耳蜗内环境与毛细胞转导

3.6　耳蜗内环境与毛细胞转导

3.6.1　耳蜗内环境

耳蜗内环境主要指毛细胞所处的环境，即耳蜗淋巴液系统。内淋巴和外淋巴统称迷路液，其功能主要在于：①提供营养物质；②在毛细胞将机械能转换成神经电信号的过程中提供必要的化学环境；③在行波运动过程中充当振动介质；④发散基底膜振动过程中的压力。但两种淋巴液的组成、化学性质不同。

外淋巴是存在于耳蜗鼓阶及前庭阶内的液体，容量约16μL。外淋巴的离子组成类似于其他细胞外液或脑脊液，它的K＋浓度为4～5mmol，Na^＋浓度为140～150mmol，Ca^2＋浓度为1.0～1.5mmol。外淋巴的电位接近周围血浆。外淋巴的来源尚未清楚，其一认为经交通的耳蜗导水管来源于脑脊液；其二认为是来自毛细血管血液超滤液或是由外淋巴管壁上的毛细血管所产生。

外淋巴的更新速度快：豚鼠每小时更新3个外淋巴容积。既往认为毛细胞氧和营养物质供应来源于内淋巴，研究工作表明，事实上毛细胞氧和营养物质供应主要来源于外淋巴。而内淋巴的供氧量相对较少，只占淋巴供氧量的1.6%。通过动物实验发现，暴露于105～125dBSPL噪声环境中，外淋巴乳酸浓度明显升高，与60dB的结果比较确有差异。而血液乳酸浓度量无明显改变。暴露后使外淋巴乳酸浓度增加的机制在于，外淋巴交换率减慢，使耳蜗螺旋器供氧减少。

内淋巴指耳蜗中阶内的液体，容量2μL。它是一种特殊的细胞外液，其高K＋、低Na^＋组成类似于细胞内液，因此环绕内淋巴间隙四壁的都是紧密的细胞连接，以限制离子的出入。内淋巴腔的上界为Reissner膜即前庭膜，外界为血管纹，下界为Corti器上表面的网状板（reticularlamina）。Smith等（1954）首次采用微采样的方法发现耳蜗内淋巴为高K＋（约150mmol）、低Na^＋（约40mmol）组成。由于内淋巴腔隙很小，易混杂周围外淋巴，因此微采样的方法不是很准确。后来采用离子选择性电极的测量方法发现内淋巴的Na^＋的浓度更低，只有10μmol～1mmol。除了Na^＋、K＋外，内淋巴还具有高Cl^－、低Ca^2＋成分。另外内淋巴还有Mg^2＋、Fe^3＋、HCO＋3等成分，以及含有各类蛋白质、氨基酸、碳水化合物与脂类等有机物。实际上，内淋巴的组成与细胞内液很相似。

血管纹是内淋巴产生的主要来源，即血管纹表面的边缘细胞。除此之外，椭圆囊与半规管上皮的暗细胞也可产生内淋巴。血管纹由三层细胞组成，分别为边缘细胞、中间细胞和基底细胞。靠中阶侧的为边缘细胞，多皱褶，与分泌内淋巴、维持内淋巴离子组成和电位水平关系密切。在边缘细胞和基底细胞间存在一个相对封闭的空间，是耳蜗离子转运的关键部位，也是一个代谢活跃的部位。

内淋巴高浓度K＋的产生涉及4种离子转运机制，包括血管纹边缘细胞上的Na^＋/K^＋-ATP酶、Na^＋/K^＋/Cl^－联合转运子以及ClC－K氯通道（ClC-K chloride channel，一种最早在肾脏上发现的氯离子通道），它们主要参与K＋的转运吸收；还有边缘细胞的顶端细胞膜上的K＋通道，即IsK通道，经该通道可分泌K＋进入内淋巴中，以维持内淋巴的高K＋状态。耳蜗内淋巴排出的途径一般认为有两种，一是经血管纹边缘细胞和椭圆囊上的暗细胞重吸收，这种方式又叫辐射式循环；另一种是血管纹上皮细胞分泌，经联合管－球囊－内淋巴管，由内淋巴囊皱襞部上皮细胞重吸收。

Corti淋巴（lymph of Corti）：指Corti间隙内的淋巴组成与外淋巴相同，钠离子浓度较高，蛋白含量可能高于外淋巴，电位接近于零。耳蜗毛细胞的表皮板和静纤毛与内淋巴液接触，毛细胞的其他部分则浸浴在Corti淋巴内。需要注意的是，Corti淋巴的离子组成基本相同，但外淋巴对毛细胞有毒性，而Corti淋巴没有细胞毒性。

3.6.2　毛细胞的换能机制

1.耳蜗内电位（endocochlear potential，EP）

图3－19　耳蜗内电位与毛细胞内膜电位示意图

1952年，Békésy首先发现耳蜗蜗管（中阶）内淋巴与鼓阶外淋巴之间存在一较大电位差。他把一个电极放在鼓阶的外淋巴液中，接地保持零电位，并将一个玻璃微电极插入豚鼠的耳蜗。当微电极穿过前庭膜进入蜗管内淋巴时，电位突然上升为＋80mV，这称为蜗内直流电位或耳蜗内电位。当电极继续向下进入毛细胞内部时，又转成－70mV的电位，这样蜗管内＋80mV的直流电位与毛细胞内－70mV的膜电位就形成了跨越毛细胞顶部的150mV的电位差。当电极最后进入鼓阶外淋巴时电位又回到零电位（见图3－19）。研究证明，由血管纹作用产生的内淋巴的高K＋、低Na^＋的离子组成是形成EP的基础。EP为耳蜗换能过程以及行波的机械性放大作用提供动力。EP的正相电位起源于血管纹而与螺旋器无关。因此，血管纹细胞虽然不直接参与声音的换能过程和信息的传递，但为毛细胞换能过程提供了生物电能源，同时维持与换能有关的内淋巴中离子浓度。血管纹上的高活性Na^＋/K^＋－ATP酶（Na^＋/K^＋－泵）主要位于边缘细胞的侧壁上，活性高于耳蜗其他部位12倍以上，通过有氧代谢的耗能过程向内淋巴泵入K＋和泵出Na^＋来维持内淋巴的电化学特性。缺氧可引起EP迅速降低，并转变为—EP，恢复供氧后EP可逐渐恢复。例如，乌巴因（ouabain）是Na^＋/K^＋-ATP酶的特异性抑制剂，同样可以引起EP的下降。某些耳毒性药物，如利尿酸、呋塞米，选择性地作用于血管纹，也可引起EP降低。

2.电池理论和电阻调制学说

1965年，大卫（Davis）提出电池理论和电阻调制学说理论，把毛细胞将声音信号转换成生物电信号的过程比作电池形成电流和通过电阻调节电流的过程。

图3－20　电池理论模式图

（图中R_s代表可变电阻，R_m代表毛细胞底、侧壁膜电阻）

蜗内直流电位与毛细胞内负电位一起形成的跨越毛细胞顶部的电动势能，好比是电池的电源。毛细胞顶部胞膜及静纤毛的摆动可以调节这个电位差的变化，从而改变进入毛细胞的电流大小，相当于可变电阻。当声音信号传递到基底膜上产生行波时，盖膜与网状板之间的剪切运动引起纤毛的摆动弯曲，纤毛的弯曲状态与行波振幅即剪切运动的幅度相对应，从而将包含声音信息的基底膜振动转换成相应的电流变化（见图3－20）。

3.毛细胞机械－电转换和换能器电流

毛细胞纤毛的摆动如何调节进入毛细胞的电流大小呢？如图3－21所示。研究发现，毛细胞的静纤毛尖端部位以及各排纤毛与每排纤毛之间都有微纤维形成的连接，分别被称为尖连接（tip-link）、排侧连接（side-to-side）和排间连接（row-to-row）。当短静纤毛向长静纤毛方向弯曲（即兴奋性弯曲）时，尖连接结构牵引向长静纤毛方向伸展，尖连接处的换能通道开启（通常位于毛细胞顶膜或静纤毛上）；而当长静纤毛向短静纤毛方向弯曲（即抑制性弯曲）时，静纤毛之间的尖连接结构松弛而关闭换能通道。这种机械电换能通道也称为机械门控离子通道、膜离子通道。当纤毛没有弯曲（即处于静息状态）时，这些换能通道仍有一定的开放率。研究证实，静纤毛处在静息位置时约有10%的通道开启。因此，毛细胞在静止状态下仍有一定量的K＋离子流入毛细胞内。

毛细胞顶端的这种机械门控通道缺乏离子选择性，许多金属阳离子，如Li^＋、K^＋、Na^＋、Rb^＋、Cs^＋等，较大的单价有机阳离子如胆碱等均可通过，甚至两价阳离子Mg^2＋、Ca^2＋、Mn^2＋也可以通过。但内淋巴中K^＋是主要成分，绝大部分的感受器电流由K^＋介导，而少量的Ca^2＋离子流对换能过程有重要作用。每个毛细胞约有100～250个换能通道，每根静纤毛约有2～5个通道。

细胞内的静息直流电位相对于细胞外环境产生的负电位，称为极化状态（polarized）；阳离子经细胞膜上的离子选择性通道进入细胞内引起负性的静息电位值降低，称为去极化（depolarized）；而当膜两侧内负外正的极化现象加剧即静息电位负值变得更大时，称超极化。当声音刺激引起耳蜗隔（cochlear partition）运动，使静纤毛向最高的静纤毛方向运动（兴奋性弯曲）时，K^＋通道开放增加。由于毛细胞的顶膜内外两侧存在电位差，K^＋顺电位差内流增加，使毛细胞去极化，即毛细胞内原有的负电位逐渐升高。当静纤毛束背离最高的静纤毛方向运动（抑制性弯曲）时，K^＋通道开放减少，内向离子流减少并有外向离子流，从而造成细胞超极化。这样，流经毛细胞的电流就按照纤毛随声波刺激的摆动而受到调节。经毛细胞顶部流入毛细胞，再经毛细胞侧壁流至外淋巴的这一电流，被称为换能器电流（transducer current），而换能器电流在毛细胞侧膜上产生的电压就是感受器电位（receptor potential）。

图3－21　毛细胞纤毛摆动引发换能通道开放模式图

4.毛细胞换能过程中的离子流

图3－22　毛细胞换能过程离子流示意图

毛细胞将声音产生的机械振动转换成换能器电流的变化是实现从声音信号到生物电信号的重要阶段，具体过程如图3－22所示。①阳离子内流，细胞去极化：当纤毛偏曲时，机械门控离子通道开放，内淋巴液中K^＋和Ca^2＋迅速进入纤毛的胞浆内，再通过纤毛胞浆进入毛细胞内，细胞膜迅速去极化。内淋巴液中K^＋的浓度与纤毛内K^＋浓度接近，因此K^＋迅速内流的动力不是浓度梯度，而是内淋巴和胞内的高电位差形成的电场力。②Ca^2＋内流，去极化加大：在毛细胞与外淋巴接触的底、侧面的细胞膜离子通道具有较高的离子选择性。除背景钾离子通道外，已发现有两种Ca^2＋激活K^＋通道，两者均依赖于细胞内Ca^2＋浓度。当细胞内膜上Ca^2＋达2.5×10^－8～6.5×10^－8mol/L时开放。侧膜上还有电压依赖性Ca^2＋通道。当K^＋经机械门控通道进入胞内，引起去极化时，有Ca^2＋通道开放，细胞内Ca^2＋浓度增高，细胞进一步去极化。③K^＋外流，细胞复极化和超极化：细胞膜的去极化和细胞内的Ca^2＋升高激活细胞膜上电压门控钾离子通道和Ca^2＋激活通道，K＋通过这两种通道外流。K^＋外流使毛细胞膜电位达到钾平衡电位并超极化，为顶部机械门控通道提供最大的电化驱动力，有助于下一次机械－电换能作用。④Ca^2＋外流，细胞进一步超极化：进入细胞内Ca^2＋及静纤毛内Ca^2＋通过浆膜上两种钙泵Ca^2＋-ATP酶（PNCA）迅速主动排出胞外，为下一个感受器电位Ca^2＋的内流做好准备。⑤神经递质释放：如图3－23所示，内毛细胞去极化时，Ca^2＋通道开放，犆犪^2＋进入内毛细胞，经数个细胞信号传递步骤，促进毛细胞内含有神经递质的突触小泡向细胞底部移动，到达突触前膜后与前膜融合，释放出更多的谷氨酸。谷氨酸扩散通过突触间隙到达听觉传入神经的突触后膜，与突触后膜上的谷氨酸递质受体结合，被递质激活的受体进而引发神经轴突膜上的Na^＋通道的开放。细胞外高浓度的Na^＋在电化学梯度的推动下，进入听神经轴突末端细胞膜内，使膜电位从静息电位逐渐升高到阈值电位，导致动作电位产生。至此，信号在突触的传递过程完成。同时，递质谷氨酸被迅速去除，等待下一个相同过程的开始。

图3－23　突触间神经递质的释放

动作电位沿神经纤维的顺序发生，就产生了神经传导。具体来说，神经纤维某一点受到刺激，如果这个刺激的强度足够，则导致Na^＋流入增加，K^＋流出，原来是正电性的膜表面，变成了负电性。这就使它和它的左右邻（正电性）之间都出现了电位差，于是左右邻的膜也都发生透性变化，同样地发生动作电位。如此一步一步连锁反应就出现了动作电位的顺序传播，即神经冲动的传导。

3.6.3　内耳生物电

内耳生物电包括：①毛细胞感受器电位；②耳蜗内电位（endocochlear potential，EP）；③微音（器）电位（microphonic potential，CM）；④总和电位（summating potential，SP）；⑤听神经动作电位（action potential，AP）。也可以把声音刺激时所产生的电活动，如CM、SP和AP，称为耳蜗电位。下面对除耳蜗内电位外的其他生物电现象进行介绍。

1.毛细胞感受器电位

Russell等用细胞内微电极技术成功记录了豚鼠内、外毛细胞的感受器电位，并观察了毛细胞对频率不同的声刺激的反应特性。同时根据细胞内反应的特点对细胞外记录的微音电位和总和电位起源与性质作了正确的解释和说明。

内毛细胞接受声刺激，产生感受器电位，表现为细胞内电位的改变，包括交流（action current，AC）与直流（direct current，DC）两种成分。AC成分与细胞外记录的CM一样，同声波图形相似；DC成分与细胞外记录的SP一样，同声音的包络图形相似，证明CM与SP都是细胞外粗电极记录的毛细胞感受器电位。

AC的产生，在内毛细胞对低中频（低于3kHz）声刺激时明显，此时支配对低频起反应的IHC的听神经纤维的动作电位能够与感受器电位AC成分的去极化相保持锁相关系。当声音频率从100Hz增加到4kHz过程中，AC成分逐渐减少而出现DC成分。位于耳蜗基底部的IHC的感受器电位中，对高频起反应的AC成分很小。对4000Hz以上的高频声引起的反应主要是DC成分，DC成分对神经兴奋起主要作用，因此支配这一区域的听神经的兴奋不与感受器电位锁相。

当受纯音的疏时相作用时，基底膜向中阶位移，细胞内记录的AC成分表现为去极化；密时相作用时，基底膜向鼓阶位移，细胞超极化。内毛细胞感受器电位中AC成分的一个重要特点是在膜电位的水平上细胞去极化与超极化的程度不对称。去极化的幅值为超极化的2～4倍。随声音频率的增加，这种不对称性更为明显。

与IHC比较，OHC的感受器电位的AC与DC成分的幅值均较小，并且在高频声作用时不出现DC成分。外毛细胞的AC成分与内毛细胞不同，表现为对称性。Dallos证明在高强度的声音作用下OHC也产生AC与DC两种成分的感受器电位。DC成分包括正相与负相两种反应，即膜的去极化与超极化。而内毛细胞的DC成分只有正相电位。当声音的频率与细胞的特征频率相一致时，AC成分与DC成分的振幅相同。

IHC作为感受器和信息传递者，将基底膜的机械性振动信号传向听神经。由于OHC的传入性神经支配很少，因此认为OHC主要作为内耳机制的调节器，通过主动的微机制过程增强基底膜的精细调谐作用。

2.耳蜗微音电位（CM）

基底膜振动经Corti器盖膜和表皮板之间的剪切运动，导致毛细胞纤毛交替性弯曲与复位，调制毛细胞顶部膜电阻呈交替性下降和增加，产生交流性质的毛细胞感受器电位，这就是耳蜗微音电位（cochlear microphonic potentia1，CM）。

CM是耳蜗对声音刺激所产生的一种与声音声学图形相同交流性质的电位变化。这种电信号如同讲话的声音作用于话筒（即麦克风）的电信号一样，经扩音机放大后输送到喇叭，能复制原来的声音，因而命名为微（器）电位。CM真实地反映基底膜瞬时位移振幅。

（1）CM的一般特性：CM为分级式反应，即电位随刺激强度而增加。CM无真正阈值，无潜伏期和不应期，不易疲劳与适应。在人和动物的听觉范围内，CM能重复声波的频率。在低强度范围内，CM的振幅与声压成线性关系或CM振幅的对数与声压的分贝值呈线性关系。当声压超过一定范围，会产生非线性失真。CM包括两种成分：即CM1与CM2。CM1为主要成分，对缺氧与耳毒性药物敏感，动物死亡后即消失。CM2对缺氧不敏感，动物死亡后仍可保留一段时间才消失。CM2可能是真正的物理性反应。一般所说的CM是指CM1。CM主要由外毛细胞产生，其中小部分由内毛细胞产生；在耳毒性药物中毒的豚鼠中，外毛细胞首先发生变性损害，而CM下降幅度最大。

（2）CM在耳蜗中的分布与起源：CM的分布与基底膜的机械运动密切相关。即随声音频率而变化的基底膜的振幅变化决定CM的大小。CM起源于毛细胞。毛细胞损伤时，CM减小。Tassaki的实验证明CM是起源于以毛细胞表皮板为界的内淋巴液与毛细胞内的两侧，而不是起源于毛细胞内部与外淋巴液之间。CM的极性与细胞内记录的感受器电位的AC成分极性基本一致。声音疏时相作用时基底膜向前庭阶方向位移（即相当于镫骨向外移），中阶内淋巴液中的CM为负相，前庭阶亦为负相而鼓阶外淋巴中为正相。声波密时相作用时，基底膜向鼓阶方向位移，则在内淋巴与前庭阶中CM为正相，而鼓阶外淋巴为负相。

3.总和电位（SP）

总和电位是声音刺激时耳蜗产生的一种直流性质的电位。在高频率高强度短纯音作用下，将引导电极插入中阶或鼓阶或在圆窗附近，参考电极位于颈部皮下，所记录到的SP为声音刺激时基线向上或向下位移。SP是多种成分的复合电位，包括毛细胞电活动和听神经末梢的兴奋性突触后电位，前者为主要成分。当毛细胞完全破坏后，SP基本消失。当电极从鼓阶通过毛细胞表皮板进入到中阶时，SP的极性翻转，说明SP的起源与CM一样，发生在毛细胞表皮板与内淋巴交界处。中低强度声刺激时的SP来自于外毛细胞，高强度刺激时的SP来自于内毛细胞。

现认为与耳蜗微音电位一样，总和电位也是感受器电位。它是在中等或较强声波刺激时，由毛细胞产生的一种直流性质的电位变化（Davis，1985），包括正SP（positive summating potential，SP^＋）以及负SP（negative summating potential，SP^－）两种成分。声刺激强度较低时，SP^＋较明显，随着刺激强度增加，SP^－渐占优势。Davis等（1958）认为外毛细胞受声音刺激后产生SP^＋，而SP^－由内毛细胞产生。SP的反应阈值较高，无不应期，无潜伏期，不易疲劳和适应。在缺氧时，SP极性发生变化，伴随SP电压幅值变化；但恢复供氧后，SP恢复。