耳蜗力学进展——纪念Békésy获诺贝尔奖60周年*

张天宇 任柳杰 李辰龙 王舒琪 姚文娟 丁光宏

从1961年Békésy揭示耳蜗内行波现象，开创实验听力学而获得诺贝尔生理学奖以来，耳蜗力学研究已取得了一系列重要成果和进展，尤其是外毛细胞主动响应机制和耳声发射现象的发现，并在临床中得以广泛应用，使得耳蜗微观力学领域成为持续研究的热点。随着“内耳振动测量技术”的不断创新迭代，Corti器微米级分辨率振动测量技术持续进步与成熟。本文综述自Békésy以来耳蜗力学的研究成果与进展，关注学科交叉、学术争鸣和技术进步。

1 概述

耳蜗是哺乳动物最为复杂、精密的器官之一，赋予了听觉系统极高的灵敏度和宽广的动态范围。人类的听觉频率区间为20到20 000 Hz，强度区间为0到120 dB SPL，而这很大程度上归因于耳蜗特殊的机械力学性能[1]。如果用工程器件和设备来比喻，耳蜗既是将声音刺激转换为神经电信号的“传感器”，又是进行实时频率分离的“滤波器”，还是增幅弱声信号的“放大器”。因此，当研究者们惊叹耳蜗精细螺旋结构的自然之美时，更着迷于这一神奇器官的强大功能。

Békésy对包括耳蜗基底膜振动等听觉系统的物理测量是现代耳力学研究的滥觞，而此前关于听觉系统的研究主要是关于耳蜗等结构的解剖观察和推测。Békésy系统的揭示了耳蜗声音频率分析机制，获得1961年的诺贝尔生理学奖。如其著作《Experiments in hearing》所述，对耳蜗感音机制研究的突破归功于新仪器研发、新实验设计、定量建模等手段的综合运用。在此后的几十年中，耳蜗力学研究秉承和发扬了交叉学科的特点，涵盖了数学、力学、光电、工程、生理和心理等多个相关学科。尤其是测量技术的更迭，推动了耳蜗感音机制在Békésy行波理论基础上的不断发展[2]。耳蜗的主动响应、基底膜低频区感音机制、Corti器微观动力学等成为了耳蜗力学研究的前沿课题。

2 行波理论和被动耳蜗

Békésy里程碑式地发现了耳蜗基底膜的行波现象。行波是外周听觉系统频率分析的基础，是人耳处理声音、交流和欣赏音乐的前提。Békésy在猫、狗、大象、人等尸体上进行了基于频闪光的耳蜗基底膜振动的显微测量，发现在纯音激励下，基底膜上产生从蜗底向蜗尖行进的位移波；其波幅逐渐增大，至某一特征频率(characteristic frequency,CF)位置达到最大，随即迅速衰减消失；最大振幅位置具有频率相关性，高频激励下靠近蜗底，低频下靠近蜗尖[3]。基底膜的振动可被其上的Corti器所感知并转化为电信号。据此，Békésy揭示了频率辨别的部位机制，即耳蜗可将复杂声音的不同频率成分分离到基底膜的不同位置激活局部的毛细胞及听神经。

行波是耳蜗内淋巴液和基底膜耦合作用的产物，行波的频率特异性与基底膜的刚度特性有直接关系(Naidu等，2001)。学者们对基底膜的材料性质，尤其是其沿着长度方向的变化进行了大量的测量。对于行波产生机制的研究除对基底膜振动的实验测量外，还包括对行波现象的数值仿真和力学分析，即所谓“耳蜗宏观动力学模型”[4]。一大类耳蜗模型关注基底膜特殊的力学性质及其与淋巴液耦合形成频率特异性行波的力学机制，并不涉及Corti器乃至外毛细胞的响应，这一类模型称为“被动耳蜗”模型。经典的是耳蜗的“盒状模型(box model)”简化，该模型将耳蜗螺旋结构拉长，简化其截面为规则的矩形、忽略前庭膜、合并前庭阶和蜗管，将基底膜简化为一弹性薄膜并省去其上的Corti器等微观结构。随后使用连续介质力学理论进行力学建模，应用数值方法，如WKB方法、有限差分法、有限元法[5]、浸没边界法(Givelberg等，2003)等，进行时域或频域求解。研究者也建立了耳蜗物理模型对行波机制进行研究(Wittbrodt等，2006)。尽管这些模型极度简化，仍可准确模拟被动耳蜗的行波响应。在主动耳蜗成为研究重点的今天，这些模型仍具有一定的价值和生命力，在骨导机制[6～8]、卡哈切迹、半规管瘘[9]、内淋巴积水[10,11]等内耳的生理和病理现象研究中发挥作用。

3 耳蜗非线性和主动耳蜗

由于Békésy的测量在尸体标本上进行，且为了能够保证测试信噪比，其使用的声压值(约为130～140 dB SPL)远高于正常值，因而他测量得到基底膜的频率调谐性能较差，无法和听神经尖锐的调谐曲线以及人耳敏锐的频率分辨功能相匹配。尽管Gold(1948)已经敏锐地意识到耳蜗不仅仅是一个被动的感音器官，遗憾的是当时并未受到重视。Békésy等将这一不匹配归因于神经等的后续调谐锐化，即所谓“第二滤波器”。

莫斯鲍尔技术的发展大大提升了基底膜振动的测量精度，Rhode(1971)分别测量了在70、80、90 dB SPL纯声激励下豚鼠基底膜的振幅，发现了耳蜗响应的“压缩非线性”现象——在高强度声刺激下基底膜敏感性较低，而在低强度声刺激下敏感性提高——这一现象在动物死亡后迅速消失。Kemp(1978)发现了自发性耳声发射现象，更是证实了耳蜗的主动发声的能力。Brownwell发现外毛细胞的电致伸缩运动，揭示了耳蜗主动响应的来源。随后，研究者在外毛细胞膜上发现了Prestin蛋白，它可根据细胞电位快速变换构型，改变外毛细胞的长度，是其电致运动的“分子马达”。上述研究成果充分表明“第二滤波器”是不必要的。对于耳蜗的感音机制形成了以下共识：外界声刺激通过卵圆窗进入耳蜗，引起淋巴液压力变化而驱动基底膜形成频率相关的行波；Corti器的机械运动通过所谓“门控弹簧”机制(Lemasurier等，2005)交替打开和关闭内毛细胞纤毛顶端的离子通道，导致细胞交替除极化和超极化，最终引起听神经放电；外毛细胞顶端纤毛的摆动同样引起细胞电位变化，导致外毛细胞主动运动，对基底膜运动进行增幅。

20世纪90年代，激光多普勒测振(laser doppler vibrometry,LDV)开始广泛应用于耳蜗力学测量，人们已经可以测量低至10～20 dB SPL声刺激下基底膜的响应，在活体耳蜗的测量结果进一步证明基底膜的调谐响应可以和听神经媲美(Ren等，2002)。这不仅进一步确认基底膜振动的非线性特征并提供了更为准确的测试数据，还为进一步研究基底膜及Corti器径向不同位置的振动提供了可能(Ren等，2002)。此外，Olson等研发了微压力传感器对基底膜附近的淋巴液压力进行了动态测量，并在压力中测量到了耳声发射畸变产物(Olson等，2004)。同时，在被动耳蜗模型的基础上修正得到了一系列主动模型，用以研究耳蜗响应的压缩非线性特征[4，12]。

4 高、低频区基底膜振动差异

使用LDV测得的活体耳蜗响应包括小鼠、豚鼠、沙鼠、龙猫等动物，且测试部位多在基底膜高频区。高频区基底膜响应呈现以下特点：(1)其振动幅值在CF处呈显著的峰值；(2)响应具有显著的压缩非线性，在低声强时敏感度较高，但该非线性仅在CF频率附近比较显著，在远离CF位置处仍呈现线性。使用LDV对蜗顶响应的测量则困难得多，需要打开耳蜗顶部并在前庭膜上开孔，测量的位置包括盖膜、Corti器等(Ren等，2001)。总体而言，耳蜗低频区的频率响应特性不如高频区敏锐，与高、低频区听神经频率敏感性的变化类似(Robles等，2001)。但使用该方法测量由于对耳蜗造成了破坏，影响了测试的准确性。

近几年来体积相干光断层扫描测振技术(volumetric optical coherence tomography vibrometry,VOCTV，也称为相敏OCT或者多普勒OCT)因其可穿透测量内部结构振动的优势，在耳蜗低频区基底膜响应测试中取得了突破[13]。Dong等测量了沙鼠基底膜的振动，发现低频区频率选择性确实不如高频区敏锐，且可能呈现与听神经响应不一致的低通特性[14]，在豚鼠中也发现了类似的现象[15]。总结目前的研究成果，基底膜低频区的响应与高频区相比有以下不同：(1)总体振幅偏低；(2)频率敏感性差；(3)压缩非线性程度更低，且其非线性在距离CF频率附近较宽范围处都基本一致。耳蜗高、低频区响应特征差异的机制及其生理意义，是当前研究的热点问题之一。

5 Corti器动力学

Corti器在声刺激下的响应是耳蜗微观动力学的核心问题，其主要包括两部分：第一，盖膜和毛细胞相对运动如何引起纤毛运动；第二，外毛细胞的主动运动如何增幅耳蜗响应。早期对于如此精细、微小的运动测量虽有大量尝试性工作(Robles等，2001)，但准确性都难以保证。因而计算机模型研究成为耳蜗微观动力学研究的主要手段，在Corti器尺度、毛细胞乃至纤毛尺度都建立了模型[4]。

在体、无创测量Corti器动力学行为的迫切需求促使了VOCTV技术的诞生。经过若干离体实验验证和在中耳结构振动测试上的应用，VOCTV技术逐渐成为耳蜗力学领域的重要测试手段，并有望带来突破性的进展[16,17]。Cooper等测量了沙鼠耳蜗耳蜗基底部Corti器的振动，发现在Deiter细胞和外毛细胞界面附近振动幅值最大，进一步证实了OHC是Corti器运动增幅“马达”[18]。Lee等在小鼠耳蜗顶回中测试到了盖膜和基底膜行波的不同，并发现盖膜的频率调谐性能略优于基底膜[19]。Ren在沙鼠网状板和基底膜上测量到了两音畸变产物[20]。Strimbu等[21]及Lee等[22]研究表明，Corti器各部分的振动响应在幅值、相位乃至频响特性上都有较大差异，这些差异在耳蜗感音的作用仍不清楚。Xia等通过转基因手段造模第三列外毛细胞缺失的小鼠，发现其Corti器振动与正常小鼠有巨大差异[23]。上述研究表明，VOCTV技术在研究耳蜗生理、病理机制中具有重大潜力。

6 总结

从Békésy提出行波理论以来，对于耳蜗感音机制的认识已经有了巨大的进展。本文综述了耳蜗力学的重要研究成果，其核心包括耳蜗主动响应及Corti器微观动力学。中耳力学[24,25]、电生理、心理声学[26]、听觉神经科学[27]等方面都有了重要的进展，与耳蜗力学的研究相辅相成；对于耳蜗感音机制的成果更是促成了人工耳蜗及相应算法的研发和应用(Clark等，2004)。

耳蜗力学领域仍面临巨大的挑战。哪怕对于耳蜗感音的基本问题，仍有待更全面、深入的理解。比如对声音频率识别的机制，直至今日仍有众多不明之处。Békésy的行波理论表明频率感知依赖耳蜗行波的“滤波”作用，即所谓部位机制；随着对耳蜗主动响应的认识和测试技术的改进，已经证明高频区基底膜振动的调谐性能足以解释听觉的高度频率敏感性。然而与此同时，听神经的“锁相”现象和“排放论”的提出又指出“时间机制”在频率识别中的重要性[28]。目前发现，耳蜗低频区基底膜振动的调谐性能较差，这是否意味着低频声频率识别需要更依赖时间机制，或者在低频区Corti器中仍存在着“第二滤波器”？这些基本问题的解决，既需要实验听力学测试技术的不断革新，更有赖于耳蜗力学与其它学科的交流合作。