近日，南开大学电子信息与光学工程学院徐文涛教授团队发表了一项重要成果，团队成功研制出全新人工神经形态听觉修复接口，这套仿生听觉闭环系统可完整复刻人类20Hz至20kHz全频段听觉感知，无需依赖受损内耳神经，成功在失聪兔子动物实验中重建听觉通路，实现语音指令驱动肢体完成打字、踢球等复杂动作。
全球约3%人口受感音神经性听力损伤困扰，根据《中国听力健康报告（2025）》，我国患听力损失的60岁以上老年人至少2000万人。传统人工耳蜗存在适配局限、频响范围窄、依赖残存听觉神经等痛点，国内过去三十年也仅30万名患者完成耳蜗植入，多数重度听损人群缺少有效修复方案。
人工耳蜗 ©hearway.cn
天然的听觉系统能够将外界声波引起的机械振动转化为神经电信号，从听觉神经传至大脑皮层，从而被大脑区分出声音中的响度、频率、方位、语义等信息。完好的听觉能够非常精细地区分不同的参数的声音，而传统人工耳蜗存在频率编码固定、分辨率不足等诸多问题。研究团队向“自然”的听觉系统学习，首次构建起完整的仿生神经形态听觉修复界面，整套系统是集声音信号采集、神经形态编码、自然语义处理、生物电信号输出于一体的完整人造听觉神经环路。
仿生听觉接口的概念构建与系统说明。a. 人类听觉系统；b. 人工听觉神经；c. 生物控制论神经环路。©Nat. Mater.
该人工听觉系统的声音采集模块自驱动多孔听觉传感器依靠特殊高分子薄膜实现声电自转换，高低频声信号响应稳定，即便在多种声音混杂的环境里，也能清晰分辨不同频率声波。该器件整体尺寸仅4.4毫米，可轻松植入外耳道。
神经形态的信号处理模块以改性氧化钨纳米线的人工突触为核心，可将普通电信号变成类神经脉冲信号，模拟生物突触信号编码，以此处理连续变化的声音信息。该器件可承受160万次脉冲刺激，前148万次循环性能稳定，突触电流调控窗口宽，在同类人工突触器件中性能领先，同时具备耐温、抗潮湿、适配生物体内环境的特质。
研究人员为了实现声源方位的神经映射，构建了的氧化钨纳米线8×8突触晶体管阵列实现了三维声源定位，阵列采用四单元共享源极的轻量化结构、内部信号干扰极低，空间声源识别可靠性高。另外，团队仿照生物听觉系统的侧抑制机制（人脑听觉降噪机制）设计星形拓扑电路，让设备在嘈杂环境中自动聚焦目标声音，过滤无关杂音。
在动物实验中，系统还实现两级突触闭环转换为生物神经信号，将突触电流转换为可刺激活体神经的动作电位脉冲。
神经形态的自然语言语义处理模块则依托突触历史依赖特性，使设备能够区分同音异形语义。研究选用发音完全一致但含义不同的中文词汇开展测试，相同语音输入下两种语义产生的突触电流峰值差距近五成，在5%至20%环境噪声干扰下，语音分类识别准确率依旧高于91%，不同语调、语速人声均可稳定解析，具备自然语言语义分辨能力。
传统人工耳蜗仅能简单传递声音电信号，不具备语义理解能力，而这款类脑听觉器件依靠突触的时序记忆特性，能够捕捉语音上下文信息，分辨发音相同但含义完全不同的词汇，弥补了现有听觉修复设备的核心短板。
为验证器件生物兼容性与实际修复效果，团队构建了一套体外仿生听觉处理平台+体内无线植入刺激单元+外周神经耦合电极+听损动物模型+多维度信号采集与行为验证子系统融合的生物混合神经反射环路，整套系统绕开受损耳蜗与原生听觉神经，打通 “人声输入-类脑听觉计算-无线神经刺激-动物肢体运动-大脑皮层感知” 全链路，实现人工听觉与活体哺乳动物神经系统双向耦合。
生物混合耦合与运动调控验证：人工听觉感知-运动神经系统。©Nat. Mater.
在动物试验中，失聪兔子依靠这套仿生听觉接口“听懂”人类语音，完成多项复杂交互任务。借助语音转化的神经刺激信号，兔子依靠腿部动作敲击键盘，通过摩尔斯码打出 “HELLO” 字样，还能精准完成踢球、控球等连贯动作。
兔子的大脑皮层电信号记录显示，人工突触输出的神经脉冲可同步激活动物体感皮层，证明从声波采集、类脑编码到外周神经刺激、大脑皮层响应的完整信号通路完全打通，真正实现人工听觉向生物神经系统的有效信号传导。
相较于传统人工耳蜗，该神经形态听觉接口从底层逻辑复刻生物听觉系统，采用事件驱动运算而非固定时序编码，绕开受损耳蜗与听觉神经直接搭建人工-生物混合神经通路，将来可适配各类重度、先天性听觉损伤人群。整套系统集成自供电传感、类脑并行处理、生物神经接口三大创新，不仅实现全频段高保真声音识别、嘈杂环境语义分辨、三维声源定位，还打通人工感知与活体运动控制的交互通道。
“下一步，团队将继续围绕神经修复与仿生智能开展研究，加快推动核心技术向临床应用和产业化转化，力争在神经假体、智能医疗、脑机接口、具身智能等领域取得更多原创成果，为高水平科技自立自强、服务人民生命健康贡献南开力量。”徐文涛说。
相关成果“An artificial neuromorphic interface for auditory restoration”发表于《自然·材料》期刊，徐文涛教授为论文独立通讯作者，南开大学博士研究生刘甲奇为第一作者，于千博、赵丰为共同第一作者。
Liu, J., Yu, Q., Zhao, F. et al. An artificial neuromorphic interface for auditory restoration. Nat. Mater. (2026)、南开大学7月13日报道等。
