我們在制造足夠快并能應(yīng)對納米級位移的實(shí)驗(yàn)和測量設(shè)備方面的能力有限，所以我們對毛細(xì)胞功能的很多方面知道的太少。"

但在最近，Holt與Holt-Holt-Géléoc感官神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究同行們在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計上取得了一些突破，這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以讓他們開展毛細(xì)胞聽覺作用的研究。

他們利用德國Physik Instrumente (PI)公司提供的納米定位元件，建造了一個新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)室贏得了PI公司頒發(fā)的25,000美元的納米創(chuàng)新獎（NANO Innovation Grant），并將幫助該實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)更大的研究目標(biāo)——更好地了解耳朵的生理學(xué)特征，這是發(fā)展治愈遺傳性耳聾和平衡障礙治療方法的第一步。“這才是我們真正的終極目標(biāo)，”Holt說。

該實(shí)驗(yàn)室最新型實(shí)驗(yàn)和檢測設(shè)備的設(shè)計，對高新技術(shù)行業(yè)的工程師們來說也是意義非凡，因?yàn)樗麄円惨絹碓蕉嗟貞?yīng)對納米級和微米級的運(yùn)動問題。PI公司北美市場部主任Stefan Vorndran說，“納米定位系統(tǒng)無疑會逐漸成為主流。最大的驅(qū)動力來自半導(dǎo)體工業(yè)，其度量衡方面的需求會越來越受到基于滾珠絲杠和電動機(jī)傳統(tǒng)微米定位系統(tǒng)的限制。”

微小的實(shí)驗(yàn)設(shè)備

通過實(shí)驗(yàn)，Holt與他的研究者們對內(nèi)耳的機(jī)械換能過程進(jìn)行了描繪，首先他們用機(jī)械方法刺激老鼠的活毛細(xì)胞，然后測量所得到的電子信號。為此，他們設(shè)計出了一種可以模仿和聽覺相關(guān)的變位與頻率的納米刺激器（參見圖表）。該系統(tǒng)現(xiàn)在可以處理高至10kHz左右的頻率并且能夠觸發(fā)0.1納米到幾微米范圍內(nèi)的變位，在這個數(shù)量級上，這確實(shí)是一個很巨大的范圍了。

這種納米刺激器是由研究者Andrea Lelli和Eric Stauffer研制的，他們采用了PI PL033型壓電驅(qū)動器。他們之所以選用這種驅(qū)動器，是因?yàn)槠涓吖舱耦l率、微小步長、低電容和微小的尺寸。為了以與人類聽覺相關(guān)的頻率來驅(qū)動這種驅(qū)動器，他們選用了一種快速的壓電驅(qū)動機(jī)，PI公司的E-505。

據(jù)Lelli說，這種納米刺激器通過使驅(qū)動器本身的負(fù)載保持最小來限制共振。“由壓電驅(qū)動器移動的唯一物體是一個很小的微量玻璃吸管，為了適合放入毛細(xì)胞束，該吸管的頂部被彎曲并呈圓形，”他說。這個微量吸管的質(zhì)量只有60到80毫克，它被粘貼在驅(qū)動器的前端面并由一個Teflon（特氟綸）導(dǎo)絲板支撐，這樣做是為了把橫向移動和振動減小到最低水平。驅(qū)動器運(yùn)動軸中的后端面附著在一個安裝于PI “納米立方體”（Nanocube）的硬鋼條上，PI “納米立方體”是一種具有納米步長的定位裝置。這個納米定位裝置把納米刺激器的頂端與毛細(xì)胞束并列在一起。

在弗吉尼亞大學(xué)Holt-Géléoc 感官神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，研究者們使用壓電驅(qū)動器和納米定位裝置來幫助揭示人類的聽覺奧秘。

最后，該系統(tǒng)還包含用于檢測變位毛細(xì)跑生成的毫伏電子信號的元件。連接到另一個納米立方體定位平臺上的第二個微量吸管和一個模擬記錄儀（基于一種簡單的RC電路）用于收集電子數(shù)據(jù)。這些實(shí)驗(yàn)都在Zeiss Axioskop FS Plus型號的一架立式顯微鏡下進(jìn)行，這架顯微鏡配備有微分干涉相襯光學(xué)器件和63X水浸物鏡。

該系統(tǒng)在方案研究階段與這家實(shí)驗(yàn)室的研究者們過去幾年自己設(shè)計和研制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備很相像。“我們過去已經(jīng)使用過壓電驅(qū)動器和納米定位裝置，”Holt說。但是，使用PI公司設(shè)備的系統(tǒng)“性能大大好于我們以前建立的任何系統(tǒng)，”他說。并且，這些性能的提高幫助實(shí)驗(yàn)室拓展了對內(nèi)耳的研究探查范圍。

Holt說，他們實(shí)驗(yàn)室以前的系統(tǒng)只能讓毛細(xì)胞以最高幾百赫茲的頻率變位。“PI公司的元件能讓我們組裝出速度有幾何級數(shù)量增長的設(shè)備，”他說。這種速度讓Holt和他的研究者們能夠做以前不能做的事情。“在這以前，我們的研究重點(diǎn)只能停留在毛細(xì)胞的前庭、毛細(xì)胞的平衡、毛細(xì)胞的功能等方面，”Holt說。

在其新型納米刺激器提供的高頻率性能的協(xié)助下，Holt和他的研究者們已經(jīng)開始進(jìn)行可以揭示關(guān)于聽覺生理學(xué)更多奧秘的實(shí)驗(yàn)了。“我們以前不能夠探查毛細(xì)胞的聽覺功能，因?yàn)槲覀冊O(shè)備的速度太慢，”Holt說。“現(xiàn)在，我們可以開始確認(rèn)關(guān)于毛細(xì)胞工作的一些理論和推測了。” (end)