使用激光测振仪检测人耳听力结构
随着科技的发展，内科学、分子学和生物力学等多学科密切合作相互渗透，让我们对耳蜗的结构和生理活动有了更加深入的全新认识。然而，这离我们全面掌握人耳听觉机制这个目标还很遥远。研究耳蜗内在生物信号传导是目前医学研究的主要课题。通过对内耳的生物力学研究，激光多普勒测振仪被证实是不影响测试样本的高灵敏度振动传感器。
耳朵与听力-信号处理的生物奇迹
耳朵是我们感知环境并与外界沟通的重要感官。他们实时处理各种空间信号，具有精细的频率分辨能力和极为宽广的听觉动态范围。从生物力学的角度看，耳朵是一个可以将声压转换成电信号的高度发达的声学传感器。
人耳有三部分（图1）：
l 外耳（A）包括耳廓、耳垂和耳道；
l 中耳包括鼓膜（B）和人体最小最灵活的三块听小骨（C），分别被称为锤骨、砧骨和镫骨。这些骨头通过卵圆窗将鼓膜运动传输至内耳。
l 内耳（D）包括耳蜗（听觉器官）和前庭（平衡器官）。耳蜗和前庭都浸泡在共通的内外淋巴液之中，内淋巴液的流动会刺激感觉细胞发出电波。
图1 人耳结构
听觉信号的感知，本质上取决于声波从外耳通过中耳到达内耳毛细胞的传输和转换方式。
耳蜗结构
耳蜗是呈螺旋状的锥形骨质结构（图2左侧剖面图），由三个内部充满淋巴液体的空腔组成（图2右侧）。其核心部分是柯蒂氏器，是负责听觉传到的环节。
图2：耳蜗剖面图（左）和毛细胞螺旋器（柯蒂氏器）的放大图 (右)
基底膜将蜗管和毗邻的鼓阶分开来。机械振动从镫骨传播至耳蜗，在基底膜行成一个行波，使蜗隔的上下振动从蜗底向蜗顶传至对该频率最敏感的部位。这种运动跟随声音的周期，能够产生足够大的机械力作用于基底膜上，使与刺激声频率对应的基底膜上最佳反应部位（即基底膜行波的波峰）附近的振动得到加强。耳蜗放大器的这种工作原理在蜗隔上形成了一个“机械→电→机械”的正反馈环路，能够有效地克服基底膜振动的阻尼并使振动增强。
从底部至顶部，基底膜的横向宽度递减、机械张力亦递减，这就导致共振频率自底部至顶部逐渐递减。对人类来说，该共振频率的范围约为20-20000 Hz，即人耳的正常听觉频率范围。
耳蜗内的波传播
毛细胞规则地分布于基底膜之上，自耳蜗底端至顶端的全长范围内形成平行的四列。其中远离中心的三列称为外毛细胞（OHCs），靠近耳蜗中心的一列称为内毛细胞（IHCs）。
l 内毛细胞（IHCs）是感受器细胞，与若干个听神经纤维形成突触连接。负责将机械振动转化为与之相连的听神经纤维的动作电位。
l 外毛细胞（OHCs）负责耳蜗内部的机械信号增强。
外毛细胞的机电传导
外毛细胞如何影响行波？
外毛细胞的膜电位的变化会引起胞体纵轴的快速伸长及缩短运动，这种电诱发运动被称为胞体“电致运动”或“电能动性”，目前普遍认为这是哺乳动物内耳具有高度的听觉敏感性、宽广的动态范围和频率选择性的基础。
负责外毛细胞电致运动的微粒子称为快动蛋白（prestin），是耳蜗放大效应的分子基础。外毛细胞表面每平方微米至少有6000个这样的微粒子，目前还不清楚这些微粒子是如何与盖膜之间进行耦合进而产生胞体电致运动的。这个运动过程速度极快，达超声频率。目前已知多种听觉障碍与外毛细胞机电传导功能的损坏有着密切的关系。
这里，我们采用激光多普勒测振技术结合原子力光谱学，来研究外毛细胞的机电传导过程。测试后发现，外毛细胞电致运动只取决于膜电位的变化，且其运动频率超过100kHz。外毛细胞的胞体是外毛细胞电致运动所必需的分子基础，在产生机电响应时几乎没有衰减和延时，且远高于人耳听力频率限制范围。
通过上述研究得出一种可用于生物结构力学性能测量的创新性办法（频率超过40 kHz）。该技术采用原子力微观悬臂，在听觉研究领域外已有广泛应用。它还被用于研究耳蜗内部细胞和膜结构的机械性能和生物性能。
外毛细胞的动力学测量
为进行外毛细胞的动态研究，将一部分外毛细胞放入一个玻璃毛细管内（图3）。在毛细管溶液上施加电压(USP)，以降低外毛细胞的跨膜电位，U1和U2分别为处于毛细吸管外部的细胞膜电压和处于吸管内部的细胞膜电压（图3上)；使用原子力显微镜（AFL）与外毛细胞另一顶端相对，再输入一个高阻抗机械载荷。使激光测振仪的激光束聚焦于原子力显微镜上，测出原子力显微镜的速度VAF。AFL的机械阻抗已知，通过VAFL，则可计算出胞体机电力的大小。
为测量细胞的轴向阻抗，将AFL的端部置于细胞端部（图3下)，通过使用磁场可获知加在AFL上的力的大小。通过激光测振仪得出VAFL，加上已知加在AFL上的力的大小，即可计算出毛细胞的轴向阻抗。
图3：机电力测量的实验装置布局和微观图像（上）和外毛细胞的阻抗测量（下）
原子力显微镜的速度测试是由Polytec公司最新型号的高性能单点式激光测振仪完成的，测试仪主要包括OFV-505自动聚焦式光学头和OFV-5000高性能控制器。
结论
实验结果表明，独立的外毛细胞能以接近恒定位移的振幅对基底膜的液体阻力进行补偿，且电致运动的频率超过了耳蜗的听觉范围。从这点来看，外毛细胞提供高频的机电传导能力，对于整个听觉范围内行波信号增强放大是非常必要的。
