耳蜗核心区纵向振动的发现：活性机制驱动的听觉新机制

《JARO-JOURNAL OF THE ASSOCIATION FOR RESEARCH IN OTOLARYNGOLOGY》：Longitudinal Vibrations in the Organ of Corti are Limited to Its Core

本研究通过光学相干断层扫描技术，首次在活体沙鼠耳蜗中耳蜗器官（organ of Corti, ooC）核心区（外毛细胞、Deiters细胞及Corti隧道）观测到声诱发纵向振动。该振动具有频率和强度非依赖性，但依赖于耳蜗代谢状态（死后消失），提示其源于外毛细胞（OHC）活性过程。这一发现为理解哺乳动物听觉灵敏度和选择性的机械基础提供了新视角，对耳蜗力学模型构建具有重要意义。

　　

听觉是人类感知世界的重要通道，而耳蜗作为听觉的核心器官，其内部机械运动机制一直是听觉研究领域的焦点。传统观点认为，声波在耳蜗内主要通过基底膜（basilar membrane, BM）的横向振动进行传播，形成行波（traveling wave），从而实现频率分析。然而，近年来随着光学相干断层扫描（optical coherence tomography, OCT）等先进技术的应用，研究人员发现耳蜗器官（organ of Corti, ooC）内的振动模式远比想象中复杂，不仅存在横向振动，还存在显著的径向和纵向振动成分。这些三维振动模式对理解耳蜗卓越的灵敏度、频率选择性和动态范围至关重要，但其产生机制和功能意义尚不完全清楚。特别是纵向（即沿耳蜗蜗轴方向）振动的存在、空间分布及其与耳蜗活性（active process）的关系，是当前耳蜗力学研究的前沿问题。

为了深入探究耳蜗内纵向振动的特性，Sebastiaan W. F. Meenderink、Marcel van der Heijden和Wei Dong等研究人员在《JARO-JOURNAL OF THE ASSOCIATION FOR RESEARCH IN OTOLARYNGOLOGY》上发表了题为“Longitudinal Vibrations in the Organ of Corti are Limited to Its Core”的研究论文。该研究利用OCT技术，在活体沙鼠耳蜗中回（second turn）精确测量了声诱发振动，旨在确定纵向振动在ooC中的具体发生区域，并探讨其与耳蜗健康状态（如声损伤、代谢状态）的关系。

研究人员开展此项研究主要运用了几个关键技术方法：研究使用成年蒙古沙鼠（M. unguiculatus）作为实验对象，其左耳蜗通过手术暴露但不破坏结构。采用光谱域OCT系统（Thorlabs Telesto III）进行成像和振动测量（vibrometry），能够以高空间分辨率（轴向深度信息通过傅里叶分析获得）可视化耳蜗内部结构并测量纳米级振动。声刺激采用多音复合刺激（multitone stimulus，"zwuis" tone complexes，包含27个频率成分，0.4-4.4 kHz），以同时评估多个频率的响应。通过记录沿耳蜗频率拓扑轴（tonotopic axis）上多个紧密相邻（间距20 μm）位置的径向相位振动图（phase vibrometry maps），并利用耳蜗自然曲率改变OCT测量光束与纵向运动方向之间的“视角”（viewing angle），从而识别纵向运动的存在（其特征为相位随视角符号改变而发生180°翻转）。数据分析时，振动响应相位均归一化至对应位置和频率的BM相位，以消除行波传播延迟的影响。此外，还通过声暴露（106 dB SPL纯音）诱导耳蜗损伤，并比较了健康、损伤及死后耳蜗的振动响应差异。

研究结果

相位响应曲线揭示视角依赖性相位翻转

通过对BM、OHC区域和外侧腔（lateral compartment, LC）的相位-频率曲线分析发现，BM的相位响应主要反映行波延迟。而OHC区域的相位响应在归一化至BM相位后，显示出明显的双模态分布：当视角（viewing angle）为负值时（对应于更靠近耳蜗底的位置），OHC运动领先BM约0.25周期；当视角为正值时（更靠近耳蜗顶的位置），OHC运动滞后BM约0.25周期，在视角接近0°时发生约0.5周期（180°）的相位跳变。这种相位随视角符号改变而翻转的现象是存在显著纵向运动的典型特征。相比之下，LC区域的相位相对于BM保持恒定，未表现出类似的视角依赖性。

纵向相位振动图确认相位翻转模式

在沿OHC水平的纵向切面（longitudinal section）的相位振动图中，归一化至BM相位后，OHC区域在不同频率下均显示出相似的相位模式，该模式随视角变化而改变，表现为明显的相位翻转。而在通过BM的纵向切面中，相位随视角和频率的变化很小，缺乏相位翻转。

径向相位振动图定位纵向振动于ooC核心

通过在25个频率拓扑位置记录的径向相位振动图（归一化至BM相位）发现，每个位置的相位模式在不同刺激频率下表现出高度相似性，即相对BM的相位模式具有频率非依赖性。为了精确定位相位翻转发生的解剖区域，研究人员对来自不同拓扑位置的B扫描（B-scans）和相位图进行了空间对齐（spatial alignment），将弯曲的耳蜗结构“拉直”。分析特定像素的相位随视角的变化证实，相位翻转（即纵向运动）仅发生在OHC区域。通过进一步平均负视角和正视角下的相位图并计算其差值，得到了相位差图（phase difference map）。结果显示，相位翻转区域（相位差接近0.5周期）严格局限于Deiters细胞、OHC基底部以及Corti隧道，即ooC的“核心”（core）区域，而BM和LC区域则被排除在外。

生理状态影响：声损伤不改变而死后消失

通过比较仅使用两个相反视角位置的简化方法，研究人员评估了刺激强度和耳蜗健康状况对相位翻转的影响。在健康耳蜗中，ooC核心区的相位翻转现象在不同刺激强度（50 dB SPL/成分至30 dB SPL/成分）下均稳定存在。即使经过声暴露导致耳蜗灵敏度显著下降（通过畸变产物耳声发射DPOAEs和BM/OHC增益曲线变化证实），相位翻转模式在受损耳蜗中依然存在。然而，在动物死亡后，相位翻转现象完全消失，ooC内部运动大多与BM同相。

结论与讨论

本研究的主要结论是，耳蜗内声诱发的纵向振动明确存在，且其空间分布具有高度特异性，仅限于ooC的核心区域（OHC、Deiters细胞和Corti隧道）。该纵向振动具有频率非依赖性和强度非依赖性的特点，但其存在严格依赖于耳蜗的代谢活性（死后消失），而对中度声损伤表现出一定的鲁棒性。这些特征强烈提示纵向振动源于OHC的活性过程。

讨论部分重点阐释了纵向振动产生的可能机制及其意义。首先，干涉测量技术（如OCT）只能测量运动在测量光束方向上的投影，相位翻转是判断存在垂直于光束方向运动的关键证据。研究人员通过严谨的对照分析（如归一化至BM相位以消除行波延迟影响、评估相位泄漏（phase-leakage）潜在影响等），排除了多种潜在误差来源，确认了观测到的相位翻转确实反映了真实的纵向运动。

关于纵向运动的起源，研究人员提出了两种可能解释。第一种源于耳蜗流体动力学。所有流体波都存在椭圆形的质点运动，纵向运动与横向运动的比例取决于流体的有效深度与波长之比（λ/2π）。然而，观测到的纵向运动占主导地位（相位翻转极为突兀）提示有效深度非常小（约λ/2π的1/20或更小，即约20 μm），这远小于ooC核心区到耳蜗骨壁的实际距离（>100 μm）。更重要的是，相位翻转的代谢依赖性（死后立即消失）表明，提供有效刚性边界的可能是ooC自身，其刚度可能受OHC的调节控制。这与之前提出的OHC通过调节ooC机械特性影响振动模式的观点一致。

第二种可能机制是OHC的周期-by-周期反馈（cycle-by-cycle feedback）引起ooC横截面积变化，从而驱动耳蜗淋巴液（cortilymph）优先沿基-顶方向流动，产生纵向运动或耦合。ooC核心区独特的Y形结构（Deiters细胞的指突向顶侧倾斜，而其支撑的OHC向基侧倾斜）可能为这种定向流动提供了结构基础。然而，声损伤后相位翻转依然存在的结果，使得周期-by-周期反馈作为主要驱动力的解释面临挑战，除非残留的OHC功能仍足以产生显著的纵向运动。这有待未来通过更彻底消除OHC功能（如药理学方法）的实验来验证。

无论具体机制如何，本研究确凿地证明了在活体耳蜗中，纵向运动的幅度可能超过横向/径向运动。这一发现对解读以往基于单维度测量的耳蜗力学数据提出了重要警示，因为测量到的结构间相位差异可能源于运动方向的差异，而非平行于测量光束运动的真实领先或滞后。总之，该研究不仅揭示了耳蜗核心区纵向振动这一基本现象，更重要的是将其与耳蜗的活性过程联系起来，为深入理解哺乳动物听觉灵敏度和频率选择性的机械基础开辟了新的研究方向。无论是作为耳蜗放大等核心机制的伴随现象，还是其本身参与调控机械特性或刺激内毛细胞束，纵向运动都无疑是耳蜗复杂力学图景中一个不可或缺的关键组成部分。