豚鼠耳蜗基底膜响应特性的实验测试与分析

塔 娜, 张 景, 许立富, 周 雷, 黄新生, 饶柱石

(1. 上海交通大学 振动、冲击、噪声研究所机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240；2. 复旦大学 附属中山医院耳鼻咽喉科，上海 200032)

耳蜗是听觉系统中的重要器官，其工作机制的探究对了解人耳听觉系统至关重要。耳蜗位于内耳，由充满淋巴液的螺旋型空腔组成，而基底膜是其最重要的感音元件[1]。耳廓收集到的外界声波经外耳道、鼓膜和听骨链将振动传到内耳，耳蜗内的淋巴液会在基底膜两侧形成压差从而诱发基底膜振动，基底膜刺激听毛细胞产生神经冲动，再传到大脑听觉神经中枢实现听觉。由于基底膜触动听毛细胞产生神经冲动，所以测试耳蜗基底膜的振动特性对探究耳蜗的听觉机制和传声特性具有重要意义。

人耳系统听觉机制机理复杂，自19世纪以来，国内外学者进行了大量实验研究耳蜗基底膜的振动特性。1960年， Von Békésy最早通过实验发现基底膜的振动是以行波形式传播的。耳蜗内的淋巴液首先诱发基底膜底部振动，这种振动再以行波的形式传到基底膜顶部。后来，Rhode等[2]利用穆斯堡尔方法测试了活体松鼠猴耳蜗基底膜的振动响应，并发现基底膜响应具有非线性压缩特性。Nam等[3-4]在实验和仿真的基础上，也证明了耳蜗具有主动放大基底膜的振动位移的作用。随着测试技术发展，近年来，激光多普勒测振技术广泛应用于动物实验测试，Nuttall等[5-7]纷纷借助激光多普勒测振仪对猫、鼠等动物耳蜗基底膜振动进行了测试。由于豚鼠耳与人耳结构类似，并且其耳蜗直接暴露在听泡内，方便实验测量，所以豚鼠耳蜗常被用作探究耳蜗听觉机制的实验对象。目前，有国外学者通过实验测试了豚鼠耳蜗基底膜的稳态响应、主动放大作用以及各种理化因素对其工作机制的影响[8-13]。郭梦等[14-15]也测试过短纯音激励下基底膜的振动速度，并分析了直流电对耳蜗基底膜的振动影响。近年来也有学者选择豚鼠用于评价人工中耳的听力补偿效果[16]。但是与国外比较，目前国内还是主要利用数值模型对耳蜗特性进行仿真研究[17-22]，有关纯音激励下基底膜的振动速度和振动位移测试实验未见相关报道，所以有必要对耳蜗基底膜的响应特性进行实验测量，这既有助于了解耳蜗基底膜听觉响应，又可以为耳蜗的理论建模提供实验依据和指导。

鉴于此，本文利用激光多普勒测振仪，测试了在纯音激励下豚鼠耳蜗基底膜振动的速度响应和位移响应，并分析了基底膜振动幅值和相位随声压大小和频率变化的振动特性。

1 材料与方法

1.1 动物准备

实验共准备了28只纯色豚鼠(体重300～500 g)，其中14只豚鼠用于离体耳蜗基底膜动态特性测试。实验前首先检查豚鼠耳的健康状态，确保豚鼠均没发生中耳病变。并且，由于在实验过程中需要对豚鼠耳蜗壁开孔，所以测试前还必须再次检查耳蜗结构的完整性，保证豚鼠耳蜗结构没有被破坏，标本可以用于基底膜响应的实验测试。

实验时，首先采用戊巴比妥钠(30 mg/kg)腹腔注射和地西泮(5 mg/kg)肌肉注射的方式对豚鼠进行麻醉。待麻醉起作用之后，予以断头，再去除听泡上的肌肉组织，就可以看到白色的听泡。解剖完听泡，再在显微镜下选用直径为0.6 mm的耳科电钻对耳蜗壁进行开孔。开孔时，先慢慢地用电钻将耳蜗壁磨薄，本次实验耳蜗开孔位置靠近基底膜底端。当开孔位置处骨壁变透，颜色变深，说明骨壁已经很薄了。再选用宽1 mm的针状刀片的尖端轻轻将耳蜗壁挑破，剔除骨片，完成耳蜗壁开孔。在开孔过程中，一定要谨慎操作，防止破坏耳蜗结构的完整性，与此同时，开孔过程中还需补充适量生理盐水，并用湿纱布包裹标本，防止听泡脱水变质。

1.2 标本与仪器安装

实验装置及测试过程如图1所示。其中，图1(a)为振动测试原理图，图2(b)为包括豚鼠耳蜗标本在内的实验实拍图。为了方便实验测量，本次实验选用微位移平台和颞骨夹对标本进行调节和固定。实验时，首先固定微位移平台，再将固定了豚鼠耳蜗标本的颞骨夹放置在微位移平台上。在显微镜下，调整激光探头、颞骨夹以及微位移平台，可以准确地将激光探头发射的激光对准测试的目标靶点。

实验时，首先在外耳道距离耳膜2～3 mm位置处放入送声器(ER2, Etymotic)和测声器(ER7C, Etymotic), 并用海绵将其封闭。选用美国Tektronix公司生产的AFG 3022B信号发生器驱动送声器，产生纯音信号激励耳膜；同时利用测声器检测鼓膜处的声压，可以反馈调节输入声压的大小，保证测试时的输入声压是指定大小。其中，实验前对送声器和测声器均进行了校核。实验选用多普勒激光测振仪对基底膜的振动进行测量，需在基底膜测试位置处添加反光微粒以增强反射光强度。为了减小反光微粒对基底膜振动特性的影响，实验选择直径为10～30 um的反光微粒，并在显微镜下借助直径为0.12 mm的钢针蘸取少许反光微粒放到目标靶点。由于耳蜗壁开孔后常会渗出少量淋巴液，淋巴液的弧形液面增加了放置反光微粒的难度，所以需要在高分辨率的显微镜下多次尝试才能成功。图2(b)右下角虚线框内为耳蜗开孔后的局部放大图，其中(1)为基底膜放置反光微粒后的图像，(2)为激光探头发出的激光对准基底膜测试位置后的图像。测试时，激光探头与多普勒测振仪连接，通过数据采集系统，将采集到的信号传递给动态信号分析仪进行数据分析。

图1 振动测试实验示意图Fig.1 Schematic diagram of the vibration testing experiment.

1.3 基底膜振动测试

实验时，选择德国Ploytec公司生产的激光多普勒激光测振仪测试纯音激励下豚鼠耳蜗基底膜的响应特性。其中激光测振仪包括激光探头(OFV 505)和控制器(OFV 5000)。激光探头接收到的反射光经动态信号分析仪后，可以输出基底膜测试位置的振动速度和振动位移。测试时，在软件LMS Test.Lab中设置分析频率为25.6 kHz，采样时间为0.32 s。测试结果经多次平均后存储，用于后续数据分析处理。

2 结果

2.1 基底膜振动速度响应

信号发生器输出1V电压到送声器，实验测试了纯音激励下基底膜的速度响应。图2给出了1 kHz纯音激励下基底膜振动速度的时域曲线及频谱图。其中图2(b)基底膜振动速度频谱图包括上下两部分，上面是幅值谱，下面是相位谱。从基底膜振动速度的时域波形和频谱图可以看出，测试的结果含有少量噪声，这是由于耳蜗壁开孔渗出了淋巴液，淋巴液的孤形液面产生了光的散射现象。

图2 1 V电压驱动送声器基底膜振动速度响应Fig.2 Velocity response of the BM when ER-2 derived under 1 V.

改变输入声压的频率，分别测试了1 kHz, 4 kHz和10 kHz声激励下基底膜的速度响应，对应的速度幅值分别为1.47E-004 m/s，3.20E-004 m/s和1.12E-004 m/s。可以看出，在大小相同、频率不同的声压激励下，基底膜同一位置处的振动速度大小不同，说明基底膜振动具有频率选择特性。

2.2 基底膜振动位移响应

根据Ren[23]的方法将ER-2型送声器的频率范围扩大到10～20 kHz，测试了在外耳道施加70 dB、80 dB、90 dB三种大小纯音激励下基底膜的振动位移。实验准备了14只豚鼠，共28个听泡。但由于解剖和测试易对耳蜗和基底膜造成破坏，所以仅7组实验满足要求。基底膜的振动位移响应如图3～5所示。

图3 70 dB纯音激励下基底膜振动位移响应Fig.3 BM displacement response under 70 dB SPL pure tone excitation.

图4 80 dB纯音激励下基底膜振动位移响应Fig.4 BM displacement response under 80 dB SPL pure tone excitation.

图5 90 dB纯音激励下基底膜振动位移响应Fig.5 BM displacement response under 90 dB SPL pure tone excitation.

观察基底膜振动位移幅值响应曲线，从图3(a)、图4(a)和图5(a)中可以看出：5 kHz范围以内，基底膜振动位移幅值变化不大；从5 kHz到11 kHz，振动幅值逐渐增大，在11 kHz达到最大值；超过11 kHz，基底膜振动位移又迅速减小。对应70 dB、80 dB、90 dB三种声激励，基底膜振动最大位移分别为7.8 nm、25.16 nm和74.45 nm。观察基底膜振动位移相频曲线，从图3(b)、图4(b)和图5(b)可以看出：三种声压激励下基底膜相位不仅变化趋势一致，而且数量大小也相差不大；10 kHz范围以内，相位变化相对平坦；超过11 kHz之后，相位迅速下降，其中在11 kHz基底膜振动相较于外耳道输入声压相位滞后大概530°左右，而到19 kHz时滞后相位达到了1 300°。

3 讨 论

本次实验的目标是探究纯音激励下豚鼠耳蜗基底膜的响应特性，所以维持基底膜的生理特性是实验的关键，实验过程中除在基底膜放置反光微粒以外，要求与基底膜没有其他任何接触。并且整个实验操作都需认真细致，尽量减小实验过程对基底膜的损伤。由于实验过程中必须对耳蜗壁开孔，开孔操作稍有不慎就会损伤耳蜗结构，并且开孔过程中落到基底膜上的骨粉也会污染基底膜，所以实验难度大，对实验人员的要求高，本次实验只有7组测试满足测试要求。

本次实验选用颞骨夹对耳蜗标本进行固定，比较牢固，并且由于颞骨夹下面是圆形的，方便角度调节，可以使得测试激光准确地对准基底膜的测试位置。测试时，选择激光直接照射到基底膜上进行测量，与文献[14]中在耳蜗孔上覆盖玻片不同，这是由于透过玻璃片的反射激光强度较弱并且不稳定，但是直接测量时，渗出的淋巴液也会使光线散射而给实验带来误差。

分析测试结果，从图2(a)中可以看出纯音激励下，基底膜的振动速度是正弦信号。改变输入声压的频率，对比基底膜同一位置处的振动速度幅值，结果显示基底膜在大小相同，频率不同的纯音激励下振动速度大小不同，说明基底膜的振动具有频率选择特性。与此同时，从图3～图5基底膜振动位移响应曲线可以看出，基底膜的振动位移响应存在明显的峰值，峰值对应的频率称为最佳频率。对比70 dB、80 dB、90 dB三种声激励下耳蜗基底膜位移幅值响应，可以看出在不同强度的声激励下，基底膜均在11 kHz取得最大值，说明本次实验基底膜测试位置的最佳频率为11 kHz。观察位移响应曲线，超过最佳频率11 kHz之后，基底膜振动的位移响应迅速减小，斜率很大；而在低于最佳频率的频率范围内，1 kHz到5 kHz的位移响应曲线很平坦，从5 kHz开始基底膜的位移响应才逐渐增大，曲线斜率也逐渐增加。这是典型的行波传输曲线。根据行波理论，镫骨底板的振动首先会刺激靠近卵圆窗的基底膜振动，这种振动再以行波的形式从基底膜的底部传播向顶部传播。纯音激励时，基底膜的振动位移沿基底膜先逐渐增大，在最佳频率位置处达到最大值，之后再迅速减小，形成行波包络。并且低频信号的包络线比高频信号的包络线要宽，所以基底膜位移响应在低于最佳频率范围内增加缓慢，响应曲线斜率小，而在超过最佳频率后响应曲线迅速降低，坡度大。基底膜不同位置处的最佳频率不同。越靠近基底膜顶部，最佳频率越低；越接近基底膜底部，最佳频率越高。另外位移响应曲线在14 kHz处出现了峰值，可能是由基底膜振动导致测试位置有所偏移造成的。

虽然本次实验测量的是离体被动耳蜗，但是实验结果对了解基底膜的动态特性和耳蜗的传声机理都具有非常大的参考价值。接下来的研究重点是探究活体动物实验的测试方法，进一步了解基底膜的响应特性。

4 结 论

本次实验研究了纯音激励下豚鼠耳蜗基底膜的响应特性，利用激光多普勒测振仪测试了离体豚鼠耳蜗在70 dB、80 dB和90 dB三种大小声激励下基底膜的振动速度和振动位移。实验结果表明：

(1)纯音激励下，基底膜的振动速度是正弦信号。并且在大小相同、频率不同的声压激励下，基底膜同一位置处的振动速度和振动位移大小不同。

(2)基底膜具有频率选择特性，并且基底膜上的振动以行波的形式传播。

(3)在最佳频率处，基底膜的振动响应最大。超过最佳频率，基底膜位移响应幅值迅速减小。

(4)不同大小声压激励下，基底膜振动的相位响应曲线接近，存在相位滞后。低于最佳频率，相位响应曲线相对平坦；而超过最佳频率后，滞后相位迅速增加。

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