使用激光測(cè)振儀檢測(cè)人耳聽(tīng)力結(jié)構(gòu)
隨著科技的發(fā)展，內(nèi)科學(xué)、分子學(xué)和生物力學(xué)等多學(xué)科密切合作相互滲透，讓我們對(duì)耳蝸的結(jié)構(gòu)和生理活動(dòng)有了更加深入的全新認(rèn)識(shí)。然而，這離我們?nèi)嬲莆杖硕?tīng)覺(jué)機(jī)制這個(gè)目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)。研究耳蝸內(nèi)在生物信號(hào)傳導(dǎo)是目前醫(yī)學(xué)研究的主要課題。通過(guò)對(duì)內(nèi)耳的生物力學(xué)研究，激光多普勒測(cè)振儀被證實(shí)是不影響測(cè)試樣本的高靈敏度振動(dòng)傳感器。
耳朵與聽(tīng)力-信號(hào)處理的生物奇跡
耳朵是我們感知環(huán)境并與外界溝通的重要感官。他們實(shí)時(shí)處理各種空間信號(hào)，具有精細(xì)的頻率分辨能力和極為寬廣的聽(tīng)覺(jué)動(dòng)態(tài)范圍。從生物力學(xué)的角度看，耳朵是一個(gè)可以將聲壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的高度發(fā)達(dá)的聲學(xué)傳感器。
人耳有三部分（圖1）：
l 外耳（A）包括耳廓、耳垂和耳道；
l 中耳包括鼓膜（B）和人體最小最靈活的三塊聽(tīng)小骨（C），分別被稱為錘骨、砧骨和鐙骨。這些骨頭通過(guò)卵圓窗將鼓膜運(yùn)動(dòng)傳輸至內(nèi)耳。
l 內(nèi)耳（D）包括耳蝸（聽(tīng)覺(jué)器官）和前庭（平衡器官）。耳蝸和前庭都浸泡在共通的內(nèi)外淋巴液之中，內(nèi)淋巴液的流動(dòng)會(huì)刺激感覺(jué)細(xì)胞發(fā)出電波。
圖1 人耳結(jié)構(gòu)
聽(tīng)覺(jué)信號(hào)的感知，本質(zhì)上取決于聲波從外耳通過(guò)中耳到達(dá)內(nèi)耳毛細(xì)胞的傳輸和轉(zhuǎn)換方式。
耳蝸結(jié)構(gòu)
耳蝸是呈螺旋狀的錐形骨質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖2左側(cè)剖面圖），由三個(gè)內(nèi)部充滿淋巴液體的空腔組成（圖2右側(cè)）。其核心部分是柯蒂氏器，是負(fù)責(zé)聽(tīng)覺(jué)傳到的環(huán)節(jié)。
圖2：耳蝸剖面圖（左）和毛細(xì)胞螺旋器（柯蒂氏器）的放大圖 (右)
基底膜將蝸管和毗鄰的鼓階分開(kāi)來(lái)。機(jī)械振動(dòng)從鐙骨傳播至耳蝸，在基底膜行成一個(gè)行波，使蝸隔的上下振動(dòng)從蝸底向蝸?lái)攤髦翆?duì)該頻率最敏感的部位。這種運(yùn)動(dòng)跟隨聲音的周期，能夠產(chǎn)生足夠大的機(jī)械力作用于基底膜上，使與刺激聲頻率對(duì)應(yīng)的基底膜上最佳反應(yīng)部位（即基底膜行波的波峰）附近的振動(dòng)得到加強(qiáng)。耳蝸放大器的這種工作原理在蝸隔上形成了一個(gè)“機(jī)械→電→機(jī)械”的正反饋環(huán)路，能夠有效地克服基底膜振動(dòng)的阻尼并使振動(dòng)增強(qiáng)。
從底部至頂部，基底膜的橫向?qū)挾冗f減、機(jī)械張力亦遞減，這就導(dǎo)致共振頻率自底部至頂部逐漸遞減。對(duì)人類來(lái)說(shuō)，該共振頻率的范圍約為20-20000 Hz，即人耳的正常聽(tīng)覺(jué)頻率范圍。
耳蝸內(nèi)的波傳播
毛細(xì)胞規(guī)則地分布于基底膜之上，自耳蝸底端至頂端的全長(zhǎng)范圍內(nèi)形成平行的四列。其中遠(yuǎn)離中心的三列稱為外毛細(xì)胞（OHCs），靠近耳蝸中心的一列稱為內(nèi)毛細(xì)胞（IHCs）。
l 內(nèi)毛細(xì)胞（IHCs）是感受器細(xì)胞，與若干個(gè)聽(tīng)神經(jīng)纖維形成突觸連接。負(fù)責(zé)將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為與之相連的聽(tīng)神經(jīng)纖維的動(dòng)作電位。
l 外毛細(xì)胞（OHCs）負(fù)責(zé)耳蝸內(nèi)部的機(jī)械信號(hào)增強(qiáng)。
外毛細(xì)胞的機(jī)電傳導(dǎo)
外毛細(xì)胞如何影響行波？
外毛細(xì)胞的膜電位的變化會(huì)引起胞體縱軸的快速伸長(zhǎng)及縮短運(yùn)動(dòng)，這種電誘發(fā)運(yùn)動(dòng)被稱為胞體“電致運(yùn)動(dòng)”或“電能動(dòng)性”，目前普遍認(rèn)為這是哺乳動(dòng)物內(nèi)耳具有高度的聽(tīng)覺(jué)敏感性、寬廣的動(dòng)態(tài)范圍和頻率選擇性的基礎(chǔ)。
負(fù)責(zé)外毛細(xì)胞電致運(yùn)動(dòng)的微粒子稱為快動(dòng)蛋白（prestin），是耳蝸放大效應(yīng)的分子基礎(chǔ)。外毛細(xì)胞表面每平方微米至少有6000個(gè)這樣的微粒子，目前還不清楚這些微粒子是如何與蓋膜之間進(jìn)行耦合進(jìn)而產(chǎn)生胞體電致運(yùn)動(dòng)的。這個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程速度極快，達(dá)超聲頻率。目前已知多種聽(tīng)覺(jué)障礙與外毛細(xì)胞機(jī)電傳導(dǎo)功能的損壞有著密切的關(guān)系。
這里，我們采用激光多普勒測(cè)振技術(shù)結(jié)合原子力光譜學(xué)，來(lái)研究外毛細(xì)胞的機(jī)電傳導(dǎo)過(guò)程。測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，外毛細(xì)胞電致運(yùn)動(dòng)只取決于膜電位的變化，且其運(yùn)動(dòng)頻率超過(guò)100kHz。外毛細(xì)胞的胞體是外毛細(xì)胞電致運(yùn)動(dòng)所必需的分子基礎(chǔ)，在產(chǎn)生機(jī)電響應(yīng)時(shí)幾乎沒(méi)有衰減和延時(shí)，且遠(yuǎn)高于人耳聽(tīng)力頻率限制范圍。
通過(guò)上述研究得出一種可用于生物結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測(cè)量的創(chuàng)新性辦法（頻率超過(guò)40 kHz）。該技術(shù)采用原子力微觀懸臂，在聽(tīng)覺(jué)研究領(lǐng)域外已有廣泛應(yīng)用。它還被用于研究耳蝸內(nèi)部細(xì)胞和膜結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能和生物性能。
外毛細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)測(cè)量
為進(jìn)行外毛細(xì)胞的動(dòng)態(tài)研究，將一部分外毛細(xì)胞放入一個(gè)玻璃毛細(xì)管內(nèi)（圖3）。在毛細(xì)管溶液上施加電壓(USP)，以降低外毛細(xì)胞的跨膜電位，U1和U2分別為處于毛細(xì)吸管外部的細(xì)胞膜電壓和處于吸管內(nèi)部的細(xì)胞膜電壓（圖3上)；使用原子力顯微鏡（AFL）與外毛細(xì)胞另一頂端相對(duì)，再輸入一個(gè)高阻抗機(jī)械載荷。使激光測(cè)振儀的激光束聚焦于原子力顯微鏡上，測(cè)出原子力顯微鏡的速度VAF。AFL的機(jī)械阻抗已知，通過(guò)VAFL，則可計(jì)算出胞體機(jī)電力的大小。
為測(cè)量細(xì)胞的軸向阻抗，將AFL的端部置于細(xì)胞端部（圖3下)，通過(guò)使用磁場(chǎng)可獲知加在AFL上的力的大小。通過(guò)激光測(cè)振儀得出VAFL，加上已知加在AFL上的力的大小，即可計(jì)算出毛細(xì)胞的軸向阻抗。
圖3：機(jī)電力測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置布局和微觀圖像（上）和外毛細(xì)胞的阻抗測(cè)量（下）
原子力顯微鏡的速度測(cè)試是由Polytec公司最新型號(hào)的高性能單點(diǎn)式激光測(cè)振儀完成的，測(cè)試儀主要包括OFV-505自動(dòng)聚焦式光學(xué)頭和OFV-5000高性能控制器。
結(jié)論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，獨(dú)立的外毛細(xì)胞能以接近恒定位移的振幅對(duì)基底膜的液體阻力進(jìn)行補(bǔ)償，且電致運(yùn)動(dòng)的頻率超過(guò)了耳蝸的聽(tīng)覺(jué)范圍。從這點(diǎn)來(lái)看，外毛細(xì)胞提供高頻的機(jī)電傳導(dǎo)能力，對(duì)于整個(gè)聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)行波信號(hào)增強(qiáng)放大是非常必要的。
