耳蝸力學(xué)進(jìn)展
——紀(jì)念Békésy獲諾貝爾獎(jiǎng)60周年*

張?zhí)煊?任柳杰 李辰龍 王舒琪 姚文娟 丁光宏

從1961年Békésy揭示耳蝸內(nèi)行波現(xiàn)象，開創(chuàng)實(shí)驗(yàn)聽力學(xué)而獲得諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)以來，耳蝸力學(xué)研究已取得了一系列重要成果和進(jìn)展，尤其是外毛細(xì)胞主動(dòng)響應(yīng)機(jī)制和耳聲發(fā)射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，并在臨床中得以廣泛應(yīng)用，使得耳蝸微觀力學(xué)領(lǐng)域成為持續(xù)研究的熱點(diǎn)。隨著“內(nèi)耳振動(dòng)測(cè)量技術(shù)”的不斷創(chuàng)新迭代，Corti器微米級(jí)分辨率振動(dòng)測(cè)量技術(shù)持續(xù)進(jìn)步與成熟。本文綜述自Békésy以來耳蝸力學(xué)的研究成果與進(jìn)展，關(guān)注學(xué)科交叉、學(xué)術(shù)爭鳴和技術(shù)進(jìn)步。

1 概述

耳蝸是哺乳動(dòng)物最為復(fù)雜、精密的器官之一，賦予了聽覺系統(tǒng)極高的靈敏度和寬廣的動(dòng)態(tài)范圍。人類的聽覺頻率區(qū)間為20到20 000 Hz，強(qiáng)度區(qū)間為0到120 dB SPL，而這很大程度上歸因于耳蝸特殊的機(jī)械力學(xué)性能[1]。如果用工程器件和設(shè)備來比喻，耳蝸既是將聲音刺激轉(zhuǎn)換為神經(jīng)電信號(hào)的“傳感器”，又是進(jìn)行實(shí)時(shí)頻率分離的“濾波器”，還是增幅弱聲信號(hào)的“放大器”。因此，當(dāng)研究者們驚嘆耳蝸精細(xì)螺旋結(jié)構(gòu)的自然之美時(shí)，更著迷于這一神奇器官的強(qiáng)大功能。

Békésy對(duì)包括耳蝸基底膜振動(dòng)等聽覺系統(tǒng)的物理測(cè)量是現(xiàn)代耳力學(xué)研究的濫觴，而此前關(guān)于聽覺系統(tǒng)的研究主要是關(guān)于耳蝸等結(jié)構(gòu)的解剖觀察和推測(cè)。Békésy系統(tǒng)的揭示了耳蝸聲音頻率分析機(jī)制，獲得1961年的諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。如其著作《Experiments in hearing》所述，對(duì)耳蝸感音機(jī)制研究的突破歸功于新儀器研發(fā)、新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、定量建模等手段的綜合運(yùn)用。在此后的幾十年中，耳蝸力學(xué)研究秉承和發(fā)揚(yáng)了交叉學(xué)科的特點(diǎn)，涵蓋了數(shù)學(xué)、力學(xué)、光電、工程、生理和心理等多個(gè)相關(guān)學(xué)科。尤其是測(cè)量技術(shù)的更迭，推動(dòng)了耳蝸感音機(jī)制在Békésy行波理論基礎(chǔ)上的不斷發(fā)展[2]。耳蝸的主動(dòng)響應(yīng)、基底膜低頻區(qū)感音機(jī)制、Corti器微觀動(dòng)力學(xué)等成為了耳蝸力學(xué)研究的前沿課題。

2 行波理論和被動(dòng)耳蝸

Békésy里程碑式地發(fā)現(xiàn)了耳蝸基底膜的行波現(xiàn)象。行波是外周聽覺系統(tǒng)頻率分析的基礎(chǔ)，是人耳處理聲音、交流和欣賞音樂的前提。Békésy在貓、狗、大象、人等尸體上進(jìn)行了基于頻閃光的耳蝸基底膜振動(dòng)的顯微測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在純音激勵(lì)下，基底膜上產(chǎn)生從蝸底向蝸尖行進(jìn)的位移波；其波幅逐漸增大，至某一特征頻率(characteristic frequency,CF)位置達(dá)到最大，隨即迅速衰減消失；最大振幅位置具有頻率相關(guān)性，高頻激勵(lì)下靠近蝸底，低頻下靠近蝸尖[3]?；啄さ恼駝?dòng)可被其上的Corti器所感知并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。據(jù)此，Békésy揭示了頻率辨別的部位機(jī)制，即耳蝸可將復(fù)雜聲音的不同頻率成分分離到基底膜的不同位置激活局部的毛細(xì)胞及聽神經(jīng)。

行波是耳蝸內(nèi)淋巴液和基底膜耦合作用的產(chǎn)物，行波的頻率特異性與基底膜的剛度特性有直接關(guān)系(Naidu等，2001)。學(xué)者們對(duì)基底膜的材料性質(zhì)，尤其是其沿著長度方向的變化進(jìn)行了大量的測(cè)量。對(duì)于行波產(chǎn)生機(jī)制的研究除對(duì)基底膜振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量外，還包括對(duì)行波現(xiàn)象的數(shù)值仿真和力學(xué)分析，即所謂“耳蝸宏觀動(dòng)力學(xué)模型”[4]。一大類耳蝸模型關(guān)注基底膜特殊的力學(xué)性質(zhì)及其與淋巴液耦合形成頻率特異性行波的力學(xué)機(jī)制，并不涉及Corti器乃至外毛細(xì)胞的響應(yīng)，這一類模型稱為“被動(dòng)耳蝸”模型。經(jīng)典的是耳蝸的“盒狀模型(box model)”簡化，該模型將耳蝸螺旋結(jié)構(gòu)拉長，簡化其截面為規(guī)則的矩形、忽略前庭膜、合并前庭階和蝸管，將基底膜簡化為一彈性薄膜并省去其上的Corti器等微觀結(jié)構(gòu)。隨后使用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論進(jìn)行力學(xué)建模，應(yīng)用數(shù)值方法，如WKB方法、有限差分法、有限元法[5]、浸沒邊界法(Givelberg等，2003)等，進(jìn)行時(shí)域或頻域求解。研究者也建立了耳蝸物理模型對(duì)行波機(jī)制進(jìn)行研究(Wittbrodt等，2006)。盡管這些模型極度簡化，仍可準(zhǔn)確模擬被動(dòng)耳蝸的行波響應(yīng)。在主動(dòng)耳蝸成為研究重點(diǎn)的今天，這些模型仍具有一定的價(jià)值和生命力，在骨導(dǎo)機(jī)制[6～8]、卡哈切跡、半規(guī)管瘺[9]、內(nèi)淋巴積水[10,11]等內(nèi)耳的生理和病理現(xiàn)象研究中發(fā)揮作用。

3 耳蝸非線性和主動(dòng)耳蝸

由于Békésy的測(cè)量在尸體標(biāo)本上進(jìn)行，且為了能夠保證測(cè)試信噪比，其使用的聲壓值(約為130～140 dB SPL)遠(yuǎn)高于正常值，因而他測(cè)量得到基底膜的頻率調(diào)諧性能較差，無法和聽神經(jīng)尖銳的調(diào)諧曲線以及人耳敏銳的頻率分辨功能相匹配。盡管Gold(1948)已經(jīng)敏銳地意識(shí)到耳蝸不僅僅是一個(gè)被動(dòng)的感音器官，遺憾的是當(dāng)時(shí)并未受到重視。Békésy等將這一不匹配歸因于神經(jīng)等的后續(xù)調(diào)諧銳化，即所謂“第二濾波器”。

莫斯鮑爾技術(shù)的發(fā)展大大提升了基底膜振動(dòng)的測(cè)量精度，Rhode(1971)分別測(cè)量了在70、80、90 dB SPL純聲激勵(lì)下豚鼠基底膜的振幅，發(fā)現(xiàn)了耳蝸響應(yīng)的“壓縮非線性”現(xiàn)象——在高強(qiáng)度聲刺激下基底膜敏感性較低，而在低強(qiáng)度聲刺激下敏感性提高——這一現(xiàn)象在動(dòng)物死亡后迅速消失。Kemp(1978)發(fā)現(xiàn)了自發(fā)性耳聲發(fā)射現(xiàn)象，更是證實(shí)了耳蝸的主動(dòng)發(fā)聲的能力。Brownwell發(fā)現(xiàn)外毛細(xì)胞的電致伸縮運(yùn)動(dòng)，揭示了耳蝸主動(dòng)響應(yīng)的來源。隨后，研究者在外毛細(xì)胞膜上發(fā)現(xiàn)了Prestin蛋白，它可根據(jù)細(xì)胞電位快速變換構(gòu)型，改變外毛細(xì)胞的長度，是其電致運(yùn)動(dòng)的“分子馬達(dá)”。上述研究成果充分表明“第二濾波器”是不必要的。對(duì)于耳蝸的感音機(jī)制形成了以下共識(shí)：外界聲刺激通過卵圓窗進(jìn)入耳蝸，引起淋巴液壓力變化而驅(qū)動(dòng)基底膜形成頻率相關(guān)的行波；Corti器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)通過所謂“門控彈簧”機(jī)制(Lemasurier等，2005)交替打開和關(guān)閉內(nèi)毛細(xì)胞纖毛頂端的離子通道，導(dǎo)致細(xì)胞交替除極化和超極化，最終引起聽神經(jīng)放電；外毛細(xì)胞頂端纖毛的擺動(dòng)同樣引起細(xì)胞電位變化，導(dǎo)致外毛細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，對(duì)基底膜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行增幅。

20世紀(jì)90年代，激光多普勒測(cè)振(laser doppler vibrometry,LDV)開始廣泛應(yīng)用于耳蝸力學(xué)測(cè)量，人們已經(jīng)可以測(cè)量低至10～20 dB SPL聲刺激下基底膜的響應(yīng)，在活體耳蝸的測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步證明基底膜的調(diào)諧響應(yīng)可以和聽神經(jīng)媲美(Ren等，2002)。這不僅進(jìn)一步確認(rèn)基底膜振動(dòng)的非線性特征并提供了更為準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)，還為進(jìn)一步研究基底膜及Corti器徑向不同位置的振動(dòng)提供了可能(Ren等，2002)。此外，Olson等研發(fā)了微壓力傳感器對(duì)基底膜附近的淋巴液壓力進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)量，并在壓力中測(cè)量到了耳聲發(fā)射畸變產(chǎn)物(Olson等，2004)。同時(shí)，在被動(dòng)耳蝸模型的基礎(chǔ)上修正得到了一系列主動(dòng)模型，用以研究耳蝸響應(yīng)的壓縮非線性特征[4，12]。

4 高、低頻區(qū)基底膜振動(dòng)差異

使用LDV測(cè)得的活體耳蝸響應(yīng)包括小鼠、豚鼠、沙鼠、龍貓等動(dòng)物，且測(cè)試部位多在基底膜高頻區(qū)。高頻區(qū)基底膜響應(yīng)呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：(1)其振動(dòng)幅值在CF處呈顯著的峰值；(2)響應(yīng)具有顯著的壓縮非線性，在低聲強(qiáng)時(shí)敏感度較高，但該非線性僅在CF頻率附近比較顯著，在遠(yuǎn)離CF位置處仍呈現(xiàn)線性。使用LDV對(duì)蝸頂響應(yīng)的測(cè)量則困難得多，需要打開耳蝸頂部并在前庭膜上開孔，測(cè)量的位置包括蓋膜、Corti器等(Ren等，2001)?？傮w而言，耳蝸低頻區(qū)的頻率響應(yīng)特性不如高頻區(qū)敏銳，與高、低頻區(qū)聽神經(jīng)頻率敏感性的變化類似(Robles等，2001)。但使用該方法測(cè)量由于對(duì)耳蝸造成了破壞，影響了測(cè)試的準(zhǔn)確性。

近幾年來體積相干光斷層掃描測(cè)振技術(shù)(volumetric optical coherence tomography vibrometry,VOCTV，也稱為相敏OCT或者多普勒OCT)因其可穿透測(cè)量內(nèi)部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，在耳蝸低頻區(qū)基底膜響應(yīng)測(cè)試中取得了突破[13]。Dong等測(cè)量了沙鼠基底膜的振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)低頻區(qū)頻率選擇性確實(shí)不如高頻區(qū)敏銳，且可能呈現(xiàn)與聽神經(jīng)響應(yīng)不一致的低通特性[14]，在豚鼠中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[15]。總結(jié)目前的研究成果，基底膜低頻區(qū)的響應(yīng)與高頻區(qū)相比有以下不同：(1)總體振幅偏低；(2)頻率敏感性差；(3)壓縮非線性程度更低，且其非線性在距離CF頻率附近較寬范圍處都基本一致。耳蝸高、低頻區(qū)響應(yīng)特征差異的機(jī)制及其生理意義，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題之一。

5 Corti器動(dòng)力學(xué)

Corti器在聲刺激下的響應(yīng)是耳蝸微觀動(dòng)力學(xué)的核心問題，其主要包括兩部分：第一，蓋膜和毛細(xì)胞相對(duì)運(yùn)動(dòng)如何引起纖毛運(yùn)動(dòng)；第二，外毛細(xì)胞的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)如何增幅耳蝸響應(yīng)。早期對(duì)于如此精細(xì)、微小的運(yùn)動(dòng)測(cè)量雖有大量嘗試性工作(Robles等，2001)，但準(zhǔn)確性都難以保證。因而計(jì)算機(jī)模型研究成為耳蝸微觀動(dòng)力學(xué)研究的主要手段，在Corti器尺度、毛細(xì)胞乃至纖毛尺度都建立了模型[4]。

在體、無創(chuàng)測(cè)量Corti器動(dòng)力學(xué)行為的迫切需求促使了VOCTV技術(shù)的誕生。經(jīng)過若干離體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和在中耳結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試上的應(yīng)用，VOCTV技術(shù)逐漸成為耳蝸力學(xué)領(lǐng)域的重要測(cè)試手段，并有望帶來突破性的進(jìn)展[16,17]。Cooper等測(cè)量了沙鼠耳蝸耳蝸基底部Corti器的振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在Deiter細(xì)胞和外毛細(xì)胞界面附近振動(dòng)幅值最大，進(jìn)一步證實(shí)了OHC是Corti器運(yùn)動(dòng)增幅“馬達(dá)”[18]。Lee等在小鼠耳蝸頂回中測(cè)試到了蓋膜和基底膜行波的不同，并發(fā)現(xiàn)蓋膜的頻率調(diào)諧性能略優(yōu)于基底膜[19]。Ren在沙鼠網(wǎng)狀板和基底膜上測(cè)量到了兩音畸變產(chǎn)物[20]。Strimbu等[21]及Lee等[22]研究表明，Corti器各部分的振動(dòng)響應(yīng)在幅值、相位乃至頻響特性上都有較大差異，這些差異在耳蝸感音的作用仍不清楚。Xia等通過轉(zhuǎn)基因手段造模第三列外毛細(xì)胞缺失的小鼠，發(fā)現(xiàn)其Corti器振動(dòng)與正常小鼠有巨大差異[23]。上述研究表明，VOCTV技術(shù)在研究耳蝸生理、病理機(jī)制中具有重大潛力。

6 總結(jié)

從Békésy提出行波理論以來，對(duì)于耳蝸感音機(jī)制的認(rèn)識(shí)已經(jīng)有了巨大的進(jìn)展。本文綜述了耳蝸力學(xué)的重要研究成果，其核心包括耳蝸主動(dòng)響應(yīng)及Corti器微觀動(dòng)力學(xué)。中耳力學(xué)[24,25]、電生理、心理聲學(xué)[26]、聽覺神經(jīng)科學(xué)[27]等方面都有了重要的進(jìn)展，與耳蝸力學(xué)的研究相輔相成；對(duì)于耳蝸感音機(jī)制的成果更是促成了人工耳蝸及相應(yīng)算法的研發(fā)和應(yīng)用(Clark等，2004)。

耳蝸力學(xué)領(lǐng)域仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。哪怕對(duì)于耳蝸感音的基本問題，仍有待更全面、深入的理解。比如對(duì)聲音頻率識(shí)別的機(jī)制，直至今日仍有眾多不明之處。Békésy的行波理論表明頻率感知依賴耳蝸行波的“濾波”作用，即所謂部位機(jī)制；隨著對(duì)耳蝸主動(dòng)響應(yīng)的認(rèn)識(shí)和測(cè)試技術(shù)的改進(jìn)，已經(jīng)證明高頻區(qū)基底膜振動(dòng)的調(diào)諧性能足以解釋聽覺的高度頻率敏感性。然而與此同時(shí)，聽神經(jīng)的“鎖相”現(xiàn)象和“排放論”的提出又指出“時(shí)間機(jī)制”在頻率識(shí)別中的重要性[28]。目前發(fā)現(xiàn)，耳蝸低頻區(qū)基底膜振動(dòng)的調(diào)諧性能較差，這是否意味著低頻聲頻率識(shí)別需要更依賴時(shí)間機(jī)制，或者在低頻區(qū)Corti器中仍存在著“第二濾波器”？這些基本問題的解決，既需要實(shí)驗(yàn)聽力學(xué)測(cè)試技術(shù)的不斷革新，更有賴于耳蝸力學(xué)與其它學(xué)科的交流合作。