（动物学专业论文）甘肃鼢鼠低频适听机制研究.pdf

甘肃鼢鼠低频适听机制研究 摘要地下鼠是高度特化的哺乳动物，在感觉系统上出现一系列变化以适应地下 生活环境，在长期的地下适应过程中，地下鼠类在听觉方面出现明显的适应性进 化，总体上来看，其听觉敏感频率偏于低频，与声波在地下洞道中的传播能力相 一致。地下鼠低频适听研究的核心同样在于对其耳蜗活动机制的理解。 本研究用组织学，电生理学方法，对甘肃鼢鼠( m y o s p a l a x 埘埘) 耳蜗组织结 构、听觉毛细胞扫描观察及其听神经电生理作了研究，结果表明： 甘肃鼢鼠耳蜗结构和其它哺乳类动物耳蜗结构相似，具有典型的螺旋形构造， 共有3 5 圈，螺旋神经节清晰可见，且分为大而染色深、小而染色浅的两种类型， 从蜗底到蜗顶，螺旋神经节的数目逐渐增多。甘肃鼢鼠耳蜗中，各圈中内毛细胞 均为一捧，其上听纤毛线形排列，大约3 0 根。外毛细胞3 排，其上听纤毛4 排，每 捧大约3 0 根，每束大约1 2 0 根左右，呈弧形排列，没有明显的“w ”排列方式，而 主要呈半圆形，听纤毛由内向外逐渐增高，排列整齐，形态完整。毛细胞间隙较 小，内毛细胞顶端听纤毛较外毛细胞项端听纤毛长。o h c 之间间隙较小，同一排 之内的毛细胞间距很小，各排o h c 之间镶嵌排列，各细胞之间几乎粘连。 听性脑干反应测定d i c k 短声检测结果表明，雌性最低听阈声压水平只能达到 3 5 - + 0 5 0 d bs p l ，雄性个体为4 0 - - 4 0 0 1 d bs p l ，相同条件下根田鼠( m i c r o t u s o e c o n o m u s ) 最低听阈声压水平达到2 1 _ 4 0 6 7 d bs p l 。各单音频率刺激数据结果显示， 甘肃鼢鼠最佳听力在1 2 k h z 左右，雌性听阈声压水平为3 7 _ + 0 5 0 d b ，雄性听阈略高， 为4 0 o 8 3 d bs p l ，根田鼠最佳听力在2 4k h z 左右，最低听阈为1 9 o 1 7d b 。 低于l k h z 和高于1 6 k h z ，甘肃鼢鼠听阈声压水平均超过6 0 d bs p l ，说明甘 肃鼢鼠听觉敏感偏于中低频。 关键词：甘肃鼢鼠低频适应听性脑干反应 a u d i t o r yl o wf r e q u e n c ya d a p t a t i o no f m y o s p a l a xc a n s u s c h uz h a o c a n a b s t r a c ts u b t e r r a n e a nr o d e n t ss h o was e r i e so fc h a n g e si ns e n s eo r g a n st oa d a p tt h e u n d e r g r o u n de n v i r o n m e n t ，f o re x a m p l e ，o l f a c t i o nh i g h l ye v o l v e d ，b es e n s i t i v et ot o u c h , a n db o n e ss t r u c t u r eo ff o r e l i m b so b v i o u s l yc h a n g e di no r d e rt od i gh o l e se f f i c i e n t l y i no r d e rt of i n dt h ee v i d e n c eo fm y o s p a l a xc a n s u $ a d a p t a t i o nt ol o wf r e q u e n c y s o u n dw a v e s ，t h r e eg r o u p se x p e r i m e n t sa b o u tt h eh e a r i n ga b i l i t yo fm y o s p a l a xc a n s u $ h a v ef i n i s h e d ，w h i c ha r eh i s t o l o g i c a lr e s e a r c h ，s a n n i n ge l e c t r o nm i c o s c o p er e s e a r c ha b o u t m y o s p a l a xc a n s i i $ c o c h l e a , a n dt h em e a s u r eo fa u d i t o r yb r a i n s t e mr e s p o n s ea b o u t m y o s p a l a xc a n s u s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o c h l e as t r u c t u r e sb e t w e e nm y o s p a l a xc a n m 惦a n do t h e r m a m m a l sa r es i m i l a r , i ta l s oh a v eat y p i c a ls c r e w ys t r u c t u r e ，a n di th a v et h r e ep o i n tf i v e c i r c l e sa g g r e g a t e l y t h eh e l i xg a n g l i o n sa r ec l e a r , w h i c hi n c l u d eb i gd e e p l yd y e dc e l l s a n ds m a l ls h a l l o w l yd y e dc e l l s ，f r o mt h eb o t t o mt ot h et o po ft h ec o c h l e a , t h en u m b e ro f t h eh e l i xg a n g l i o n sg r a d u a l l yi n c r e a s e s t i s s u et r e a t e dw i t hs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , i nm y o s p a l a xc a n m l $ c o c h l e a , t h ei n n e rh a i rc e l l sa r ea r r a n g e di nal i n e ，a n dt h e r ea r ea b o u tt h i r t ys t e r e o c i l i ao nt h et o p o fi n n e rh a i rc e l l s ，t h e ya r ea r r a n g e di nl i n e a r o u t e rh a i rc e l l sa r ea r r a n g e di nt h r e er o w s , t h e r ea r ea b o u tf o u rr o w ss t e r e o c i l i ao ne v e r yo u t e rh a i rc e l l ，a n dt h e r ea r ea b o u tt h i r t y s t e r e o c i l i ae v e r yr o w , a b o u to n eh u n d r e da n dt w e n t ys t e r e o e i l i ae v e r yb u n d l e ，t h e ya r e a r r a n g e dl i k ea cd on o tp r e s e n tt y p i c a l ws h a p e t h e s es t e r e o c i l i aa r r a n g e do r d e r l y , a n dt h el e n g t ho ft h es t e r e o c i l i ah e i g l l t e n e df r o mi n s i d et oo u t e rs i d eo ft h es t e r c o c i l i a b u n d l eg r a d u a l l y t h es p a c eb e t w e e no u t e rh a i rc e l l si ss m a l la n do u t e rh a kc e l l si n d i f f e r e n tr o w sa r r a n g e di n l a i d d u r i n ga u d i t o r yb r a i n s t e mr e s p o n s ep r o c e s s ，t h er e s u l to fc l i c ks t i m u l a t es h o wt h a t t h el o w e s ta u d i t o r yt h r e s h o l do ff e m a l em y o s p a l a x c a n m a t $ o n l yr e a c h3 5 + _ 5 d bs p la n d t h em a l e4 0 + _ s d bs p lu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n , t h el o w e s ta u d i t o r yt h r e s h o l do f m i c r o t u so e c o n o m u sc 卸r e a c h2 1 _ + 0 6 7 d bs p l r e s u l t so fs i n g l ef r e q u e n c i e ss t i m u l a t e s h o wt h a tt h eb e s ts o u n dw a v e sf o rm y o s p a l a xc 口，坫琊a r ea r o u n d1 2k h z t h el o w e s t a u d i t o r yt h r e s h o l do ff e m a l em y o s p a l a xc a n s u $ r e a c h3 7 _ + 0 5 d bs p i a n dt h em a l e 4 0 o 0 d bs p lt h eb e s ts o u n dw a v e sf o rm i c r o t u so e c o n o m u s8 f i ea r o u n d2 4 k h z ，t h e l o w e s ta u d i t o r yt h r e s h o l do f m i e r o t u so e c o n o m u sr e a c h1 9 _ - - 。- 0 1 7d bs p l w a v e sb e l o w1k h zo rh i g h e rt h a n1 6k h z ，t h ea u d i t o r yt h r e s h o l do fm y o s p a l a x c a n $ u 哼o v e r r u n6 0 d bs p lw h i c hs h o wt h a tt h ea u d i t o r ys e n s i t i v ew a v e so fm y o s p a l a x c a f i s u $ f o c u so nm e d i a la n dl o wf r e q u e n c i e s k e yw o r d s ：m y o s p a l a xc a n s u ，l o wf r e q u e n c ya d a p t a t i o n ，a u d i t o r yb r a i n s t e mr e s p o n s e m 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：i 连垒召纽归日期：塑! z ：乒 学位论文使用授权声明 本人同意研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学。本人保证毕业离校后，发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西 师范大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文 的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆、院系资料室被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 作者签名：i ! 壅! ! 丝幻日期 即7g 。够 第一部分听觉机制及地下鼠低频适听研究进展 听觉研究的核心问题之一是耳蜗活动机制的研究。对其研究经历了三个主要 的时期。即上个世纪四十年代晚期以前h e l m h o t z 的轻减振、空间定位机械共振执 行频谱分析学说；四十年代晚期到七十年代早期，v o nb ：k 6 s y 的行波学说；七十 年代和八十年代早期建立的耳蜗放大器学说。经过半个多世纪的发展，目前较为 公认的学说是在行波学说基础上建立的耳蜗放大器学说，该学说的观点主要在于 耳蜗具备频率调谐和放大作用i l 】。 在进行半个多世纪的形态学研究，提出一系列假设之后，现在的研究已经深 入到分子水平1 2 1 ，主要在于探讨耳蜗毛细胞( 1 l e 盯c e l l ，h c ) 的换能机制。关键问题在 于阐述听纤毛上的离子通道问题，以期望对h c 换能机制做出科学解释。 哺乳动物耳蜗在结构基础上大致相同，地下鼠( s u b t e r r a n e a nr o d e n t s ) 低频适听 研究的核心同样在于对其耳蜗活动机制的理解。在长期的地下适应过程中，地下 鼠类在听觉方面出现明显的适应性进化，总体上来看，其听觉敏感频率偏于低频， 与声波在地下洞道中的传播能力相一致。声学传播研究表明：0 5 k h z 左右的声波 在地下鼠洞道中的传播距离5 m ；高频声波易被洞壁吸收，大于0 5 k h z 的声波传 播距离仅一 2 m i ”。鼹形鼠类的求偶鸣声就在0 5 k h z 左右，这和其生活的环境声学 物理性质是一致的。 地下鼠是一类高度特化的动物，其生活的地下环境缺乏刺激源，例如黑暗、 低氧、声波不易传播等等。地下鼠类在感觉系统上出现一系列变化以适应地下生 活环境，例如嗅觉极为发达，触觉灵敏，前肢骨骼构造发生大幅度变化利于挖掘 洞道等。声信号是地下鼠类赖以通讯的主要载体之一，地下鼠类听觉在声频选择 方面偏向于低频波段，在声频选择上与地面鼠类的差异性，国内外学者对此进行 了大量的研究。 本文将从听觉机制研究、地下鼠类耳蜗解剖学基础研究、地下鼠震动通讯研 究、声频频谱分析研究等几个方面进行综述。以期望对听觉系统研究提供一些基 础资料。 1 听觉机制研究 1 1 耳蜗解剖学基础研究 1 1 1 耳蜗的一般结构 耳蜗是结构复杂、高度分化的器官，由一条骨性管道围绕一个锥形骨轴盘旋 而成，耳蜗管由前庭膜和基底膜将其分为3 个腔，分别为前庭阶、鼓阶和蜗管( 中 阶) 。前庭阶在耳蜗底部与卵圆窗相连，鼓阶则与圆窗相接，两者在蜗顶通过蜗 孔相通，腔内都充满外淋巴，蜗管是一条盲管，其中充满内淋巴1 4 j 。 1 i 2 柯蒂氏器官 柯蒂氏器官是耳蜗基底膜上的复杂构造，靠近蜗轴一侧有1 排内毛细胞( i n n e r h a i rc e l l ，i h c ) ，外侧有3 5 排外毛细胞( o u t e rh a i rc e l l ，o h c ) ，均呈纵向排列1 5 j 。 内h c 完全由支持细胞围绕，o h c 仅在其项部由网状板支持，其底部由d e i t e r s 细胞 支持。两种h c 在形态学上也有明显差异o h c 呈细长圆柱状，从耳蜗底部到顶部 细胞逐渐增长；i h c 体积较大，从蜗底到蜗顶，细胞长度没有明显的增长现象。 每一个h c 的顶部，有排列整齐的听纤毛。i h c 顶部听纤毛排成一排；o h c 顶 部听纤毛数量较多，一般排列成3 至4 排，排列成“w ”状，并由内向外依次增长。 研究表明o h c 上听纤毛最高处与盖膜相接触，i h c 听纤毛不与盖膜相接处。盖膜在 内侧连耳蜗轴，外侧游离在内淋巴中。支配耳蜗的听神经从骨质螺旋板通过僵孔 进入柯蒂氏器i “。 1 2 听纤毛显微亚显微结构 1 2 1 听纤毛 h c 项部的听纤毛是h c 膜的指状突起。m c 上的听纤毛一般较少，只排列成 一行，o h c 上的听纤毛数量较多，一般可以达到上百根，并且由内向外排列成3 4 排，长度逐排增加。整个纤毛束形成“w ”型，开口向蜗轴方向。除前庭外，哺 乳动物耳蜗h c 的动纤毛在种系发育中消失，其基体仍存。静纤毛排列成行，长度 向动纤毛或基体方向逐渐增加。 耳蜗受声刺激时，h c 对其特征性频率反应最大。单个h c 记录显示，特征性 频率沿耳蜗从低到高有系统性差异。耳蜗纤毛束的长度也有系统性差异，高频区 的纤毛束长度最短，向低频区逐渐变长，这种差异使之在整个耳蜗的机械共振中 成为一个完整的组份。 1 2 2 听纤毛间细胞外连接 哺乳动物听纤毛束内的听纤毛之间具有一些细胞外结构相联系，相邻听纤毛 之间至少有以下三种联系方式：维系听纤毛束完整性的侧连接、纤细的顶端连接 和h c 最高静纤毛的顶端形成环形结构与盖膜相接触的附着连接桥m 。这些连接使 听纤毛形成一个整体，当盖膜剪切纤毛束使其偏转时，听纤毛可以从最外层到最 内层( 由高到低) 依次感觉到剪切力的存在。h c 换能的弹簧门控模型便是基于听 纤毛间的这些连接基础上提出的。 目前，国内外对基底连接和侧连接的研究不是很充分，主要研究方向在顶端 连接( t i p 1 i n k s ) 上并得到令人惊羡的成果。对顶端连接的研究是一项很复杂的工作， 曾出现相互抵触的研究结果。 2 有学者认为：顶端连接是一种细胞外物质，这种细胞表面间相互连接的一种 细丝成分未知，但其控制着听觉h c 的力敏感机械换能通道是肯定的。用钙螫合剂 和镧处理后，它们从听纤毛束上消失，但是在枯草芽孢杆菌蛋白酶处理下不会降 解。从杂种瘤中分离筛选出的一种单克隆抗体可以特异识别顶端连接耦合的一种 新异抗原顶端连接抗原。这种抗原也和动纤毛连接相联合，非哺乳动物耳蜗 中敏感于钙螯合蛋剂而抗枯草杆菌蛋白酶的细丝将静纤毛连接到纤毛束最高的动 纤毛上【8 1 。 最近的研究结果也的确表明，顶端连接和内耳感觉纤毛束动纤毛连接具有相 似的性质和具有相同的抗原决定部位，钙粘着蛋白2 3 可能也是这两种类型连接的 成分。单宁酸处理鸟类耳蜗纤毛束静纤毛顶端连接和动纤毛连接，结果显示在两 种类型连接中均出现一条1 5 0 2 0 0 n m 长，8 1l n m 厚的细线状物质，利用成像傅立 叶分析显示，两种连接中的细线状的物质都是由两种细丝盘绕成，形成轴向周期 大约为2 0 2 5 n m 的螺旋，每一条细丝都是由直径大约4 n m 的球状结构组成。静纤 毛顶端连接和动纤毛连接螺旋结构的半径和周期的差异在于其长度变化。静纤毛 顶端连接和动纤毛连接相似的螺旋结构与这两种连接类型共同的细胞表面抗原和 物理化学性质是一致的。两种连接类型的细丝球状结构的间距为4 3 n m 的球状钙 粘着蛋白重复结构是相似的，这暗示着钙粘着蛋白2 3 可能就是听纤毛顶端连接的 成分1 9 j 。 h c 门控的换能通道显然需要一个。门控弹簧”，一种弹性的成分把力传送到 通道，为了检测这个“门控弹簧”是不是就是顶端连接种相互连接在两根 听纤毛之间，轴向对机械力敏感的细丝。有学者在高分辨率电子显微镜下运用速 冻蚀刻技术检测了顶端连接的结构。结果发现，顶端连接是右旋的，两股细丝相 互盘绕，并在连接到比较高的听纤毛上之前通常会分叉形成分支结构；在另外一 端，通常是几根细丝分散连接在较短的听纤毛顶端。这一顶端连接的结构表明， 它不是一种螺旋状的弹性聚合体，也不是麻花状的一对高分子丝状物，而应该是 相对坚硬的和不能伸展的结构，这样的推论是和一贯认为是有弹性的弹性门控弹 簧是矛盾的，由此提出，门控弹簧应该为顶端连接的片断串联形成的无弹性聚合 体i l o l 。 听纤毛上的机械换能通道是不是和顶端连接相关? 一直认为h c 的力敏感换 能通道是直接受控于顶端连接，h c 顶端的细胞外成分形成的细丝和邻近的纤毛相 连接。如果这个假设是对的，在破坏顶端链接之后这些通道应该关闭。利用药理 学方法对从成年豚鼠耳蜗中分离的o h c 进行检测显示：用药前对其进行机械刺激， 可以获得感受器电流；运用弹性蛋白酶破坏顶端连接，导致预期的不可逆的感受 3 器电流消失。这便充分说明，h c 上的机械换能通道和听纤毛上的顶端连接是相关 的。顶端连接的消失将导致h c 机械换能功能的丧失1 1 1 j 。 1 3 听神经解剖学研究 1 3 1 耳蜗神经 解剖学结果显示，鼹形鼠( s p a l a x e h r e n b e r g ) 耳蜗核呈香蕉形结构。采用尼 氏复合染色方法可以清晰地显示出三个亚结构，从位置和细胞结构上来看，类似 于猫和大鼠的耳蜗核亚单位结构1 1 2 ，】。 一个背侧核，一个层状结构组成的背外侧核，一个梭状厚中心层包含大神经 元细胞，对尼氏染液着色灰白。一个伴有环梭状中心层着色暗淡的小细胞腹侧多 态层。一些致密的小细胞层( 颗粒细胞层) ，从背核腹侧顶端开始延伸，并覆盖腹 侧耳蜗核。腹侧耳蜗核可以进一步分成两个亚单位，前核团主要包含上述两种神 经元细胞，着色暗淡的大神经元细胞在侧面，着色灰白的大神经元细胞在其中问； 后核团混合听神经纤维包含多种细胞类型。解剖学和组织学结果均表明，鼹形鼠 耳蜗结构和哺乳动物典型耳蜗核结构是一致的。 斯氏鼢鼠( m y o s p a l a xs m i 咖i ) 的h c 同时受传入和传出两种神经元的支配，传出 神经纤维相对于传入神经纤维大且包含较多囊泡。盲鼹鼠( s p a l a x e h r e n b e r g i l 的h c 只受传入神经的支配，没有传出神经纤维。有学者估计传出神经主要是传导高频 信号，对于以感知低频信号为主的盲鼹鼠来说是不必要的。同为地下生活的斯氏 鼢鼠却同时受两种神经纤维支配，这可能是导致斯氏鼢鼠对声波的敏感范围高于 盲鼹鼠的原斟1 4 1 。 1 3 2 听觉神经通路和听觉神经中枢 听觉的传导路径比较复杂，一般包括四级神经元。第一级神经元为螺旋神经 节中的双极细胞；第二级神经元是有螺旋神经节发出传入神经纤维构成耳蜗神经， 经由延髓，到达耳蜗背核与耳蜗腹核；第三级神经元由外侧膝状体发出到达下丘、 丘脑后部内侧膝状体；第四级神经元即由内侧膝状体发出到达大脑皮层颞叶听区。 耳蜗核发出的神经纤维大部分交叉到对侧，直接或经上橄榄核第三级神经元 上升，构成外侧丘系。外侧丘系上行止于中脑四叠体的下丘及丘脑后部的内侧膝 状体。从内侧膝状体发出的神经纤维经听放射到达最高级的听觉中枢一一大脑皮 层颞叶听区；从耳蜗核发出的小部分不交叉的神经纤维到同侧上橄榄核，随同侧 外侧丘系上行。故听觉到皮层的投射为双侧性的，一侧皮层的代表区与双侧耳蜗 感觉器功能有关，当一侧大脑皮层损坏时，还能保持一定的听觉能力。不同动物 听觉皮层代表区有所差异，耳蜗不同部位的感觉传入投射到皮层听觉代表区的一 定点。比如人类听觉皮层代表区位于颞横回和颞上回( 4 1 、4 2 区) 。未发现有对不 4 同音频的分域现象。 除上述特异性听觉传导通路之外，还存在非特异性通路，它们经网状结构上 升到丘脑，再投射至皮层各区。 1 3 3 听觉的传出控制 在听觉系统中，高级中枢对低位中枢和外周感觉器官具有传出神经纤维支配 现象，在各级水平上对传入神经活动起到控制作用。橄榄耳蜗束是视传出纤维束。 其发自同侧上橄榄核和对侧橄榄副核，与前庭神经并行，然后与耳蜗神经合并， 止于h c 底部的传入末梢。听觉传出控制的存在，为听觉感受器本身功能反馈调节 提供了基础，也是耳蜗活动主动性存在的基础。 1 4 耳蜗换能机制 h c 换能机制是研究听觉机制的核心问题。近二十年来，这方面的工作取得重 要成果。实验证明h c 换能的关键是其顶部静纤毛的机械门控离子通道，频率调谐 在h c 水平已经发生，而i h c 和o h c 在声感受过程中担负的功能不尽相同，后者 具有逆向换能，即电一机换能特性，其功效更在于强化耳蜗声分析的主动机制。 1 4 1h c 换能的弹簧门控模型 上个世纪6 0 年代，h o c k 观察到，鱼的侧线器h c 上的纤毛予以人为弯曲时， h c 胞体发生电位变化，毛束向长纤毛方向弯曲，产生去极化；反向弯曲引起超极 化【1 5 1 。h u d s p e t h 等也直接观察与测量了牛蛙前庭器单个h c 的纤毛束位移与胞体 电位变化的关系，结果与h o c k 观察到的鱼类侧线器h c 类似【1 6 ，”，1 引。 大量研究过程中发现，h c 换能过程可能直接与机械门控过程相关。1 9 8 0 年代 中期，h u d s p e t h 根据h c 换能的特性及相关的形态学证据，提出了弹簧门控模型1 1 9 1 ， p i c k l e s 提出顶端连接模型。主要证据在于： 一从h c 的电变化记录中还发现，施加刺激之后的几十微秒内，它们即开始 产生电位改变，推测h c 不是通过第二信使介导来激发其换能过程，而是直接通过 机械门控离子通道在起作用。h c 换能时其顶部电场变化分析显示，换能可能发生 于静纤毛的顶端【2 l 冽。 二用电子扫描显微镜观察h c 顶部结构时，发现静纤毛顶端都有一根很细的 细胞外结构和相邻较高静纤毛相连接，其被称为顶端联接( t i pl i n k , t l ) 1 2 3 , 她2 5 】 上述两个模型均认为t l 在h c 声感受过程中起类似于弹簧门控的作用，毛束 的正向位移使得t l 被牵拉，于是张力增加，从而引起静纤毛顶端阳离子通道开放； 反之，t l 被松弛，张力下降，离子通道关闭。这些模型的实验材料来自低等脊椎动 物前庭器h c 或者侧线器h c ，鉴于不同类型的h c ：耳蜗h c 、前庭器h c 、侧线 器h c 等在结构及工作原理上的相似性及脊椎动物进化历程中h c 功能与形态上的 5 保守性，模型同样适合于解释高等动物的h c 换能机制f 硐。 1 4 2h c 换能相关离子 现已证明，与h c 换能过程相关的离子主要是c a “和k + ，c a 2 + 起关键作用， 在l ( + 电导和c a ：+ 电导的的相互影响下，h c 形成独特的振荡电流。o h c 和i h c 起 始去极化都是由来源于内淋巴的胞外k + 内流引发【2 7 , 2 8 】。 在o h c 中，k + 内流所致的去极化激活电压门控的c a “电导，从而促使侧膜上 c a 2 + 敏感的k + 通道开放；在i h c 上至少存在两种类型的电压门控k + 电导以及在突 触区还存在的一种电压敏感的c a 2 + 电导。与h c 顶部静纤毛离子通道不同，h c 胞 体膜表现出对离子的选择通透性。 1 4 3 0 h c 和m c 的换能差异 i h c 和o h c 在换能过程中都在静纤毛处发生机械能电能转换。大量研究结果 显示，i h c 与o h c 在形态结构和生物物理特性方面存在较大差异： 1 4 3 1 形态学方面的差异 内o h c 形状有异，顶部听纤毛的排列方式有较大差别，i h c 顶部听纤毛较少， 只排列成一排；o h c 顶端听纤毛数量较多，排列成3 4 排，并呈“w ”型。m c 胞体与静纤毛从耳蜗底部至耳蜗顶部，长度均逐渐增加，o h c 仅其上静纤毛长度 逐步增加。另外，i h c 顶部静纤毛静息时不和盖膜接触，o h c 顶部静纤毛静息时， 最高处嵌入盖膜中。 1 4 3 2 神经分布方面的差异 约9 5 的传入纤维起自i h c ，5 左右的传入纤维起自o h c ( 蝙蝠为1 叽2 0 左 右1 ，i h c 与传入纤维呈辐散式联系，o h c 为会聚式联系。 内侧橄榄耳蜗系统，直接支配同侧和对侧o h c ，并具有对侧优势；边侧橄榄 耳蜗系统，主要支配同侧i h c 。o h c 主要传入低频纤维，i h c 和0 h c 的区别是同 时传入低频和高频纤维【2 9 , 3 0 , 3 1 , 3 2 3 3 l 。 1 4 3 3 矢量敏感性反面的差异 i h c 敏感性高于o h c ，前者主要对盖膜位移速率变化有所反应，后者主要对 盖膜位移量大小较为敏感。另外o h c 具有逆向换能特性，i h c 不具备这样的性质。 1 4 4h c 纤毛束换能通道的位置及其依据 机械电换能通道可能是一种膜的内在蛋白，其在听纤毛上的具体位置尚 存在较大的差别。 1 4 4 1 生理学依据 从生理学证据角度上来看，h u s p e t h 和其同事们的实验结果显示，换能通道位 于静纤毛顶端。牛蛙球囊h c 纤毛束周围的电流测量显示，最大朝向是纤毛顶端而 6 不是底部。应用c a 2 + 显示剂f l u o - 3 的实验结果表明，当静纤毛偏斜时c a 2 + 出入于 其顶端。局部使用通道阻滞剂，对换能影响最大的是静纤毛的顶端。 o h m o r i 认为通道位于静纤毛的踝区，因为在静纤毛偏斜时，c a 2 + 的显示剂 f u r a 一2 的荧光出现变化部位发生在踝区。 1 4 4 2 解剖学依据 从解剖学证据方面来讲，静纤毛由精细的细胞外微丝连接在一起，这些微丝 将每根纤毛与其周圈的六根纤毛呈网状地联系在一起。 这个结构使仅仅作用于一点的力就能造成静纤毛束作为一个整体单位的偏 斜。当纤毛束偏斜时拽开离子通道，细胞外的连接物可直接参与机械换能，或与 换能有密切的关系。g o o d y e a r 和r i c h a r d s o n 用单克隆抗体标记出鸡内耳h c 侧边 而非顶端连接物的抗原为2 7 5 k d 蛋白。提示静纤毛剪切运动会产生垂直方向的力， 以开启换能通道，这个功能由顶端连接执行。说明可能执行换能的通道在听纤毛 的侧面。 1 4 4 3 免疫化学依据 免疫化学定位显示，抗体也标记了静纤毛的顶端，但结合于最高的或较矮的 静纤毛顶端，未结合于顶端连接的附着点，而是在与相邻的纤毛密切接触处。 顶端连接可能仍然执行其一个重要功能，防止纤毛束过度偏斜。所有细胞外 联系的功能是保证纤毛束作为一个整体而移动，使尽可能多的换能通道在任一时 间状态相同( 开放或关闭) 。顶端连接的假说近于完善，但免疫细胞化学和结构上 的观察表明，除顶端连接末端外可能另有换能通道的位置，以及其他可能的通道 开放和适应的机制。只有当这些观察结果一致时，顶端连接才会是h u d s p e t h 模型 中门控弹簧唯一可能的形式。 1 5o h c 主动运动机制 近十几年来，对o h c 研究表明，o h c 具有主动运动的特性。o h c 能动性分为 快运动与慢运动两种，快运动频率在声波范围，受膜电位驱动，与耳蜗的主动放 大机制有关；慢运动受胞内c a 2 + 调控，对耳蜗机械一电换能过程起调制作用，在病 理状态下具保护功能p ”。 研究表明，听h c 受机械刺激后产生钙波，钙信号具有不均匀性，o h c 的钙依 赖慢运动表现为细胞伸长，细胞缩短则在胞内游离钙浓度升高或保持于静态基准 浓度时均可发生i 蚓。 在声电刺激时，耳蜗o h c 具有与刺激频率相同的快速主动运动过程，o h c 的伸缩运动产生的推力，足够使基底膜( b a s a lm e m b r a n e ，b m ) 产生振动，产生行 波，行波可沿b m 顺向传向蜗顶和逆向传到卵圆窗和圆窗，再沿听骨链传到鼓膜， 7 在外耳道产生声压，能检测到其产生的耳声发射和耳声发射的畸变产物。这种o h c 的主动运动是耳蜗对声波的精细感觉和频率选择的基础，与b c k 6 s y 的学说有本质 的区别，从而奠定了现代听力学和听觉电生理学的基础，是对听觉研究的极大推 进，具有重要理论意义和广泛应用前景。 1 9 8 5 年b r o w n e l l 观察到单离的o h c 具有显著的主动运动效应p ”，在细胞外 用交流电刺激可导致o h c 伸长和收缩，这种运动可在光镜下观察到。1 9 8 7 年 a s h m o r e 用膜片钳铺片记录技术( p a t c hr e c o r d i n gt e c h n i q u e ) 观察到o h c 在高频和低 频区具有细胞膜电位超极化伸长和去极化缩短运动，伸展运动频率达4 0 k h z t 3 s l 。 证明单离o h c 具有快速运动反应。1 9 8 9 年b r u n d i n 用声刺激单离o h c ，无论何 种频率和强度的声刺激，均有获得o h c 运动反应的“函数曲线”1 3 】，证明o h c 的 运动对耳蜗c o r t i 器的频率选择有放大作用。1 9 9 6 年w i t 发现o h c 约在7 k i - l z 仍 出现5 0 u s 的搏动反应，并出现临界调谐振动的锐减。通过大量的离体h c 机械特 性研究，很多学者肯定了耳蜗基底膜的微机械力来源于o h c 的主动运动，o h c 的主动运动能放大耳蜗对声电刺激的频率选择，以提高听锐度。 自1 9 9 0 年r e u t e r 和z e r m e r 发明单离豚鼠耳蜗技术【3 9 】，给耳蜗外加电刺激测 定o h c 运动反应以来。众多单离h c 机械性能研究均表明：o h c 主动运动仅在刺 激频率部位发生，o h c 主动运动产生的力，推动b m 产生横向和放射状运动，可 在特征颇率部位产生最大兴奋，对声音调谐具有放大作用。 1 9 9 3 年n u t t a l l 和d o l l a n 发现交流电或者直流电刺激可引起耳蜗b m 的振铃运 动i 帅j 。同年m a m m a n 等在离体耳蜗也证实了电刺激可诱发b m 运动。1 9 9 5 年x u e 、 n n t t a l l t 等在活体耳蜗证实了电流诱发的耳蜗b m 振动的动力来源于o h c 收缩和 伸展运动1 4 ”。1 9 9 5 年n u t t a l l 和r e n 用正电极在鼓阶引起o h c 的超极化细胞伸长， 使b m 产生行波，其动力来源于o h c 的运动，结果使耳蜗液体传播压力造成b m 和c o r t i 器组织结构的联合运动【4 2 j 。这被认为是电听觉和耳声发射的基础。他们还 发现耳蜗内通入直流电可改变声诱发的b m 振动幅度和速度。当前庭阶为正电压， 鼓阶为负电压时，可使声诱发的b m 振动幅度提高，反之则抑制。说明o h c 的电 压依赖性主动运动提高了耳蜗机械一一电调谐的灵敏度和分辨力，并有助于控制 耳蜗放大增益，这与h c 的超极化伸长和去极化缩短的结果一致。 用电刺激诱发耳声发射( e e o e ) 及电诱发耳声发射的畸变产物( d p e e o e ) 研究 o h c 的主动运动机制，这个过程诱发的b m 振动完全是由于o h c 主动运动产生 的b m 机械作用。电刺激诱发b m 振动相当于用声刺激诱发的b m 振动，能更直 接地说明耳蜗h c 的主动运动特性，后者有声波推动外淋巴液引起的机械力对b m 的直接推动作用。1 9 8 3 年h u b b a r d 和m o u n t a i n 发现交流电刺激传导中阶有耳声发 8 射，若将电信号和声信号混合刺激，记录到畸变产物耳声发射1 4 3 j 。同年m o u n t a i n 研究了蜗内电刺激诱发的耳声发射，正式采用电诱发耳声发射( c e e o e ) 术语。并提 出耳蜗的电一一机械转换是e e o e 的源动力。1 9 8 8 年l u s t e d 和s i m m o n s 采用“电 神经反应”( e l e c t r o n e u r a lr e s p o n s e ) 名称描述电流直接刺激传入神经产生听觉，1 9 9 0 年r i s b e r g 用“电声听觉”( e l e e t r o p h o n i c ) 名称描述与o h c 有关的反应。1 9 9 4 年 l ( i r k 和y a t e s 观察到电刺激产生o h c 运动，结果产生行波，这些行波仍会产生听 力。1 9 9 5 年n u t t a l l 和r e n 将这种由电刺激产生的听力定义为“电动听力” ( e l e c t r o m o t i l ch e a d n g ) ，是源于o h c 对电刺激产生的反应，其结果是o h c 电动性 导致在b m 上形成行波1 4 2 j 。这种行波可逆行传递到卵圆窗和圆窗，沿听骨链传到 鼓膜，在外耳道产生声压，可记录到e e o e 和d p e e o e 。 2 地下鼠类耳蜗解剖学基础研究 2 1 地下鼠类耳蜗解剖学结构特征 在解剖学和形态学方面，地下鼠类和地面鼠类都具有较大的差异，例如鼹形 鼠属和隐鼠属啮齿类和实验大鼠相比较，实验大鼠的耳蜗结构相对扁平，并只有 2 2 5 回。在已测量过的地下鼠类中，它们的耳蜗中骨迷路和膜迷路更加卷曲并且 相对更长，例如鼹形鼠属的啮齿类耳蜗有3 5 回，隐鼠属啮齿类的耳蜗具有4 回。 地下鼠类耳蜗基底膜的长度比地面鼠类的稍长f 4 4 1 ，这样就使地下鼠类在听觉方面 具有选择低频波段的物理基础和生理基础。 基底膜由耳蜗底部到顶部逐渐加宽，这在大多数哺乳动物中都是类似的。声 波由空气介质传播到中耳听小骨，再传递到内耳，激起耳蜗外淋巴液振动，带动 耳蜗基底膜振动。基底膜靠近耳蜗底部分较窄，易于和较高频率的振动波发生共 振效应，基底膜越靠近蜗顶越宽，易于和较低频率的振动波发生共振效应，这个 过程中，振动波形的分布由耳蜗底部向顶部出现频率分化，从而动物可以感知不 同频率声音。这与隐鼠( c r y p t o m y s h o t t e n t o l u s ) 基底膜上可表现出0 1 - 1 3 k h z 的频 率范围，大鼠的基底膜上可以反映的频率范围在1 - 6 0 k h z 范围之内是一致的1 4 5 1 。 在大鼠耳蜗顶部基底膜最宽处相当于鼹形鼠和隐鼠耳蜗底部四分之一回处的宽 度，并且这两种地下鼠的基底膜长度大约有5 0 宽度没有变化的特征，类似于蝙 蝠【4 6 】。这可能是长期对地下环境适应得结果，地下鼠类的生活环境大致相似，洞 道上方土层对外界环境中的声波滤过性使到达洞道中的声波频率出现单一现象， 以及地下鼠类在声讯通讯过程中使用的声波波段简单等因素所致。隐鼠耳蜗螺旋 中心细胞密度相对于其他哺乳动物较低1 4 2 】。 斯氏鼢鼠分布于秦岭山区，营严格的地下生活。该地理环境下洞道限制了高频 声波的传导，而有利于低频声波的传导，最有效的传导声波频率是0 5 k h z 以下，这个 9 范围接近盲鼹鼠和甘肃鼢鼠( m y o s p a l ac a n s u s ) 求偶时的呼叫声频。 盲鼹鼠的听力图表明它可感知到的声波的频率范围是o 0 2 1 0 k h z 。最敏感范 围是0 5 l k h z ，这个范围目前是哺乳类中已知最低的。曾有学者对盲鼹鼠耳蜗的形 态进行研究后发现，在长期的地下洞道生活中，其耳蜗呈现一种特殊的结构，从蜗 底到蜗顶分成两个亚系统，其中基底部与其他地面鼠类无异，而在顶部发现许多 特殊特征，如细胞液体间隙窄，基底膜宽度几乎不变，出现多达6 排的o h c ，并 且o h c 上的听纤毛不排成典型的“w ”模式等” r l 。斯氏鼢鼠和盲鼹鼠的生活环境 相似，在进化适应过程中具有趋同现象 2 2 地下鼠类听觉h c 及其特点 听觉h c 是动物赖以将声学信号转换为电信号的结构基础。在已研究过的地下 鼠类中，鼹形鼠耳蜗i h c 的大小、形状和神经支配方面与其他哺乳类动物类似i o h c 的形状在一些特征上和大多数其他哺乳类动物有差异，表现在大小，听纤毛 的组织形式，细胞体的形状，细胞间液，神经支配模式等。相较于适听高频声波 的类哺乳动物，鼹形鼠耳蜗中，o h c 上的昕纤毛排数有所增加，达到五排【删。在 鼹形鼠中存在的这种现象，说明鼹形鼠不是严格的地下鼠类，正处于向营严格地 下生活的鼠类进化，因为进化中的哺乳动物耳蜗o h c 往往拥有较多的听纤毛排数 1 4 9 1 o 另外鼹形鼠耳蜗底部h c 听纤毛较长，这可能就是用于降低高频刺激部位的反 应能力。并且o h c 长度和其听纤毛数量沿着蜗管上行逐渐增加【朔。对鼹形鼠、隐 鼠和囊鼠( g e o m y sb u r s a r i u s ) 这三种地下鼠的研究，结果显示，这三种地下啮齿 类听觉频率范围仅在0 1 1 5 k h z 之间，最敏感频率范围在o 5 2 k h z 之间，最大声压 也仅为2 0 - 3 0 d bs p l 4 7 , 观5 1 l 。充分说明地下鼠类在听觉方面具有适应低频的现象。 这与它们耳蜗o h c 的一些特征是相符合的。 斯氏鼢鼠蜗底的o h c 有3 排，胞体呈柱形，每个细胞顶部听纤毛数量约为 1 弘2 0 根，其长度从内侧到外侧递增。相邻o h c 顶部由网板相连，蜗管基部的i h c 为1 排，胞体呈上细下粗的流线型，比o h c 大，核相对较小，位于细胞底部，周 围的支持细胞将其紧密包围。每个m c 顶部也有一簇听纤毛，高度从内侧到外侧 递增，但平均长度大于0 h c 的听纤毛。近蜗顶的蜗管上的o h c 和m c 形状十分 相似，为上细下粗的流线型。蜗顶最上方的半圈蜗管上没有o h c ，i h c 为2 排， 形状与其它i h c 相同。 3 地下鼠震动通讯研究 h e t h 和r a d o 分别在室内人工模拟洞道和野外自然洞道中，采集到了鼹形鼠用 头敲击洞壁产生的震