耳蜗生理机制的研究简史

3.2　耳蜗生理机制的研究简史

在了解耳蜗生理机制之前，首先需要了解耳蜗生理机制的研究过程。通过了解耳蜗生理研究的历史，我们可以更好地理解耳蜗生理机制的复杂性，也能清楚目前耳蜗生理研究存在的局限性。

1760年，Cotugno宣布人的耳蜗是充满液体的，但由于之前人们一直认为耳蜗是由气体充满的，因此他的这一观点并未被接受。直到1777年，Meckel才证明了这一观点，他把一个新鲜尸体的耳放在雪里冰冻，结果制成了世界上第一个耳蜗冰冻块。1851年，Alfonse Corti描述了如今以他名字命名的听觉感受器——柯蒂器（organ of Corti，OC）。当然，当时还不知道其中每一部分的作用，也不知道声音是如何被分析并形成听觉的。在此之前的1843年，Ohm提出在耳蜗内必然有一个傅立叶转换器或频谱分析器。1863年，Helmhotz进一步证明了这一观点，他不仅详细描述了耳蜗的结构，还提出耳蜗结构与声音发生同步共振的理论。他认为，一个复杂声的各个组成成分根据其频率的不同，在耳蜗的不同部位引起同步共振，就像演奏竖琴时弹奏不同的弦。然而，Helmholtz不能确定振动是如何发生的，尤其是浸在液体中的结构。直到1877年，Rayleigh的“声音的理论”第一次发表，人们才开始理解膜和液体振动的基本数学规律。Helmholtz认为人类分辨频率的能力是基于耳蜗内存在的一系列独立的共振器。1948年，Gold的工作也表明频率分辨的确是共振器的作用。不久后，Georg von Békésy结合频闪照明和显微镜技术观察了取材于各种人尸颞骨的耳蜗模型上的振动。关于耳蜗振动机制，他提出了两个不同于Helmholtz的观点：①振动不是由独立的机械共振器的单一共振产生的，沿耳蜗的不同区域相互间似乎存在机械耦合；②他所观察到的是一种涉及范围较广的振动形式，这与心理声学实验中观察到的高度的频率分辨能力不一致。因此他推测在机械与心理分辨过程之间，也许在中枢听觉系统，应该存在另外一个频率选择过程。1954年，Tasaki报道，听神经纤维具有与心理声学实验中观察到的结果非常类似的频率选择性。于是科学家们推测这个另外的频率调谐过程应该在耳蜗内。此后，有关听神经纤维反应特性的研究取得了很大进展，而测量耳蜗内振动的实验技术却没有多大进步。1958年，Mōssbauer观察到，放射性晶体的原子位置发生改变会导致光子的色谱或频率发生改变，称“多普勒频移”。1967年，Johnstone和Boyle利用这一技术测量了活体动物对听阈强度的声音刺激所产生的耳蜗内振动，虽然他们的测量比von Békésy的实验要精确得多，但结果频率选择性只有轻微的提高，他们仍然无法解释听神经的高度频率选择性。

当时，关于初级听神经反应的两个问题，还无法用von Békésy所描述的振动模式来解释，这成为科学家们关注的焦点。①听神经具有明显的不稳定性。在实验动物中，可以通过耳蜗内药物灌注、缺氧、强声暴露、给予耳毒性药物等方式来改变听神经的敏感性。②频率相关的传入神经发放率变化或非线性现象。例如，由一个纯音诱发的单个听神经元放电能被另一个特定频率和强度的纯音所抑制。如果初始音的强度较低，并且频率和该听神经的最敏感频率（又叫特征频率，characteristic frequency，CF）相符合，则“双音抑制”现象最明显。另外，当两个具有特定关系的纯音同时输送到同一耳时，可以听到与这两个纯音在频率上具有数学关系的另外一些纯音，称为组合音（combination tones）或畸变音（distortion tones）。虽然给声时并没有这些声音，但听神经能作出相应的反应，而且这些畸变音能够在耳蜗内进行机械性传播。因此，这些声音的确是另外产生的，是由耳蜗内一些畸变或非线性机制所产生的。这些现象一直困扰着科学家们，因为没有直接证据表明耳蜗内振动会发生这种畸变，当然中耳也不可能使声音产生任何明显的畸变。随着神经电生理的快速发展，科学家们又发现另一个明显的耳蜗非线性或畸变现象：如果用特征频率和另一个较低频率声音作用于一个神经纤维，则随着声音强度的增加，两者的神经放电率会有很大不同程度的增加。一般来说，低于神经元特征频率的声音，随声强的增加，神经放电率的增加相对较快；而在特征频率附近，随声强的增加，神经放电率的增加要慢一些。

随着对听神经纤维研究的逐步展开和深入，科学家们开始设想如果耳蜗内存在非线性或畸变性振动，则许多问题就很容易解释了。但当时对这一设想仍存在疑问，因为当时关于耳蜗内振动特征的直接证据非常少。虽然Rhode曾使用Mōssbauer技术测量了松猴耳蜗内的振动，并发现了一些耳蜗非线性的证据，即频率相关的振动随声强增长而呈现非线性的增长；也观察到了耳蜗的一些不稳定性，即在实验过程中，耳蜗内振动的灵敏度逐渐下降。但当时多数科学家认为这是不同物种的特异性造成的。此后，Evans和Wilson开展了一个具有决定性意义的实验：他们同时记录了来自同一动物的听神经反应和耳蜗内振动，发现听神经和耳蜗内结构振动在几乎同一时间所产生的反应具有不同特点。可见，在振动和最初的神经放电之间必然发生了另一个处理过程。Evans曾用“第二滤波器”来命名该过程，以解释机械和神经反应之间的矛盾，同时提出一些设想来解释“第二滤波器”。

1977年，Russell和Sellick成功记录了一种哺乳动物感觉毛细胞（内毛细胞）的生物电反应。他们的实验显示初级听神经的许多反应特性在内毛细胞内都已经出现，而也正是内毛细胞驱动初级传入神经反应的。这个结果和“第二滤波器”的机械性解释是一致的。第二年（1978），Kemp观察到一个短音会诱发耳蜗发出一个“回声”，这是不能用简单的线性振动解释的。不久，LePage和Johnstone（1980）观察到豚鼠耳蜗的振动和Rhode观察到的结果相同，推翻了对这种现象是特例的说法。接下来几年，Sellick等人利用M迸ssbauer技术在豚鼠耳蜗内观察到了具有敏感性、高度调谐性、非线性、易损性的振动。Khanna和Leonard通过激光干涉测量技术也观察到类似结果。这说明以往实验中观察到的振动，其实是被所采用的实验方法人为改变了的，即使是Evans和Wilson的实验。不管是什么原因引起这种反常的现象，这种高度调谐、非线性的振动从1982年才开始被反复观察到。随着各种新的实验方法的推进，复杂的神经活动都被归结到耳蜗内的振动。

早在1972年，Dallos和他的同事就指出外毛细胞对正常耳蜗的敏感性是必不可少的，因为当外毛细胞被氨基糖苷类抗生素－卡那霉素选择性损伤后神经反应阈值就升高了。当时并不清楚为什么会这样，因为外毛细胞只接受5%传入神经支配。当时普遍认为耳蜗内的振动是被动、线性、粗糙的。到了20世纪80年代，人们才逐渐清楚地认识到这种有关耳蜗机制的观点是错误的。比如Mountain（1980）的研究指出对支配外毛细胞的耳蜗传出神经的电刺激，会以某种方式改变耳蜗的机械性，从而在畸变音上发生一个改变，这可以通过耳道内灵敏麦克风的测量记录到。这说明外毛细胞至少是在间接地影响着基底膜的振动。Mountain同时指出，当耳蜗内电位（EP）下降时，耳道内记录到的畸变音也会发生改变，这提示耳蜗内的电位改变也会使耳蜗的振动发生变化。当时已经知道刺激耳蜗传出神经会导致耳蜗内电位的改变。

到了1981/1982年，耳蜗内敏感、非线性、易损的振动被观察到了。不久，Brownell和他的同事描述了在细胞外电流刺激下，离体毛细胞的运动行为反应。同一年，Patuzzi、Sellick报道了当低频音使外毛细胞感受器电流产生不完全饱和时，基底膜在高频率下的振动会减弱。很显然在这种情况下，外毛细胞至少产生了和作用力同步的电流，并且可能也产生了力。在这一时期，Neely和Kim公布了一个蜗隔振动的主动模式，外毛细胞产生的力部分抵消了摩擦。1982年，Weiss创造了“双向转导”这一名词，用来解释单个毛细胞内运动产生电流的过程（正向转导）以及这些电流所产生的运动（反向转导）。之前，Zwicker也提出过一个相似的理论框架，用主动反馈来解释许多耳蜗主动现象。

20世纪八九十年代的研究显示，能造成耳蜗敏感性降低的大多数损伤因素，也能够降低外毛细胞感受器电流。在大多数耳蜗损伤的情况下，可以观察到感受器电流的下降程度和由此造成的阈值升高的程度非常接近。有少数例外的情况是当神经阈值升高而外毛细胞感受器电流并没有减少，这可能是内毛细胞或神经细胞受到了损害，从而导致对振动的感受受到了损害，也可能是某些特定的损害损伤了外毛细胞的运动。因为从最近的研究我们知道，外毛细胞在神经控制下具有伸展和收缩的能力，这种运动好像电驱动的马达运转，它是维持耳蜗正常功能的重要环节。因此，耳蜗性聋可能是毛细胞对振动感受能力的丧失，也可能是神经异常，又或者是基底膜振动的异常。而基底膜振动的异常，本质上是由于外毛细胞电驱动的异常或者是由于外毛细胞（马达）自身的异常。

在以下的章节中，我们将详细讨论上述研究的主要内容，包括耳蜗机械力学、耳蜗内的微机械运动、耳蜗的主动机制、耳蜗内环境与毛细胞转导过程。