耳蜗非线性特性的产生机制

耳蜗感音功能的实现和完善是通过其双向换能器的功能来实现的，其中的电－机械换能功能是耳蜗非线性振动的理论和实验基础。是耳蜗放大器通过“逆向换能”过程（将生物电能转换为机械运动能量）向基底膜注入额外的机械动力，通过消耗生物能量，提高基底膜对低强度刺激的基底膜振动，从而提高反应的灵敏度的一个机械正反馈过程。除了对基底膜振动放大使得耳蜗感音的动态范围增大到0～120dB SPL以外，同时通过调节外毛细胞纤毛的摆动频率还可使基底膜的振动频率范围加大。具体的工作机制可以从宏观的基底膜运动、Corti器水平和微观的亚毛细胞水平、分子水平来阐述。

（一）基底膜振动的放大和抑制

1．电－机械转换引发的基底膜运动　早在1972年，Dallos等就指出外毛细胞（OHCs）对于维持正常的耳蜗灵敏度是必不可少的。1980年，Mountain也报道支配外毛细胞的耳蜗传出神经在受到电刺激而兴奋时，或蜗内电位（EP）改变时，都会改变耳蜗产生畸变音，说明外毛细胞至少能影响基底膜的振动。1983年，Brownell等直接观察到了外毛细胞的电能动性（electromotimity），即外毛细胞在受到电刺激时会发生沿胞体纵轴的伸长及缩短运动，确认了耳声发射和电－机械正反馈来源于外毛细胞的主动运动。耳蜗可以通过外毛细胞的电致运动来进行精细调谐。Nuttall和Ren（1995）发现，在功能完整的耳蜗，交流电刺激引起的外毛细胞的伸缩运动足以使基底膜产生振动，并引发与声刺激相同的行波及耳声发射，电诱发基底膜振动的灵敏度和调谐与声诱发的基底膜振动很接近。电诱发耳声发射（electrically evoked OAE，EEOAE）的实验证实了外毛细胞的逆向能量转换（即电－机械换能过程）的存在，随后在基底膜上也观察到耳蜗电刺激诱发的Corti器和基底膜的机械振动。电刺激时外毛细胞及其毗邻结构都发生了机械振动。当外毛细胞受破坏时，电诱发的基底膜振动消失。

外毛细胞的电能动性在保证耳蜗灵敏度和频率调谐中有着重要作用。在Corti器两侧施加直流电刺激可明显改变BF和BF以上频率的声诱发基底膜振动，而对低于BF频率的基底膜振动的影响很小。前庭阶－鼓阶的正电流能增大基底膜反应的灵敏度，使频率调谐变得更为尖锐，而且BF向高频率侧移动；而负电流产生相反的作用。提示正、负直流电可能通过增大或减小外毛细胞换能电流而调制耳蜗的放大作用。这直接提供了耳蜗放大作用与外毛细胞关系的证据。对于接近听阈值的声信号，在基底膜BF频率部位通过电－机械转换引发的基底膜非线性运动来达到此频率上听敏度的提高。在输入/输出曲线的低刺激声强部分，由于这种机制使得斜率呈＞1的增长，耳蜗的非线性在此阶段起的是放大输入声强除增加耳蜗灵敏度，也许还可使中枢更好地进行识别。

2．耳蜗传出神经对基底膜振动的控制

非线性的另一端体现耳蜗对于有损伤性的刺激声强进行抑制，使其压缩在正常的耳蜗感音的工作范围内，关于这部分功能的研究目前较为集中在耳蜗传出系统上。耳蜗传出神经纤维自脑干上橄榄复合体，也就是橄榄耳蜗束（olive cochlea　bundle，OCB）发出，其中内侧橄榄耳蜗束（medial olive　cochlea bundle，MOCB）直接与外毛细胞底部和外侧壁形成突触；另一较小分支，外侧橄榄耳蜗束（lateral olive　cochlea bundle，LOCB）的轴突穿过缰孔后分支，以较小的神经末梢在IHC下方的传入神经纤维（树突）末梢形成轴－树突触。IHC底部与轴－树突触共同构成了传入突触复合体。

（1）内侧橄榄耳蜗束（MOCB）的传出抑制作用：当耳蜗感受声音刺激时，刺激声转换为化学－电信号，通过反馈环路使OCB兴奋，OCB神经末梢的抑制性神经递质释放并与OHC表面的受体相结合，使OHC超极化，OHC的“放大器”作用减弱，实验中观察到刺激OCB可导致从耳蜗到中枢一系列电生理活动的改变，包括：①减小复合动作电位N1的幅值；②增加耳蜗微音器电位的幅度，但不改变其输入－输出函数的非线性特性；③耳声发射幅度减小；④听神经元的自发性和诱发性放电减少，听神经元调谐曲线变平坦，CF升高。

MOCB已被证实能够抑制外毛细胞的功能活动，从而影响耳蜗的听敏度。MOCB兴奋时对基底膜振动的影响表现为BF特异性的灵敏度下降，以及使反应变为线性，MOCB兴奋使BF附近的基底膜反应的振动速率－刺激强度曲线较陡的部分（也就是低、中强度段）向高刺激强度方向移动达30dB，曲线斜率增大。MOCB对刺激声在50～75dB SPL引起的基底膜振动的抑制作用最大。但是耳蜗传出神经并不影响基底膜的频率调谐尖锐程度或是反应的相位。此外，有人报道电刺激兴奋MOCB能使基底膜对高于BF频率的高强度纯音刺激的反应增大。由于MOCB直接分布于外毛细胞，并直接影响外毛细胞的功能，MOCB对基底膜的影响具有频率特性。

（2）外侧橄榄耳蜗束（LOCB）的抑制作用：对MOCB系统生理的研究已经较多了，但对LOCB系统的功能知之甚少。其原因主要是我们很难对LOCB系统进行有选择性的刺激或者是破坏。目前有许多研究者采用向活体动物耳蜗内灌注神经递质相关药物的方法来进行研究。LOCB系统释放多种神经递质和神经调质，其中大部分在MOCB系统同样有分布，而仅多巴胺只存在于LOCB系统内。因此现在的很多研究主要利用多巴胺来研究LOCB系统的调控作用。

研究表明，多巴胺在谷氨酸的神经传递中有重要的调节作用。有证据表明听觉传入神经的树突受到外侧传出神经的紧张性调控。多巴胺参与调节听神经的活动并对伤害性刺激具有保护作用。当发生缺氧或噪声损害时，在突触间隙内谷氨酸会过量释放产生兴奋性毒性，而多巴胺通过抑制传入突触后膜对谷氨酸过量刺激的反应，提高反应阈值，从而起到保护作用。Ruel等通过向正常豚鼠耳蜗内灌流多巴胺和多巴胺拮抗药，然后分别记录其复合动作电位（CAP）和单个神经纤维的动作电位，以此来研究多巴胺对传入神经活性的调节。观察者发现当向耳蜗内灌注多巴胺时，听神经的CAP会呈现一种剂量依赖性的幅度降低，阈值升高，N1波的潜伏期延长。而反映外毛细胞功能的耳蜗微音电位（CM）和血管纹功能状态的蜗内电位（EP）都无有意义的变化。这表明多巴胺是在突触后膜水平即传入神经树突末梢上起作用的。多巴胺在不改变单个神经纤维频率调谐特性的情况下可使其自发性和诱发性放电活动减弱，多巴胺可能对听神经的活性具有紧张性抑制作用，去除这种紧张性抑制作用可能导致谷氨酸兴奋性中毒早期症状的出现。但并不是整个LOCB系统的功能是抑制性的，在LOCB系统中与多巴胺并存的还有乙酰胆碱等多种神经递质。Felix等在内毛细胞－传入突触附近应用了乙酰胆碱，结果使神经自发性放电率增加。LOCB系统中其他神经递质的单独作用或协同作用还有待进一步的实验研究来证实。

虽然如此，耳蜗对于高输入声强的声抑制和听器保护的作用还是通过耳蜗传出系统的工作来完成的。而起作用的具体细胞水平的单位则是各种传出神经递质：如乙酰胆碱、γ－氨基丁酸、多巴胺、肽类物质（脑啡肽、强啡肽、降钙素基因相关肽）和5－羟色胺等。所有这些介质的作用均是使突触后膜超极化，从而起到抑制、减小外毛细胞的正常的双向换能的作用而造成了输入/输出曲线的高声强端压缩性非线性。但它们的具体的作用机制尚待进一步研究。

传出神经系统除了提高听觉分辨能力外，还可在噪声环境中增强对靶信号的辨别以及在过度声刺激时提供反馈性保护。实验证明切断OCB后，猴在噪声环境中对元音的识别率变差，频率识别也明显受损。传出神经系统通过影响毛细胞的活动和感受器电位而调节了基底膜的运动，这些活动调节表现为基底膜在接近高声强时的非线性振动。

（二）耳蜗毛细胞水平的调控作用

1．外毛细胞的电致运动　在非线性工作的耳蜗中，来自Corti器的机械反馈（即耳蜗放大器）使基底膜反应灵敏度和频率调谐得到提高，这个过程涉及在换能电流直接或间接控制下由外毛细胞产生的机械动力。由Brownell发现的外毛细胞的电能动性被看做是耳蜗放大器的具体表现，是与外毛细胞膜电位的超极化或去极化相伴随的胞体快速伸长或缩短运动。

外毛细胞的电致运动（或称快运动）区别于毛细胞的慢运动，后者是由化学因素诱发的细胞长度的改变。只有哺乳动物的外毛细胞才具有快运动的特征。内毛细胞、内耳的支持细胞及与外毛细胞功能类似的鸟类的短毛细胞都没有电致运动。电致运动不依赖于钙离子和ATP，也不需要肌动蛋白和肌球蛋白。电致运动由电压驱动，在体情况下，毛细胞的换能电流引起的感受器电位是驱动毛细胞运动的电压来源。电致运动的频率可高达数万赫兹，可以基本跟随声刺激的频率。

外毛细胞电致运动的动力元件在胞膜上，是由外毛细胞侧膜最外面一层的细胞质膜内的镶嵌蛋白在电场作用下发生构型变化的结果。2000年美国西北大学的Dallos实验室的郑景、何志洲、Madison、Dallos等将外毛细胞和内毛细胞的mRNA作对照分析，成功地分离出了编码膜动力蛋白的prestin基因。并用病毒转染的方式成功实现了prestin在人胚胎肾细胞（TSA201）上的表达，进一步证实了该蛋白就是电致运动的动力元件。

对prestin产生外毛细胞电致运动的机制也已进行了深入的研究。理论上说prestin至少有两个基本功能区域，一是电压感受器，另一个是效应区。电压感受器是胞内的单价阴离子，主要是氯离子。除极化时氯离子与prestin上的氯离子结合位点结合，氯离子移向胞质内侧，这导致膜蛋白prestin处于短的构型。而当超极化时与prestin的氯离子位点相结合的氯离子向胞膜外侧移动，从而导致膜蛋白prestin呈伸长的构型。目前对于prestin的构型变化如何导致细胞长度的改变的问题还不十分清楚。

研究OHC电致运动中发现OHC的收缩幅度要比舒张幅度大，并在刺激强度大时出现饱和现象。这与耳蜗毛细胞感受器电位一样具有相似的非线性特点，且与外毛细胞的非线性膜电容有关。这可能就是耳蜗放大器的能源。现在一般认为耳蜗放大器和耳蜗主动过程是相同的概念，都是耳蜗功能和它的非线性工作方式的体现。它们都指内耳将低强度声信号进行机械放大的一系列过程。具体指毛细胞通过某种形式的运动（电致运动或纤毛运动）以正反馈机制引起听觉感受器局部的机械振动，成为非线性振动，可以使微弱的声音刺激信号得以放大。

耳蜗放大器的组成成分主要有外毛细胞、基底膜、盖膜和内毛细胞。普遍认为哺乳动物外毛细胞的电致运动是耳蜗放大器的基础：基底膜振动刺激毛细胞上的纤毛，纤毛的弯曲调制机械－电换能通道的开放状态，在耳蜗电池（蜗内直流电位和毛细胞静息电位之差）驱动下流经毛细胞的静态电流被调制从而产生感受器电位，感受器电位的改变驱动了侧膜上的动力元件，外毛细胞体产生伸缩，胞体伸缩所产生的力作用在基底膜上影响了基底膜的振动，从而也强化了对内毛细胞纤毛的刺激，因而使振动得到了放大。

关于耳蜗放大器的产生机制或工作原理目前还有争论。有一种学说认为，耳蜗主动过程主要依靠外毛细胞运动时所产生的力；快速电致运动所产生的能量可用于补偿内耳液体对基底膜运动的阻尼衰减作用。另一种理论认为内耳的主动过程可能是基底膜－Corti器感抗成分的动态改变所产生的。尽管外毛细胞的劲度在整个基底膜－Corti器复合体中较小，但当外毛细胞劲度发生改变将有效地改变整个基底膜的感抗，从而影响基底膜的振动。

2．毛细胞纤毛束运动的调控作用　如上所述，耳蜗的这种主动放大机制已经与外毛细胞的运动机制紧密相连。但是到目前为止，还未能在哺乳动物的外毛细胞观察到无论是电的或机械的尖锐的调谐。尽管OHC电运动性在体外实验时可随电压而变，最高频率可达100kHz以上，但在活体内，由于受膜时间常数的限制（由细胞膜电阻和膜电容所决定），OHC的低通滤波特性将使感受器电位受到影响，胞体电运动明显减慢。但是纤毛的运动可以不受胞体低通滤波的限制。低等动物纤毛可以自发地，也可以是在受到机械刺激或电刺激时产生运动，这种运动被认为是低等动物对声音信号进行放大的机制。自发性听毛振动的频率为5～40Hz，幅度可达50nm，很可能就是自发性耳声发射的来源。在龟的被分离听器上观察到的电压依赖性的纤毛运动最明显。电刺激可以引起龟的毛细胞按照其自身的特征频率发生膜电位振荡，而其纤毛的运动与膜电位的振荡相吻合。膜电位变化可以有效地引起纤毛的运动。由上述原因可以推测，哺乳动物耳蜗非线性工作产生放大效应的细胞机制可能包含了外毛细胞胞体电能动性和纤毛运动两种机制，科学家们由此提出了另一个假说：听毛能产生力以主动地增大对声刺激的敏感性和频率选择性。

Rucci假说认为，胞体的电动机制和听毛细胞纤毛的主动机制可能都是耳蜗高灵敏度的基础。两者有不同的优势：毛细胞侧壁的运动能力可以产生较大的力量，而纤毛的运动可以提供频率选择性，通过改善信噪比启动放大过程。胞体的运动还可以提供额外的力驱动调谐基底膜，从而刺激内毛细胞。外毛细胞的电致运动是由电信号驱动的，且应该具有一定的调谐。如果纤毛的放大作用调谐了纤毛，则纤毛的电调谐的信号将驱动外毛细胞乃至基底膜，产生具有调谐特性的运动。

Chan和Hudspeth首先建立了能够直接观察耳蜗换能过程和听毛运动中一系列步骤的体外模型。他们发现，当用N－甲基－D－葡萄酰胺（N－methyl－D－glucamine）阻断换能电流而仍给予电位刺激时，虽然记录不到CM，但主动放大机制仍存在。这种现象表明没有纤毛上的换能通道介导的感受器电位就没有OHC能动性。

科学家就耳蜗主动放大机制提出了以下新假说。哺乳动物耳蜗具有3个主动运动方式：①Ca2＋电流介导的快速纤毛运动。时间常数为微秒级。当纤毛偏向兴奋侧、换能通道开放时，换能电流的主要成分为K＋电流，还有一小部分为Ca2＋电流，后者反而使换能通道自动关闭（reclosure），使之能持续感受源源不断的声波，其速度可达微秒级（～50μs），称为快适应。换能通道关闭时顶连接（tip－link）张力增加，将纤毛牵向抑制侧。这样，换能通道的一开一合就伴随着纤毛的来回振动，也就是纤毛的主动运动。②Ca2＋与肌球蛋白分子马达（myosin motor）结合而使之沿肌动蛋白细丝（actin filament）运动，调节“门控弹簧”（gating spring）的张力使换能通道产生慢适应反应，同时也产生纤毛的主动运动，其时程为10～20ms。③由于外毛细胞的电致运动而引发的纤毛的运动，细胞膜时间常数将其速度限制在10ms以内，这种运动的幅度较之换能离子通道引起的纤毛主动运动的幅度要大得多，可达到后者的10倍（20dB）之多。伴随声波产生的驱动力应由其中最快的换能通道自动开关介导；另外两个过程则使纤毛定位于最佳位置，慢适应可在局部调节“门控弹簧”的张力，OHC电运动性则可调节基底膜的共振特性。三者共同作用，从而在时间、空间上均最大限度地发挥主动放大作用。