耳蜗的主动机制

3.5　耳蜗的主动机制

通过对耳蜗微机械运动，尤其是纤毛运动特点的观察，发现耳蜗对声波刺激所产生的行波有主动调节的能力。这种调节能力即称为调谐性，它提高了耳蜗对频率的初级分辨能力。采用M迸ssbauer技术和电容性波导探测技术，可以观测到基底膜行波被调谐所形成的振动曲线，通常称耳蜗调谐曲线（tuning curve）。该曲线通过刺激声频率与阈值间的函数关系反映耳蜗的调谐性，因此又称频率－阈值曲线（frequency-threshold curve）。如图3－17所示是Johnstone等观测到的豚鼠耳蜗底周基底膜具有不同特征频率的4个不同位置，用不同刺激声引发的调谐曲线。从图中可见：①不同频率的刺激声，即使频率相近，在同一个位置引发的基底膜反应也存在很大差异。其中，与特征频率相同的刺激声频率引起的基底膜反应振幅最大，且较低强度的声刺激即可。例如，在基底膜上特征频率为17kHz的部位，20dB SPL刺激声可产生峰形高而尖锐的基底膜调谐曲线，其中17kHz声波刺激产生的基底膜振动幅度比16kHz声波刺激高10dB，说明基底膜能对较小的刺激声进行细致的区分。②在低强度声刺激下（20dB SPL），耳蜗的调谐曲线较陡窄和尖锐，即稍微改变刺激声强度就可引起基底膜振幅较大的改变。说明此时的基底膜具有极精细的频率选择性。而随着刺激声强度的增加，曲线峰形逐渐变钝，当刺激声为80dB SPL时，高而锐的峰形消失，基底膜振幅曲线变成较宽、峰较圆钝的曲线。说明基底膜的调谐性随声强的增加逐渐下降，在高刺激声强下（80dB SPL），基底膜的调谐性基本消失。

图3－17中横坐标为刺激声频率，纵坐标为基底膜振幅。曲线a表示刺激声强度为80dB SPL，刺激部位的特征频率为10kHz；曲线b表示刺激声强度为60dB SPL，刺激部位的特征频率为16kHz；曲线c表示刺激声强度为40dB SPL，刺激部位的特征频率为17kHz；曲线d表示刺激声强度为20dB SPL，刺激部位的特征频率为17kHz。

耳蜗调谐曲线的锐度（sharpness）还与动物耳蜗的生理状态有关，在生理状态下，曲线较陡窄和尖锐。基底膜表现出较好的频率选择性或带通滤波性（band pass filter），当耳蜗受损伤时，其频率选择性减低。

图3－17　耳蜗基底膜调谐曲线示意图

图3－18所示的是耳蜗正常时、损伤时及死后耳蜗调谐性的变化。可见，正常生理状态下，耳蜗具有非常敏锐的频率调谐作用。而当耳蜗受到耳毒性药物损伤时，这种调谐性明显下降，呈低频侧坡度缓、高频侧坡度稍陡的不对称形状，非常类似于Békésy所观测到的基底膜频响曲线。而在死后的基底膜上，这种调谐性基本消失。从图上还可以发现，耳蜗基底膜的机械调谐曲线和听神经纤维的调谐曲线非常接近，这说明人耳对声音的高度灵敏和细致的分析能力首先是在耳蜗基底膜上实现的。

图3－18　耳蜗不同生理状态下的调谐曲线，并与听神经调谐曲线相比较

综上所述，耳蜗基底膜的机械调谐曲线有以下特点：①同一声强下不同频率声刺激引起的基底膜反应振幅不同，在特征频率处最灵敏，较低强度的声刺激就可以引起基底膜较大幅度的反应。②在特征频率处，低刺激强度下的耳蜗的调谐非常尖锐，稍改变刺激声频率就可引起基底膜振幅的较大改变。③在高刺激强度下，基底膜反应的尖锐调谐特性消失，反应曲线为宽钝的峰，且峰顶位置移向低频侧。④基底膜的机械调谐曲线与听神经的曲线很接近，说明听觉系统的高灵敏度和尖锐调谐首先是在耳蜗基底膜上实现的。

耳蜗基底膜机械调谐曲线的这些特点证明耳蜗基底膜行波中存在着两种成分：①被动力学过程产生的振幅较小、调谐曲线较宽的被动成分；②调谐曲线中振幅较大、调谐曲线较锐窄的成分，后者即为耳蜗主动力学过程（active mechanical process）中产生的主动成分。生理状态下，耳蜗基底膜的主动作用可能是由毛细胞等结构产生的，并注入基底膜行波中所致。虽然耳蜗主动作用的具体过程还不清楚，但目前认为这是一个需要神经支配并消耗生物能量的机械正反馈过程。具体来说，基底膜上的行波刺激盖膜与静纤毛之间发生剪切运动，调制K＋向内、外毛细胞的内流，从而使外毛细胞内的感受器电位改变，触发某种形式的外毛细胞主动性机械活动，向基底膜提供额外的机械性能量，从而提高基底膜的调谐特性。这就增加了基底膜特征频率部位的行波振幅，进一步刺激该处外毛细胞增加对基底膜的能量输入，而周围非特征频率部位的振动受到阻碍，振幅急剧降低，从而达到敏锐调谐的目的。这一理论的形成主要来自以下几个方面的证据：①耳蜗内这种机械反应过程容易受到创伤、强声、药物的影响，如图3－18所示；②实验研究表明耳蜗传出神经可抑制耳蜗的功能，影响其灵敏性；③在基底膜上可以观察到电刺激诱发的基底膜振动和电刺激诱发的外毛细胞及其邻近结构的机械运动。

耳蜗主动机制与外毛细胞有关的原因可能是：①选择性地破坏外毛细胞，耳蜗的敏锐调谐作用会消失。②随跨膜电压的变化，离体外毛细胞的胞体长度可发生变化，其静纤毛也可能进行变短和伸长的运动。研究发现外毛细胞具有快、慢两种运动形式。快速运动不消耗能量，以微秒（μs）计；缓慢运动表现为胞体伸缩及张力和劲度的变化，以毫秒（ms）计。③在外毛细胞中发现肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白等结构，而外毛细胞的周围结构也更适合进行主动运动。

因此，可以说外毛细胞既是听觉的感受器，又是听觉活动的效应器和调节器，即声音刺激在引起外毛细胞兴奋的同时又引发其主动性运动，增强基底膜的精细调谐作用。而IHC作为感受器和信息传递者，其作用主要是将基底膜的机械性振动信号传向听神经。