南方蓝鳍金枪鱼（Thunnus maccoyii）内耳功能形态学：中上层环境听觉适应的结构基础

《Journal of Comparative Neurology》：Functional Morphology of the Inner Ear of Southern Bluefin Tuna, Thunnus maccoyii (Scombridae, Teleostei): Adaptations for Hearing Within a Pelagic Environment

　　

摘要专业翻译 硬骨鱼类（Teleostei）的内耳结构具有高度多样性，这反映了听觉在每种鱼类生态位中的声音探测、平衡维持及社会交流方面所发挥的关键作用。然而，目前对大型中上层硬骨鱼类内耳形态学的了解极为有限。本研究采用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）和磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）技术，对南方蓝鳍金枪鱼（Thunnus maccoyii）内耳的功能形态学进行了系统研究，并对其三个耳石终器（球囊、听壶和椭圆囊）的听觉感觉上皮（听斑，maculae）进行了详细分析。研究结果表明，T. maccoyii 的内耳被致密的耳囊（otic capsules）、软骨样半规管所包裹，左右球囊之间存在约35°（偏离中线）的耳间夹角。毛细胞类型呈异质性分布，具有较长动纤毛（kinocilium）的毛细胞类型分布于听斑外周，而具有较短动纤毛的毛细胞类型则集中于听斑中央区域。球囊听斑内存在六组取向相对的毛细胞群，每组相对取向的毛细胞群分别由第八对脑神经（VIIIth cranial nerve）的不同分支支配。球囊、听壶和椭圆囊的平均毛细胞密度分别为20,400、39,300和36,400 mm?2。听壶和椭圆囊的听斑仅被其上方覆盖的耳石部分覆盖。上述发现增进了对中上层硬骨鱼类内耳形态适应的理解，并强调了对这些物种听觉系统结构与功能关系开展进一步研究的必要性。

论文解读

一、研究背景与科学问题

金枪鱼类（Thunnus属）是全球最具经济价值且面临商业和休闲渔业巨大捕捞压力的硬骨鱼类类群之一。凭借其生理学和水动力学适应、区域性内温（regional endothermy）以及冷适应心血管系统，这些大型中上层硬骨鱼类得以占据从海洋表层到中层（微光层）的广阔地理分布范围，并成为海洋顶级捕食者。然而，尽管金枪鱼具有重要的经济和生态意义，学界对其如何利用感觉系统引导行为并在三维开放海洋栖息地中导航知之甚少。

以往对金枪鱼的研究主要集中于视觉系统，因为其具有发达的眼睛和视顶盖。然而，光在水柱中被强烈吸收和散射，即使在清澈、光照良好的海洋水域中也会显著限制对猎物、捕食者和同类的视觉探测。因此，成功在开放环境中导航需要多种感觉的整合，包括视觉、化学和声学线索的协同探测。

水下声音由任何浸没物体的运动或振动产生，包含两个不可分割但性质不同的组成部分：声粒子运动（sound particle motion）和声压（sound pressure）。粒子运动具有大小和方向，代表声音的矢量（方向性）成分；声压则作用于所有方向，代表声音的标量成分。这两种成分通过不同的解剖通路被鱼类感知，对于鱼类听觉至关重要。

粒子运动直接由内耳中的耳石终器检测。鱼类内耳通常由三个半规管和三个耳石终器（球囊saccule、听壶lagena和椭圆囊utricle）组成，前者检测前庭信号，后者检测声学信号。每个耳石终器是一个膜质囊袋，包含致密的钙质耳石、覆盖大量机械感受毛细胞的感觉上皮（听斑）以及连接两者的耳石膜。由于鱼类软组织密度与周围介质相同，软组织（包括听斑）随声波的粒子运动来回移动，而致密的耳石则滞后。耳石与下方听斑之间的相对运动使毛细胞的纤毛束弯曲，从而实现对声粒子运动的检测。

然而，粒子运动检测面临一个关键挑战——180°模糊问题。由于粒子运动的往复特性，毛细胞不仅沿声波传播方向被偏转，也会沿相反方向被偏转。因此，虽然耳石终器能准确捕获声音传播的轴，但无法分辨声音沿该轴传播的方向。检测声压需要两个解剖条件：充气腔室（如鳔）以及充气腔室与内耳之间的紧密连接。通过比较粒子运动直接刺激和声压间接刺激，鱼类可以辨别声音传播方向并解决180°模糊问题。能够检测声压的物种被称为“听觉特化者”（hearing specialists），而缺乏鳔或鳔未与内耳物理耦合的物种则被称为“听觉普通者”（hearing generalists）。

金枪鱼除少数物种外均具有鳔，但尚未见其鳔与内耳之间存在直接连接或紧密接近的报道。此前仅有两个金枪鱼物种的内耳形态被研究过：鲣鱼（Katsuwonus pelamis）和蓝鳍金枪鱼（Thunnus thynnus）。两者的球囊毛细胞均呈“标准”取向模式，该模式通常与“听觉普通者”相关联。行为学测量显示，金枪鱼的最敏感频率为400–500 Hz，听觉范围不超过1 kHz。综合形态学和行为学证据，金枪鱼很可能属于“听觉普通者”。然而，仅有两个物种被研究过，且仅蓝鳍金枪鱼的毛细胞密度被量化过。因此，为更好地理解听觉在金枪鱼中的意义，有必要研究其他物种的内耳以建立结构与功能之间的联系，尤其是在对活体动物进行行为和电生理实验极为困难的情况下。

二、研究内容与主要技术方法

本研究旨在对南方蓝鳍金枪鱼（Thunnus maccoyii）的内耳进行定性和定量研究，涵盖大体形态、听斑解剖以及毛细胞的丰度、分布、特征、取向和神经支配，并探讨这些结果与中上层环境听觉适应的关系。研究样本来源于澳大利亚维多利亚州巴斯海峡（Bass Strait）由休闲渔民捕获并捐赠的六尾幼鱼（叉长92–100 cm，体重15–20 kg）和三尾成鱼（叉长152–190 cm，体重70–122 kg），在维多利亚渔业管理局研究许可（Research Permit #1447）下获得。

研究人员采用的主要技术方法包括：使用立体显微镜对内耳大体形态进行拍照和形态计量测量；使用扫描电子显微镜（SEM）对听斑进行高倍成像，以量化毛细胞数量、密度、类型和取向；使用Python自定义脚本生成等密度等高线图以可视化毛细胞密度和类型的分布模式；使用磁共振成像（MRI）检查球囊和听壶在神经颅内的原位形态和取向。

三、研究结果

3.1 内耳大体形态

南方蓝鳍金枪鱼的内耳紧邻并位于大脑外侧，占据了颅腔容积的很大部分。三个半规管相互正交并连接至各自的壶腹。最上方的终器椭圆囊连接前壶腹和水平壶腹，构成内耳上部（pars superior）；下部内耳（pars inferior）由球囊和听壶组成，两者前后相连，位于后脑腹外侧。内耳被致密的耳囊和脂肪组织紧密包裹，膜迷路与耳囊内壁之间几乎没有空隙。下半部内耳被硬化的骨化组织紧密包围，形成紧凑的腔室。该腔室并不完全平行于鱼体的正中矢状面，其前部偏离中线约35°，后部逐渐变为平行于中线。磁共振成像证实了这种原位取向：球囊前部偏离中线，球囊后部和听壶平行于中线。左右球囊之间的距离从后部（6 mm）到前部（11 mm）几乎翻倍。半规管发达，成熟个体的半规管呈软骨样。水平半规管最长，其次为前半规管和后半规管。三个耳石终器均为厚膜质囊袋，分别包裹矢耳石（sagitta）、星耳石（asteriscus）和微耳石（lapillus）。

3.2 耳石形态

矢耳石呈长形，前部高度逐渐变细，表面覆盖复杂的突起。星耳石呈新月形，宽度向腹端逐渐变细。微耳石呈“银杏叶”形，背侧表面相对光滑，而面向感觉上皮的腹侧表面覆盖着不同高度的明显突起。矢耳石的大小随鱼体增大而增长，成熟个体的矢耳石约为幼鱼的两倍。矢耳石内侧表面附着一层凝胶状物质，经高倍SEM确认其为具有多孔网状结构的耳石膜，毛细胞嵌入孔内。球囊的耳石膜完美嵌入矢耳石的听沟（sulcus acusticus）中，听沟约占矢耳石内侧表面的45%。听沟开口类型为口端型（ostial），边缘类型为古沟型（archaesulcoid）。值得注意的是，与矢耳石完全覆盖耳石膜不同，星耳石和微耳石仅部分覆盖各自的耳石膜：星耳石约覆盖70%的听壶耳石膜面积，微耳石仅覆盖约30%的椭圆囊耳石膜面积。

3.3 感觉上皮与毛细胞取向

球囊听斑呈长形，是三个上皮中最大的，平均面积为10.9 ± 0.8 mm2。听斑前部的纤毛束形成前后（水平）轴，背半部取向朝后、腹半部取向朝前；听斑后部形成前背-后腹（对角）轴；连接前后部的狭窄中间区域形成背腹（垂直）轴。因此，球囊听斑的毛细胞以六个方向（即三组相对取向）排列，将听斑分为六个独立分区。水平组约占听斑总面积和毛细胞总数的41%，对角组约占54%，垂直组约占5%。第八对脑神经的三个独立分支分别支配球囊听斑的三个相对取向毛细胞群所在区域。

听壶听斑呈新月形，是三个上皮中最小的，平均面积为4.5 ± 0.4 mm2。听壶具有一组相对取向的毛细胞群，纤毛束的取向平行于上皮最近的边缘，随着上皮弯曲而相应变化。因此，尽管只有一组相对取向，听壶的毛细胞实际上覆盖了水平、垂直和对角轴。背侧毛细胞群约占听壶总面积和毛细胞总数的46%，腹侧群约占54%。仅有一条第八对脑神经分支支配听壶。与星耳石覆盖区域对比显示，主要未被覆盖的是水平取向的毛细胞及部分背向和前背向取向的毛细胞。

椭圆囊听斑呈碗形，具有一个向外侧水平壶腹方向突出的尾状突起（lacinia），平均面积为7.6 ± 0.6 mm2。椭圆囊中两组毛细胞面对面排列：听斑内侧部分毛细胞面向外侧，外侧部分毛细胞面向内侧。外侧群约占听斑总面积的48%和毛细胞总数的55%，内侧群约占52%和45%。微耳石主要覆盖面向外侧的内侧毛细胞群，而lacinia中的长纤毛毛细胞大部分未被覆盖。

3.4 毛细胞类型与密度分布

在所有听斑中，依据Popper的分类标准鉴定出三种毛细胞类型（F1、F2和F3），它们在感觉上皮不同区域的密度各异。

球囊中，F1型毛细胞具有最短的动纤毛（1.8 μm），结构不对称性最弱，以低密度（12,900 ± 700 mm^?2）独占听斑中央宽阔区域（约占听斑面积的76.6%）。F2型毛细胞具有最长的动纤毛（6 μm）和最短的阶梯状静纤毛，结构不对称性最强。F3型毛细胞具有长动纤毛（5 μm）和与动纤毛长度相当的静纤毛。F2和F3型毛细胞以高密度（45,000 ± 2,000 mm^?2）独占听斑外周约500 μm宽的狭窄区域（约占23%）。球囊平均毛细胞总数为220,849个，平均密度为20,400 mm^?2，是三个听斑中最低的。随着鱼体从152 cm增长到176 cm，球囊毛细胞总数增加约25%，听斑面积增加约27%，但密度保持不变。

听壶中，毛细胞类型分布模式与球囊相似：F2型（动纤毛长度7–8 μm）分布于外周，F1型（动纤毛长度3–4 μm）分布于中央，F3型（动纤毛长度5 μm）占据两者之间的中间区域。高密度（外周）区域与低密度（中央）区域的面积比为45:55。听壶平均毛细胞总数为207,184个，平均密度为39,300 mm^?2，是三个听斑中最高的。未被星耳石覆盖的主要是具有长动纤毛的毛细胞（F2和F3型）。

椭圆囊中，F2型毛细胞（动纤毛长度13–19 μm）以高密度覆盖尾状突起lacinia并沿外侧外周边缘向前延伸；F3型毛细胞（动纤毛长度5–8 μm）位于F2型内侧，主要存在于lacinia和听斑前内侧；F1型毛细胞（动纤毛长度4 μm）占据中央区域和内侧外周。高密度区域与低密度区域的面积比为64.5:35.5。椭圆囊平均毛细胞总数为315,863个，平均密度为36,400 mm^?2。微耳石主要覆盖内侧区域的短F1型毛细胞，而lacinia和外侧外周的F2和F3型长纤毛毛细胞大部分未被覆盖。所有三个听斑在毛细胞数量和取向上均表现出强烈的左右对称性。

四、讨论与结论

这是首次对南方蓝鳍金枪鱼内耳形态进行的研究。其半规管和终器的一些形态特征、球囊与听壶的前后连接、三个终器的相对大小以及听壶和椭圆囊的毛细胞取向模式，与蓝鳍金枪鱼和鲣鱼相似。然而，若干形态特征具有物种特异性，包括听壶和椭圆囊中耳石覆盖耳石膜的相对面积，以及具有三组不同相对毛细胞取向的独特球囊毛细胞取向模式。

研究人员认为，内耳被致密耳囊紧密包裹、膜壁增厚且呈软骨样的特征，可能为大型中上层鱼类在高速直线加速和急转弯时提供稳定性和保护，减少惯性力产生的内耳移动，确保毛细胞仅受耳石和壶腹嵴的运动刺激，避免前庭和听觉处理中的噪声干扰。这些特征可能作为整体在大型中上层鱼类中进化形成。

关于耳石膜覆盖的发现具有重要的功能意义：听壶和椭圆囊中未被耳石覆盖的耳石膜区域主要分布着具有长动纤毛的毛细胞。这种部分覆盖模式可能允许这些区域对粒子运动产生不同的响应特性，从而扩展频率响应范围或增强方向性检测能力。球囊中独特的六方向毛细胞取向模式，加上三个独立神经分支的支配，可能为方向性听觉提供更精细的空间信息编码。

研究结论指出，南方蓝鳍金枪鱼的内耳形态特征表明其可能属于“听觉普通者”，与已有的行为学证据一致。然而，其独特的球囊毛细胞取向模式和耳石部分覆盖听斑的特征提示，该物种可能存在尚未被充分认识的特殊听觉适应机制。这些发现增进了对中上层硬骨鱼类内耳形态适应的理解，并强调了对这些物种听觉系统结构与功能关系开展进一步研究的必要性。