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耳鸣的神经生理机制James A.Kaltenbach摘要：经过十多年的研究，我们已对耳鸣相关的错误声感觉的神经机制有了一些新的认识。过去的研究主要包括检测脑活动变化的神经生理研究和检测由公认的耳鸣诱发因素水杨酸盐、奎宁及强声引起的动物感知变化的行为学研究。神经电生理结果显示耳鸣与听觉系统的自发性神经活动失调有关，表现为自发性活动增强（过度活动）、神经放电的时间特性变化和神经元短簇放电活动增强。另有平行实验表明如果某因素能使动物产生以上神经活动变化，那么行为学检测发现动物亦有耳鸣。本文综述了耳鸣动物模型的行为学证据及其外周和中枢听觉系统水平发生的相关变化。过去十多年间，人们对耳鸣生理基础的研究兴趣呈指数性增长，这也反映人们对工业国家耳鸣发病的关注增高。在这些国家，耳鸣已成为旷工和看耳鼻咽喉科门诊的最主要原因之一。由于我们对耳鸣病理所知不多，所以现在大多数耳鸣的治疗效果有限。不过由于近来的神经生理研究极大扩展了我们对耳鸣病理及其发生机制的认识，极可能在不久的将来为耳鸣治疗提供新的途径。本文的目的是对前期耳鸣机制神经生理学研究成果作一个总结。我们采用水杨酸盐、奎宁及噪声分别诱发的耳鸣动物模型来鉴别和定位听觉系统特定功能改变。这种类型的研究表明，三种因素都让动物听觉系统表现出如同对某种真实声音的反应一样的改变，进一步行为学测试表明动物受这些因素作用后确实发生了耳鸣。本文总结了这些行为学研究并回顾了相应的神经生理学文献。耳鸣行为学模型分别用水杨酸盐、奎宁及强声三种致耳鸣因素建立了耳鸣行为模型，可以用来研究急性耳鸣（快速发作，持续几分钟或几小时）和慢性耳鸣（最少持续几天）。水杨酸盐、奎宁分别诱发耳鸣行为学模型研究 在临床，水杨酸钠或奎宁治疗数小时到几天后出现耳鸣，感觉为高音调（7到9kHz）单音或窄带噪声。通常在治疗停止数小时到几天后耳鸣逐渐消失。高剂量水杨酸钠或奎宁诱发的耳鸣经常伴发听力损失，不过耳鸣一般先于听力损失。 有一些研究表明大剂量水杨酸钠（350mg/kg ）注射后，动物出现耳鸣。在大鼠中已利用巴甫洛夫条件抑制示例进行了相应实验研究，详情参照Jastreboff 1988年的文章。这些结果表明水杨酸钠在大鼠中诱发的耳鸣无论是心理物理特性还是时程都与其在临床上诱发的耳鸣相似。水杨酸钠注射后一到两天后出现可测量的高调耳鸣，随着治疗剂量和持续时间的增加，耳鸣变得越来越严重。Jastreboff在1991年提出奎宁也能诱发大鼠耳鸣。这种耳鸣的时程和剂量依赖性与水杨酸钠诱发的耳鸣相似，而且还能被钙通道抑制剂尼莫地平逆转。强声诱发耳鸣的行为学模型研究强噪声作用是最常被谈起的耳鸣原因。噪声诱发的耳鸣特征通常表现为高音调（匹配频率从1.5到8kHz），慢性噪声诱发的耳鸣患者通常也有永久性听力损失。噪声作用的情况下，区分急慢性耳鸣很重要，因为有些强声特别是中等强度的爆炸声会很快引起耳鸣，但持续时间很短，从几秒钟到几天不等，可能发展为慢性耳鸣，但要视对象的噪声暴露史而定。事实上，临床大多数噪声诱发的耳鸣本质上都是慢性耳鸣，持续几个月到几年。慢性噪声诱发的耳鸣患者经常记不起耳鸣的开始时间而感觉是一个慢性发作过程，在几周到几年时间内逐渐加重。到现在为止，没有行为学研究正式报告动物在噪声作用后发生耳鸣。但几个实验室建立了急性和慢性噪声诱发的行为学模型，并报道了初步结果。这里我们介绍Heffner和Kaltenbach对强声诱发的慢性耳鸣动物进行的测试。过程描述如下：声作用前，对仓鼠进行几个星期的区分条件声音有无的训练，动物区分能力通过舔吸行为差异显示。当条件声出现时，训练动物持续舔吸水管，而当条件声消失，训练动物不再舔吸水管，这样前期训练才算完成。接着，动物被分为两组，一组经强声作用（125dPSPL，10kHz，4h），一组则没有。五天后，两组动物都进行耳鸣测试。测试过程与训练过程相似，只是在训练过程中不再出现条件声。正常组在没有声音出现时会像训练时表现一样不舔吸水管。然而，作用组在强声暴露开始后5天没有声出现时仍然持续舔吸水管，好象它们仍可听到条件声一样。换句话说，它们表现出感觉到了耳鸣的行为。在大鼠中也进行了相同预备实验，结果类似。该类实验现进展到测量被诱发的耳鸣的响度和音调的程度。这类模型促进了鉴别慢性耳鸣听觉系统神经生理学变化的实验研究，下面将会谈到。耳鸣神经生理学模型尽管耳鸣普遍是以耳中的响声被关注，对做过听神经横断术的耳鸣患者的临床研究指出其病理基础可以是外周或中枢源性。通常做过听神经横断术的耳鸣患者约3080%仍能感觉到耳鸣，其中很多病人甚至感觉更差。另外，耳鸣主要是听觉失调，但临床上经常出现非听觉系统继发症状。非听觉系统在耳鸣中所起作用已有报道。本文主要讨论听觉系统在耳鸣中的作用，并按内耳、听神经和中枢处理功能异常的顺序行文。耳鸣外周机制内毛细胞功能异常 因为内毛细胞在传入神经传递中扮演重要角色，所以已成为几种耳鸣模型的研究重点。其中一种认为内毛细胞生理改变是耳鸣感应的触发机制。该模型始于耳蜗机械损伤或血供改变引起的耳蜗功能紊乱，接着引起毛细胞生物物理特性变化导致离子通透性增加，触发毛细胞基极中的自发性神经递质释放增加。该递质过度释放导致听神经纤维连接过度活动。 采用化学试剂干预毛细胞化学神经传递得到的实验结果支持上述模型。谷氨酸盐被认为是毛细胞神经递质，它的释放增加听神经纤维活动水平。谷氨酸盐与听神经纤维突触后膜的联系能被caravorine或谷氨酸乙二基酯阻断。这两种试剂据报道都能拮抗耳毒性和临床某些耳鸣的。这种保护效应可能就是抑制谷氨酸盐对听神经的兴奋。还有证据支持这种观点，另一种谷氨酸盐拮抗剂memantine被注射到豚鼠耳蜗中后， 也有降低听神经纤维自发活动的作用。目前并没有menmantine能抑制耳鸣的报道。外毛细胞功能异常 外毛细胞被认为能通过能量依赖的主动过程放大声音从而提高内耳的听敏感性。外毛细胞是电能动性细胞，能通过收缩和振动影响柯替器的机械特性。这些振动以很低强度声被耳蜗以耳声发射的形式发射出耳蜗，该低声可以被置于耳道的非常灵敏的麦克风测量，并在有耳鸣和无耳鸣的人群中得到广泛研究。平均28%的男人和56%的女人在没有外界声刺激的情况下可检测到耳声发射，这被称为自发性耳声发射。不过能用自发性耳声发射解释的耳鸣的出现比例很小，不到整个耳鸣人群的10%。这种耳鸣与自发性耳声发射的联系前期已有综述，包括以下几条：（1）耳鸣音调与自发性耳声发射的频谱成分相关，（2）阿司匹林抑制耳声发射同时使耳鸣不能被听到，（3）掩蔽耳鸣也能消除自发性耳声发射，（4）掩蔽耳鸣的等掩蔽曲线与自发性耳声发射的频率调谐特性相似。尽管Powers等人作过相关研究，自发性耳声发射产生耳鸣的机制还不清楚。他们用强声作用在两只灰鼠身上诱发出强的自发性耳声发射，发现诱发的自发性耳声发射与听神经纤维自发性活动增加有关。受影响的听神经纤维有异常高反应阈并且其调谐频率接近于自发性耳声发射的频率，这表明它们来自于耳蜗中机械振动增强的部位。组织学分析并没有发现相应耳蜗部位明显的内毛细胞损失。其中一只动物的自发性耳声发射被水杨酸钠逆转，同时增加的自发性活动也被逆转，作者据此认为自发性活动增加极可能与自发性耳声发射有联系，并且可能是内毛细胞活动增强的结果。在临床自发性耳声发射相关的耳鸣很少或许与在人耳中正常情况下观察到的自发性耳声发射幅值太低有关。听神经功能异常颅神经受压是几种神经系统疾病如单侧面痉挛、三叉神经痛和失能性位置性眩晕的常见原因。Moller等人和Janetta发现第八颅神经受压是产生耳鸣的重要因素。其主要证据是40%接受了外科脉管减压手术的耳鸣患者耳鸣不是有了极大改善就是完全消失了。若一个患者耳鸣时间不长，此手术的效果最好。若耳鸣时间较长如超过两年，则此手术效果不佳。 血管压迫导致耳鸣的生理基础目前并不清楚。Moller提出耳鸣感应的中枢机制假说：神经压迫减弱听神经纤维活动，致使正常外周传入中枢听核团降低。正常兴奋性传入冲动降低使这些核团的特定神经元免受抑制从而表现出过度活动。很多患者在减压术后仍感觉到耳鸣的结果提示关键是中枢已发生变化，有两例患者甚至在听神经被切断后仍能感觉到耳鸣。为什么长期耳鸣接受减压术后效果不如短期耳鸣患者。Moller等人认为中枢听觉系统通过可塑性变化来适应改变了的外周传入冲动导致慢性且更难被逆转的过度活动。这种假设符合先前耳蜗切除断绝第八颅神经传入冲动从而导致中枢听觉结构可塑性发生变化的结果。耳鸣中枢机制自发性活动增加声音被公认为是听觉系统中通过神经放电率增加的信号，耳鸣声音可能来自背景或自发性活动的病理性增加。研究人员在众多动物模型中采用电生理技术，在临床上则采用脑成像技术对该假设已经进行了多次检验。水杨酸钠实验Evans等人首次通过实验将自发活动改变与耳鸣联系起来。他们报道：在高剂量水杨酸钠（400mg/kg）注射的猫的部分听神经自发性放电率增加，受影响的神经单位用药前有高的自发放电率且调谐频率为高频。他们提出受影响神经元的高频选择性可能就是水杨酸钠诱发耳鸣高调性的原因。重复上述实验却得出了不同结果，现在看来部分原因可能是水杨酸钠的剂量不同。用低到中等剂量水杨酸钠（200mg/kg）注射豚鼠或猫时，第八颅神经的平均自发放电率并无明显差异，但当剂量加到400mg/kg，豚鼠自发性放电率增加。鸽子耳蜗灌注大剂量水杨酸钠时亦发现其自发性放电率轻度增加。Chen和Jatreboff实验发现大剂量水杨酸钠引起许多毒性反应包括体温、呼吸和脑电图变化等，他们因此对高剂量水杨酸钠诱发自发活动增加的说法提出质疑。但近来Mulheran和Evans实验显示水杨酸钠注射后，即使豚鼠体温、血压和呼吸末梢二氧化碳都保持恒定，豚鼠听神经自发活动仍增加。越来越多的实验表明即使不会引起普遍毒性的剂量的水杨酸钠对中枢也有强烈作用。Kauer等人1982年首先发现了极高剂量的水杨酸钠引起豚鼠听觉脑干核团代谢增加。近期的研究更关注下丘，发现中等剂量的水杨酸钠（200mg/kg）即可对下丘产生巨大影响，水杨酸钠注射两到三个小时内，单神经单位平均自发性放电率即比注射前增加了两到三倍，调谐频率为高频的神经单位的活动增加最为剧烈。这种活动增加的几个方面表明与耳鸣有重要神经关联：（1）引起放电率增加的水杨酸钠的剂量（200mg/ kg）是先前报道的能诱发大鼠耳鸣而没有毒副作用的剂量范围（150mg/kg到300mg/kg）内。（2）主要在调谐频率为10kHz到16kHz的神经单位发现活动增加，这个范围与实验得出的水杨酸钠在大鼠和人身上诱发的耳鸣为高调性一致。（3）活动增加可通过补充钙质或利多卡因逆转，已知它们能在短时间内减弱耳鸣。水杨酸钠注射后人们体验到的恼人声音感觉提示诱发耳鸣一定与听皮层水平的的结构 有关。Eggermont等人的研究结果也支持这一观点。他们比较了水杨酸钠对三个不同听皮层的影响，即初级听皮层，次级听皮层和前听区，结论是初级听皮层和前听层平均自发放电率下降而次级听皮层平均自发放电率上升。次级听皮层中主要是那些调谐频率为高频的神经单位（10KHz到16KHz）放电率上升，与下丘的实验结果一致，这提示次级听皮层活动增加可能源于皮层下听核团如下丘甚至更低水平的核团。然而，次级听皮层的变化也可能是水杨酸钠针对外侧丘系通道广泛作用后的皮层表现。Eggermont和Sininger在1995年的文章里讨论了这些可能性。奎宁实验 自发放电活动增加与耳鸣有重要关联的观点得到奎宁实验结果的进一步证实：奎宁也是耳鸣诱发剂，实验发现它也能诱发自发活动增加。尽管奎宁和水杨酸钠有不同的作用模式，但两者诱发的耳鸣都是高音调且都被匹配为窄带噪声或单音。现在已在听神经和听皮层水平研究了奎宁对自发放电率的影响。在听神经水平，奎宁影响了具有高或低自发放电率的纤维的组成分布，具有低自发放电率的纤维比例明显增加。体外实验还发现奎宁能增加螺旋神经节细胞动作电位持续时间，尽管该作用与耳鸣的关系目前尚不清楚，但动作电位的延长可增加空间和时间总和的可能性，因此导致突触后神经元的活动增强，也可以预料会导致中枢核团过度活动。尽管以上假说并未得到检验，但奎宁注射后确实观查到了听皮层的自发活动改变。在猫身上检测了这些效应，许多方面与水杨酸钠作用相似。在大鼠身上奎宁引起次级听皮层平均自发放电率增加而初级听皮层和前听区平均自发放电率下降。强声实验尽管噪声暴露是最常见的引起耳鸣的原因，但探讨其机制的动物模型较晚才有文献报道。早期试图用电生理学方法研究慢性噪声诱发的耳鸣模型，但结果令人失望。在听神经水平的研究表明噪声暴露短程会引起活动不明显变化（Van Heusden和Svmoorenhurg，1983），长程会引起活动下降（Liberman和Kiang，1978）。暴露后即使有活动增加，不是增加程度微弱（Salvi和Ahroon，1983），就是仅发生在一小部分听神经纤维且在暴露几分钟后恢复Alder，1978。这使有些研究者推测耳鸣本质上并不是自发性活动增加的结果，而是耳蜗中正常活性和低活性部分活动之间差异程度所产生的神经边缘效应（Liberman和Kiang，1978）。现在很清楚噪声诱发的耳鸣有很重要的中枢成分。已在仓鼠和大鼠背侧耳蜗核发现了强声诱发的过度活动Kaltenbach和McCaslin，1996；Zhang和Kaltenbach，1998）。强声作用（125-130dP SPL ，10kHz，4h）一个月后，背侧耳蜗核大部分都发现了过度活动，增加强度通常是对照组水平的三到十倍，作用声频率在背侧耳蜗核对应的区域增加强度最高。过度活动的有一个特点，它的增加强度依赖于动物检测时距噪声作用后的时间长短。噪声作用两天后，检测不出明显的过度活动，五天后则可检测出明显过度活动。噪声作用后几个月内过度活动程度仍持续缓慢加重。背侧耳蜗核过度活动与耳鸣的关系已利用耳鸣动物的电生理记录进行研究。初步研究结果显示背侧耳蜗核活动水平与耳鸣存在证据的说服力程度相关，在动物身上找到的最高强度背侧耳蜗核活动性是动物耳鸣最强有力的证据，而低水平的活动性的动物耳鸣证据也不足，没有噪声作用的动物的活动性最低，没有任何耳鸣存在证据。以上关系暗示背侧耳蜗核活动水平不仅可衡量耳鸣的存在与否，还可作为耳鸣严重程度的指标。由于噪声诱发的耳鸣是一种意识感觉，它很可能与背侧耳蜗核及更高级的中枢有关。Salvi的资料支持这观点。他研究发现灰鼠经噪声作用后，下丘自发性活动增加。Gerken等人比较猫噪声作用前后的脑电活动得出相似发现。下丘活动性增加一种可能解释是背侧耳蜗核发生的过度活动的传递。临床研究 某些患者能通过特定躯体感觉或动作行为来调节他们耳鸣的响度。这些患者能通过诸于改变眼的凝视方向、咬紧牙关或对上肢的特定部位施压等动作随意使耳鸣开始或增强。当具有调节耳鸣能力的单侧耳鸣患者作演示时，研究者用现代成像技术对进行检测得到重大发现。正电子放射体层成像得到的脑影像显示：当测试者使耳鸣开始后，听皮层的代谢活动增加。同样，功能性磁共振成像显示：当耳鸣开始后，其对侧的听皮层血流增加，这种活动增加的起源不明，皮层下的下丘血流也有增加。Levine提出假设：活动增加可能源于背侧耳蜗核，因为该结构接受听觉和躯体感觉的传入冲动，且主要输出投射到对侧下丘。时间放电模式的变化短簇放电增加 多年以来，研究者就知道诱发耳鸣的药物作用后会改变听神经元的时间特性。其中之一就是连续神经脉冲之间的时间发生改变。通常没有外界刺激的情况下，大多数听神经脉冲是不规律或准规律的形式。但在有外界刺激情况之下，神经脉冲变得高度有规律，连续脉冲间的时间间隔一致。这些一致性产生了神经放电模式中周期性，该周期性来源于针对刺激波形的周期变化产生的同步冲动,即所谓锁相性，并在听觉系统低频声（5kHz）的编码中起重要作用。无论是用水杨酸钠或用噪声注射动物，亦或是与梅尼埃病相关的内淋巴束积水，都能诱发类似锁相的周期。短簇放电发生率增加即在规律间隔几毫秒内出现两个或更多脉冲。水杨酸钠和噪声作用后在听神经和下丘均观察到短簇放电。可能包含短簇放电的规律放电模式被大脑以一种与注射表现锁相特点的规律放电相似的注射方式进行解释，因而导致耳鸣。短簇放电怎样导致耳鸣的意识感觉仍是个疑问，因为使用水杨酸钠或奎宁在初级和次级听皮层发现短簇放电发生率均未改变，问题是水杨酸钠或奎宁诱发的耳鸣一般匹配频率在7-9kHz间，这一频率范围大大超过先前认为的听觉系统5kHz的锁相上限。并发性放电另一种耳鸣产生理论基于听觉系统通过神经放电的并发率增加来编码声音。根据此观点，在没有刺激时，不同神经元各自放电，并不同步；但有刺激时，不同神经元之间同步放电。如此类比，如果一些病理情况增加了两个或更多神经元间同步放电强度，有可能产生耳鸣。既然同步放电是神经元正常特性，那么耳鸣产生必须包括同一听觉结构或不同神经结构的神经元同步放电强度增加。Eggermont等人对猫听皮层的研究结果支持上述理论。他们用交叉相关分析方法测量了神经元的同步程度，该方法可以量化在某些随意构成时间内两个同时记录到的神经元一致性放电倍数。两神经元间活动强相关在交叉相关直方图上显示为一中央峰，该峰越高越窄说明两神经元间活动相关性越好即同步放电程度越高。用此方法，他们发现水杨酸钠或奎宁注射后一致性放电的配对神经元数目并无增加，但是在交叉相关直方图上两药都引起中央峰变窄，说明它们活动的同步程度增加。上述皮层同步放电是源于皮层本身还是自皮层下核团传入的变化呢？目前还没有直接的研究报告诱发耳鸣因素注射后的听觉系统外周和脑干水平的同步放电情况。然而基于自听神经记录的电活动平均谱研究可能提供外周水平的同步放电改变的情况，Cazal和Huang认为该电活动的频谱峰幅值的变化是神经同步程度变化的结果，理由是假如神经放电更加同步，频谱中有同步发生的放电频率对应频谱成分应该表现为幅值增加。Martin等人将总电极置于圆窗或听神经上，水杨酸钠注射猫和人后马上记录到听神经自发性活动平均谱增加。一次但是高剂量的水杨酸钠注射猫后，出现一个新的 200Hz的峰，原有的1.7kHz的峰下降。这些变化能被利多卡因逆转，并且类似于耳鸣患者发生的变化。Cazal等人（1998年）利用耳蜗神经活动平均谱技术比较了水杨酸钠对听神经的急慢性作用。平均谱中200Hz和1KHz处有明显改变，与Martin（1995年）、Schreiner和Snyder（1987年）发现相符。改变的幅度和方向依赖于水杨酸钠的作用时间，几个小时的作用引起频谱幅值降低，几天到几周的长程作用引起频谱幅值上升。1kHz的频谱幅值在三个星期的水杨酸钠作用后上升至最大值。本谱中几个方面的的变化使他们认为该平均谱变化与耳鸣相关： 平均谱变化伴随听反应阈变化（复合动作电位测得），这与临床上水杨酸钠诱发的耳鸣经常不伴有听力损失相符。（2）平均谱变化能被抗耳鸣制剂利多卡因逆转。（3）正常动物声刺激后出现类似的平均谱变化，说明水杨酸钠对听神经的作用模拟了声刺激效应。（4）平均谱变化的时程发展与人和大鼠被水杨酸钠诱发的耳鸣时程发展相似。以上这些方面说明平均谱方法可能提供一个客观有效的耳鸣检测途径，或至少是提供了与耳鸣紧密联系的神经现象。声音频率投射图改变近年来另一个研究热点是中枢听觉结构声音频率投射图分布的改变与耳鸣的关系。声音频率投射分布是指听觉核团或听皮层区域的细胞根据其频率选择性有规律的排列。神经元频率选择性是指一个神经元仅对有限频率范围有反应能力且对但个频率响度最敏感，称为特征频率。通常，脑的听觉结构是按空间顺序排列的，所以高特征频率的神经元位于结构的一端，低特征频率的神经元位于另一端，中间频率的神经元则位于中央。该声音频率投射规律反映了耳蜗中所建立的频率构成。正常听皮层的声音频率投射图，每一个测听范围内的频率由一狭窄的细胞条带代表。但是当传入到这些条带之一受损或减弱，该条带附近的条带会扩张接管受损条带的职责。声音频率投射图发生重组，受损条带旁的条带区域将会扩大，分析自受损条带边缘区域所代表的频率。耳蜗损伤后，确实观察到有些中枢听觉系统的结构发生重组，如猫和豚鼠的听皮层和下丘。耳蜗损伤后的中枢听皮层的重组模式类似于肢体功能丧失后躯体感觉皮层的重组。作过肢体切除患者普遍感觉到来自已切除的肢体的疼痛，即幻肢痛，某种程度上讲幻肢痛就是躯体感觉系统的“耳鸣”。临床磁共振成像研究发现耳鸣患者声音频率投射图发生重组。这一改变被描述为代表耳鸣频率的皮层区域转移到了原