声波在耳蜗内的逆行传导机制

　　作者：任田英　　作者单位：Oregon Hearing Research Center, Oregon Health & Science University, Oregon 97239, USA

　　【摘要】耳蜗是内耳的听觉转换器官，其主要功能是把声波引起的机械振动转变为生物电信号并经听神经传输到听觉中枢。正常耳蜗也可以产生声信号，通常把在外耳道记录到的耳蜗产生的声信号称为耳声发射。虽然耳声发射已经被应用于临床听觉功能测试和研究耳蜗工作的原理，耳声发射从耳蜗逆向传出的机理仍不清楚。近年的生理实验研究结果显示声波在耳蜗的逆向延迟明显小于其从耳蜗底回向顶回传导的延迟，这些结果提示耳声发射是经耳蜗内的液体纵波，而不是普遍认为的逆向行波传导至外耳道的。这一新的发现不仅能够促进耳声发射的临床应用，而且对于研究耳蜗的基本工作原理具有重要意义。

　　【关键词】 耳蜗 耳声发射 耳蜗基底膜振动 激光干涉仪

　　Mechanism of backward propagation of sound in the cochlea

　　REN Tianying

　　Oregon Hearing Research Center, Oregon Health & Science University, Oregon 97239, USA

　　ABSTRACT: Cochlea is the auditory sensory organ in the inner ear. It normally transfers soundinduced vibrations of the cochlear partition to bioelectrical signals, which are transmitted to the brain by the auditory nerve. Sensitive cochleae can also generate sounds, named as otoacoustic emissions, which can be measured in the external ear canal. Although otoacoustic emissions have been used to evaluate hearing and to study cochlear mechanism, how emissions exit the cochlea remains unclear. Recent experimental results have showed that the backward delay of emissions is equal to or shorter than the forward delay, indicating that otoacoustic emissions exit the cochlea likely via cochlea fluids as compression waves rather than along the cochlear partition as backward traveling waves.

　　KEY WORDS: cochlea; otoacoustic emission; basilar membrane vibration; laser interferometer

　　人和哺乳动物的外周听觉器官由外耳、中耳和内耳的耳蜗部分组成(图1)。外界声经空气传导进入外耳道并引起鼓膜振动。这种声引起的振动经中耳腔内的听骨链和卵圆窗传入内耳。耳蜗液体中的压力差推动耳蜗隔膜运动，形成耳蜗行波。耳蜗行波的最大振动位置随刺激声的频率改变。高频声引起的振动部位接近耳蜗基底部，而低频声引起的振动接近耳蜗顶端。能引起局部最大振动的刺激频率称为特征频率或最佳频率。

　　位于耳蜗隔膜上的听觉感受细胞能够感受到小于一个纳米的振动。这种微小的基底膜振动能够使耳蜗毛细胞顶端的微纤毛倾斜，继而开放其离子通道，这一机械电转换过程将机械振动转变为细胞膜电位，后者导致神经介质的释放，从而引起神经动作电位，经听觉神经传递到大脑并产生听觉。

　　耳蜗不仅能把声能转换成电能，而且能够产生并发射声。KEMP在1978年首先报道了这一现象[1]。采用信号叠加技术，他观察了人外耳道声压在脉冲声刺激后的变化，发现外耳道的声压变化并没有在声刺激后立即消失，而是延续到5ms之后。这种声现象仅存在于所观察的正常耳中。KEMP认为他观察到的声现象不是刺激声的直接延续，而是由耳蜗的非线性特性产生的。

　　耳声发射(otoacoustic emissions, OAEs)通常分为自发性和诱发性耳声发射两类。前者是自身存在而不需要声刺激诱发的耳声发射。根据刺激声的不同，诱发性耳声发射又分为瞬时诱发性耳声发射(transiently evoked otoacoustic emission, TEOAE)、刺激频率耳声发射(stimulusfrequency otocoustic emission, SFOAE)、电诱发的耳声发射(electrically evoked otoacoustic emission, EEOAE)和畸变产物耳声发射(distortion product otoacoustic emission, DPOAE)。瞬时诱发性耳声发射由短声如声脉冲或短纯音诱发。刺激频率耳声发射由连续纯音诱发。电诱发的耳声发射是电刺激耳蜗产生的耳发声现象。用两个频率接近的纯音(f1和f2, f1

　　耳声发射从其产生部位传至耳蜗基底的机制目前还不清楚，主要有两种学说：逆向行波理论和压缩波机制[45]。

　　两个纯音f1和f2(f2>f1)经外耳道及中耳听骨链进入耳蜗，并引起耳蜗行波f1和f2。耳蜗的非线性特性在f1和f2行波的重叠处产生畸变产物2f1-f2。这一畸变产物以耳蜗行波的方式向顶回传播，在其最佳频率处产生最大振动。畸变产物同时经耳蜗隔膜或耳蜗液体向耳蜗底部传播，经中耳传入外耳道，产生耳声发射。由于耳蜗行波的速度远小于压缩波的传导速度，经耳蜗逆行行波产生的耳声发射的时间延迟应明显大于经压缩波传出的耳声发射的延迟。

　　1 逆向行波

　　KEMP在1986 年提出逆行行波理论，认为耳声发射从其产生部位沿基底膜以与正向行波相同的速度传到耳蜗基底。DE BOER[6]等用数学模型研究了这一学说在理论上的可行性。支持逆行行波理论的最重要的实验依据是耳声发射往返延迟为前行波的2倍[79]。组延迟(group delay)是指相位随频率改变的速度。对于一个线性系统，组延迟常被用于表示时间的延迟。然而耳蜗的非线性、滤波和弥散性使得组延迟的解释变得很不确定。一般认为耳声发射的组延迟包括传导延迟(propagation delay)和耳蜗滤波特性引起的延迟(filter delay)[1011]。由于耳蜗滤波的锐度随着耳蜗基底膜纵向位置、刺激强度、耳蜗生理状态的不同而改变，目前尚无基于相位数据精确评估耳蜗滤波延迟的方法。由于不清楚耳蜗滤波延迟，很难从外耳道测得的耳声发射的组延迟中提取出传导延迟。尽管在数据解释上有一定困难，由于没有其他更好的方法，组延迟常被用于评估耳声发射的时间延迟。

　　KIMBERLEY在36个成年人中使用8个不同的f2频率测量了DPOAE的组延迟[7]。作者假设DPOAE的产生部位是在基底膜上的f2位置，他们发现声发射的相位随着频率的增加而降低。从基底膜到外耳道的延迟在f2是10千赫时为1ms，f2在0.78kHz时为3.5ms。耳声发射的延迟是前行波的2倍。COOPER和SHERA[12]在测量了豚鼠的基底膜振动，刺激频率和畸变产物耳声发射，发现SFOAE和DOPOAE的组延迟远大于在基底膜上测得的前行波的组延迟。通过数学模型分析，他们认为这一结果与模型预测的耳声发射组延迟一致[1314]。

　　DONG和OLSON[15]通过测量耳蜗液体的声压研究DPOAE的产生机制。他们发现在接近基底膜的地方，压力的反应特征与基底膜振动一致。畸变产物与单一纯音引起的反应的调谐和组延迟相似，但不完全相同。作者认为液体中的畸变产物随着压力转换器与基底膜之间距离的增大而减弱的现象提示液体压力波不太可能直接推动镫骨。最近，DONG和OLSON[16]测量了耳蜗内的DP和外耳道的DPOAE，结果显示DP频率小于最佳频率时，DPOAE的组延迟大于DP的组延迟，认为支持逆向行波理论。

　　除了基于相位的组延迟的测量，WITHNELL和 MCKINLEY[17]报道了时域测量的OAE延迟支持逆行行波理论。然而OAE延迟的时域结果同样涉及耳蜗滤波和弥散特性，不能作为耳蜗内的传导延迟或信号前延迟。

　　2 逆行压缩波

　　压缩波理论是指OAE以声音在水中的传播速度通过耳蜗液体经纵波传至耳蜗基底部。耳蜗压缩波的概念源于WILSON[5]的外毛细胞容积改变模型，毛细胞容积改变推动镫骨移位而产生耳声发射。由于毛细胞容积改变速度远比声压变化速度慢，这一机制已被大多数学者放弃，但耳蜗液体的压力波可能直接产生耳声发射仍被许多学者认可。

　　为了研究cubic DPOAE在耳蜗产生的位置和传播的速度，AVAN[10]用微小的压力转换器测量了豚鼠耳蜗的第一回和第二回前庭阶和鼓阶中与耳声发射有关的液体内的压力，发现DPOAE的压力在第一回和第二回的前庭阶相似。比较其相位发现在刺激声低于70dB时，cubic DPOAE产生于f2的位置。从一回到另一回往返的时间短于0.2ms，小于在外耳道测得的耳声发射组延迟5倍。作者认为在总的耳声发射延迟中，局部的滤波过程引起的延迟远远大于传播过程造成的延迟。

　　ROBLES[18]等测量了基底膜上声引起的畸变产物，并观察了基底膜在耳声发射频率振动上的振幅和相位特性。作者发现与OAE相关的基底膜振动与纯音诱发的基底膜振动相似。NARAYAN[19]同时在外耳道和基底膜上测量了畸变产物，他们发现基底膜振动和OAE的组延迟大体相同，其与基底膜的前行行波的延迟一致。他们的数据表明DPOAE的组延迟很大程度上反映了基底膜的滤波延迟。后来GONG等[20]的实验证实了这一点。GONG等用南美栗鼠和沙土鼠，比较了基底膜振动和DPOAE的组延迟，发现2f1-f2 DPOAE的组延迟几乎与基底膜在最佳频率处的组延迟相同。

　　REN[21]用扫描激光干涉仪测量了基底膜在耳声发射频率的振动在空间的分布，并记录了基底膜振动的振幅和相位随基底膜纵向位置的变化。结果显示最强的振动是在声发射的最佳频率处，而不是f1和f2的重叠区域。相位位置曲线显示基底膜振动的相位随着从基底到蜗顶距离的增加而降低。相位降低的速度随着接近声发射的最佳频率部位而增加。比较镫骨与基底膜在声发射频率上的振动发现镫骨振动早于基底膜。在另一个试验中，REN[22]在不同的纵向位置测量了基底膜在cubic DPOAE频率上的振动。发现从靠近顶端的位置测得的相位频率曲线总是比靠近底端的陡。上述声刺激引起的反应与电刺激引起的反应一致。电刺激诱发的基底膜振动的组延迟明显小于耳蜗行波的组延迟。结果显示电诱发的能量向镫骨的传播可能通过一个比行波传播快得多的机制。

　　2004年，RUGGERO[11]比较了频率在2f1-f2的畸变产物耳声发射的组延迟和基底膜前向延迟，发现当时还没有足够的数据用于区分逆行的行波和压缩波。继RUGGERO的综述之后，SIEGEL等[23]测量了南美栗鼠的SFOAE，比较了其组延迟和基底膜前向传导的时间延迟，发现SFOAE的组延迟与基底膜的组延迟相似或略小。这些数据支持SFOAE通过液体耦合传至镫骨的假设，而不是传统的沿基底膜的返回行波。HE等发现在敏感耳蜗中靠近基底侧的基底膜在DP频率上的振动早于靠近蜗顶侧，将其与单纯音引起的传统的基底膜前向行波相比较，发现两者的传导模式完全相同[2425]。这一结果证实与OAE相关的基底膜振动是向前传导的行波而不是逆向行波。

　　RHODE[26]在敏感的动物耳蜗内测量了基底膜的振动并将其与DPOAE比较，基底膜的振动与DPOAE的相位关系支持DPOAE来源于耳蜗两个不同部位的学说。RHODE认为，虽然基底膜行波与DPOAE的产生有直接关系，但压缩波在DPOAE的逆行传导中的作用还有待于进一步的研究。De BOER等[27]观察耳声发射与基底膜振动的关系，耳声发射及基底膜振动的相位关系显示DPOAE从其在耳蜗内的产生部位到外耳道的传导方式与传统的逆向行波不完全相同，DPOAE前行波在耳蜗内分布的范围比按照理论计算的大的多。这一发现与REN等人的实验结果一致。

　　3 研究声波在耳蜗内传导机制的意义

　　虽然越来越多的实验研究结果支持耳声发射是经耳蜗液体内的压缩波逆向传出的机制，仍然有不少学者相信逆行行波理论。研究声在耳蜗内的逆行传导机制的意义不仅局限于耳声发射产生的原理及其临床应用，而且对于基本的听觉机理的研究十分重要。如果耳声发射经耳蜗液体压缩波逆向传出，那麽该机制在声音在耳蜗中的前行传导中的作用是什么?这样的有关听觉基本理论的问题，有待通过更多的实验来回答。现有耳蜗行波理论无法解释的实验结果必将促进新理论的产生。

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