耳蜗功能的非线性特性表现

非线性特性反映在对耳蜗整体功能中的作用和意义，其核心就是体现在对外界的微弱的声信号进行放大和对危险易引起听觉系统损伤的强声信号进行抑制，经过如此处理的声信号再安全地进入听觉传入通路，如此一来，使得耳蜗除了对声音的初步感知和进行声－电转换外，还具有使感音强度的动态范围变宽，听觉灵敏度增长的功能。

耳蜗非线性特性是在对耳蜗的机械特性的实验研究过程中获得的，对于耳蜗机械特性的研究有直接和间接两种观察方法，无论是直接的载体和离体测量，还是间接的通过电生理指标的监测都为耳蜗功能的非线性特性的存在提供了大量的依据。

（一）耳蜗机械运动的直接证据

根据基底膜振动所测得的耳蜗能量流分析发现，在行波接近共振点时能量流的功率增大，这证明耳蜗自身向行波注入了额外的能量，使基底膜振动得到了放大。那么这种放大作用有多大呢？目前认为比较合理的耳蜗放大器增益的定义是：低强度声刺激引起的基底膜反应灵敏度－频率曲线峰值与高强度声刺激时的基底膜反应灵敏度－频率曲线峰值之间的差值（蜗底区反应的增益为48dB）。根据这一定义测量计算出的耳蜗放大器增益在栗鼠耳蜗基底圈9～10kHz部位为35～58dB，在豚鼠耳蜗基底圈17～18kHz区域约为35dB，钩区的增益低于上述基底圈中部的增益，而顶圈的增益更低。

耳蜗放大器对基底膜振动的放大作用在不同的刺激声强、频率以及在不同的耳蜗生理状况下是不同的。耳蜗放大器在蜗内的空间分布具有频率特异性。对外毛细胞局部选择性破坏的实验提示，对行波的放大作用发生于BF部位靠基底侧的一段区域，根据耳蜗功率流和机械阻抗数据推算的结果显示，耳蜗放大的区域应从BF部位向蜗底侧延伸1～2mm的距离。而通过对基底膜振动单点测量所得数据的推算，耳蜗放大器的空间分布为从BF部位向蜗底和蜗顶两个方向延伸的一段区域。在栗鼠耳蜗BF为9～10kHz的相应部位，放大的频率范围从BF以下1/2倍频程至BF以上1/3倍频程，其相应部位为BF相应部位向蜗底侧1．3mm至向蜗顶侧0．8mm，长约2．1mm。

对听敏度保持较好的动物进行的实验表明，在蜗底BF或CF附近，基底膜与听神经单纤维反应的调谐曲线非常相似，在栗鼠上将栗鼠顶圈低频区（CF－400Hz）听神经单纤维反应阈调谐曲线与相应部位盖膜振动的等位移反应阈调谐曲线和等速率反应阈调谐曲线对比，可以见到听神经反应阈调谐曲线和耳蜗机械振动调谐曲线的低频侧和高频侧斜率都很相似，但前者的尖端较尖锐而后者的尖端较钝，这种差异可能是由于实验技术上的原因，使测得的机械调谐的尖锐程度比实际情况差。

耳蜗上述良好的机械调谐特性表明，耳蜗本身就可有很敏锐的机械调谐，从而向听神经输送足够精细的调谐信号。从理论上说，像耳蜗这样的频率调谐系统，其调谐的敏锐程度受限于黏性阻尼。动物实验和耳蜗机械模型的研究表明，耳蜗尖锐的频率调谐确实需要耳蜗放大器的电－机械反馈机制的存在。但耳蜗机械模型的研究还显示，仅有电－机械反馈还不足以产生足够好的频率调谐，为了恰到好处地抵消耳蜗内的流体力学阻尼，还需要有一个滤波机制或者是其他的频率特异性机制同时起作用，由此，或以不同于被动机制的另一种也就是按频率－距离分布的主动性共振机制（通过盖膜、网状板、盖膜下液体及纤毛之间的相互作用）调制向基底膜传输的主动性动力，或使电－机械反馈提供的动力在恰当的时间作用于基底膜的恰当位置。这些都说明了耳蜗基底膜本身的运动即是个非线性振动。

（二）电生理测量的证据

大部分活体耳蜗的功能是通过电生理的测量来反映的，电生理的结果最能说明活体耳蜗感音细胞的功能状态，非线性也表现在刺激声增强时谐振成分随之增加。一些经典的非线性现象也会体现在对耳蜗功能检测到的电生理结果中，如在单个纯音的刺激下，耳蜗机械反应的强度与刺激声强的关系可以表现为压缩式或扩展式非线性。这使我们对耳蜗功能上的特点与自然科学中现已被认可的非线性现象紧密结合起来并加以分析和运用。通过电生理观察的总结，耳蜗功能非线性特性主要体现在如下几个方面：

1．各种场电位的非线性特点　为了更深入地研究耳蜗工作机制，人们用各种实验方法来记录能反映耳蜗感音功能和毛细胞工作状态的指标，包括耳蜗的各种场电位，如耳蜗电图（ECochG），其中有耳蜗微音器电位（Cochlear microphonics，CM），复合动作电位（Compound action　potential，CAP），总和电位（Summating potential，SP）以及动物实验中的蜗内电位（Endocochlear potential，EP）等，还有各种耳声发射（Otoacoustic E－missions，OAEs），其中包括瞬态声诱发耳声发射（transient evoked　otoacoustic emission，TEOAE）和DPOAE等，大量研究表明，所有这些耳蜗场电位和耳声发射的输入/输出曲线（input/output，I/O）形态都呈现出非线性的特性：在对耳蜗进行低强度的输入时，其从耳蜗输出的强度同输入比呈线性或增长率＞1的线性增长，但当达到一定输入强度（如60dB SPL以上）时，从耳蜗输出的信号振幅饱和甚至稍微下降。这些经典现象从机械学上和神经生理学上宏观地说明了耳蜗能有如此之广泛的感音范围，在于能将微小声强进行放大，而将巨大的声响压缩至工作范围内，而这一过程即体现为输入/输出的非线性工作曲线。

CM在低声强度（0～60dB SPL）刺激时，随强度的增加，幅度呈线性增加，而在高声强度（70～110dB SPL）时，CM幅度增加程度减弱，甚至幅度下降，出现非线性特点（图14－1）。而且载体的外毛细胞胞内记录也证明，CM的输入/输出函数曲线的确表现出非线性特点（详见第10章图10－5）。SP无不应期，没有真正的阈值，刺激声越大，SP幅度越大，但仍有非线性特点。Dallos等还发现SP极性随刺激声强度变化发生逆转。

CAP的振幅则随声刺激强度增加而增加。但在声强增加到40～50dB SL时振幅达到一稳定平台，而继续增加至60dB SL时，振幅又突然急剧加大。振幅－强度函数曲线可分为“H”（高）、“平台”和“L”（低）段（见图9－17）。认为高强度时主要是由内毛细胞及与之相连的神经纤维发放的反应，也就是说“H”段反映了这一群神经单元的活动。外毛细胞及与之相连的神经纤维产生对低强度声音的反应，是“L”段的基础。但近年来的载体胞内记录证明，内毛细胞比外毛细胞敏感，但它必须依赖于外毛细胞的完整，才能表现出主动机制的非线性特点，在正常情况下，OHC对IHC有驱动作用。当OHC损伤时IHC灵敏度下降，CAP阈值升高，且耳蜗功能表现出被动的线性特征，从而补充和修正了上述双元理论的假说。

图14－1　中阶记录正常状态CM的I/O曲线，呈非线性特点

2．胞内电位的非线性特点　随着对耳蜗内的听感觉细胞研究的深入，及各种记录内外毛细胞神经电位活动技术的发展和进步，使对耳蜗听器的非线性现象的研究从场电位水平进入了胞内水平。Dallos和Cheatham等经过了近二十年的研究，对耳蜗毛细胞的记录方法、膜电位特性、胞内交流和直流感受器电位的特点进行了全面细致的研究，进一步揭示了毛细胞感受器电位的非线性工作特性。

Corti器网状板与盖膜之间的来回剪切运动导致毛细胞纤毛的来回摆动（或偏斜），从而产生了毛细胞的换能电流和感受器电位。感受器电位随纤毛偏斜而发生的变化是非线性的，于是在感受器电位与纤毛偏斜之间关系的电压－移位曲线上，一般用刺激声强度－电位幅度的双对数曲线的形式来描述胞内电位的输入/输出曲线，可以看到感受器电位的压缩（或饱和）现象（图14－2）。这种现象遵循Boltzmann函数关系，是生理现象的一种普遍规律。

3．两音抑制现象　最初在听神经纤维的生理活动中被观察到，表现为探测音引起的神经纤维放电率因为另一个声音（抑制音）的出现而下降。Rhode等于1974年发现了与神经性两音抑制相对应的机械反应的两音抑制，高于BF频率的抑制音能够明显抑制BF探测音引起的机械反应。也就最先发现了基底膜在两音同时刺激时不仅不遵循线性叠加原理，反而表现为相互抑制现象。1992 年Ruggero等报道了具有生理特性的机械两音抑制现象，他们发现在抑制音的频率高于或低于BF，且强度在70～100dB SPL范围内，能观察到栗鼠基底膜机械反应的两音抑制现象。而且机械反应的两音抑制有许多类似于听神经的两音抑制的特性，包括易损性和频率特异性，提示在听神经纤维和内毛细胞感受器电位研究中所发现的调制现象来源于耳蜗机械反应的调制。孙伟的工作已证实了CM的两音抑制现象（图14－3），而且在噪声暴露后两音抑制现象减弱（图14－8）。1993年Nuttall和Dolan报道抑制音强度达到40dB SPL即可有抑制作用，中等强度的抑制音（40～70dB SPL）可使在BF处的输入/输出曲线变成线性。当抑制音与探测音同时存在时，无论抑制音频率高于或低于BF，BF探测音诱发的基底膜振动都会减弱。两音抑制现象使得人们对基底膜非线性振动的本质认识得更加清晰。

4．耳声发射（OAE）及相互调制畸变现象　耳声发射是从外耳道记录到的来自内耳发射出来的音频能量，在OAE中瞬态耳声发射（transient evoked　otoacoustic emission， TEOAE）的输入输出函数曲线也呈非线性特点（图14－4）。而畸变产物耳声发射（distortion products　otoacoustic emission，DPOAE）更说明耳蜗的非线性特点（图14－5）。

图14－2　噪声暴露前、后OHC感受器电位I－O曲线平均值

A．暴露前。7只豚鼠正常状态短纯音诱发交流电位的I－O曲线平均值：在刺激声强度为10～40dB SPL时，曲线基本上呈线性增长，平均斜率接近于1；刺激声强度超过50dB SPL后，幅度增长速度减慢，50～70dB的平均斜率均＜1；刺激声强度达到80dB SPL时，反应幅度随刺激声强度增加略有下降，斜率出现负值，即达到幅度饱和。B．暴露后。3只豚鼠噪声暴露后感受器电位的I－O曲线平均值：可见低强度电位幅度明显减小，但高强度电位反而超过了暴露前的幅度，0．3、0．8、1．3kHz三条曲线的平均斜率较暴露前明显增大，尤以50～90dB的I－O曲线平均斜率增加最为明显，线性段明显延长

当同时给予频率不同的两个或多个初始音刺激时，人耳可以听到不同于刺激声频率的另外频率的声音，这是因为初始音的相互调制产生了畸变产物，即与初始音有特定频率关系的另外频率的声音，这就是相互调制畸变。两个初始音的相互调制畸变称为“两音畸变”（two－tone distortion），如果两个初始音频率为f1、f2且f2＞f1，则可观察到畸变产物频率为mf1±nf2（m，n为整数），其中以2f1－f2处的信号最常见和最明显。在声信号传播的基底膜行波理论的基础上，这一现象中所遵循的又是一个非线性的公式，提示了另一种耳蜗的非线性工作方式。

畸变产物与初始音的频率关系提示其产生部位就在耳蜗。Brown等认为两个初始音相互作用的部位在由f1和f2引发的行波之间相互重叠的区域。在该区域，f1和f2并非遵循线性模式的简单叠加，而是经过一个非线性过程产生了畸变音，该畸变音既向耳蜗基底端传播并且发射到外耳道（图14－6），当耳蜗同时接收到两个不同频率的纯音刺激时，从外耳道记录到的信号中除了刺激纯音外还有新的频率成分，这些新成分从频率上分析就是畸变产物的结果，因此这些在外耳道能记录到的新频率成分就是畸变产物耳声发射（Distortion products　otoacoustic emission，DPOAE）。当然，这些信号同时向蜗顶方向传播达到与畸变音频率相应的基底膜部位，引起相应的听觉。

图14－3　抑制音频对CM（中阶记录）的影响（f2
＜f1）

图14－4　TEOAE的输入或输出

当刺激声强度＞40dB后，TEOAE幅度饱和甚至下降

图14－5　畸变产物耳声发射

f1：探测音1（1　000Hz）；f2：探测音2（1．2kHz）；f3：畸变产物的声音
（2f1－f2＝0．8kHz）

一般认为，两音抑制和相互调制畸变依赖于耳蜗非线性机制的特性。实验和理论分析表明，一个声学系统如果出现压缩－饱和现象，在双音刺激时则会产生谐振畸变以及抑制和相互调制畸变。由于Corti器作用到基底膜振动上的机械反馈受外毛细胞感受器电位的大小所控制，机械－电能转换过程中出现的感受器电位的非线性也就必然反映在基底膜机械振动上。也就是说，外毛细胞感受器电位的非线性是耳蜗机械反应的非线性现象（如压缩、两音抑制和相互调制畸变）的来源，而后者初步揭示了复杂声（如人类言语）和嘈杂环境中的声音信号在耳蜗内是如何处理的，也就是说耳蜗非线性的工作方式不仅存在，而且是耳蜗执行复杂感音功能的主要机制。

图14－6　畸变产物耳声发射（DPOAE）的产生机制