使用激光測振儀檢測人耳聽力結構
隨著科技的發展，內科學、分子學和生物力學等多學科密切合作相互滲透，讓我們對耳蝸的結構和生理活動有了更加深入的全新認識。然而，這離我們全面掌握人耳聽覺機制這個目標還很遙遠。研究耳蝸內在生物信號傳導是目前醫學研究的主要課題。通過對內耳的生物力學研究，激光多普勒測振儀被證實是不影響測試樣本的高靈敏度振動傳感器。
耳朵與聽力-信號處理的生物奇跡
耳朵是我們感知環境并與外界溝通的重要感官。他們實時處理各種空間信號，具有精細的頻率分辨能力和極為寬廣的聽覺動態范圍。從生物力學的角度看，耳朵是一個可以將聲壓轉換成電信號的高度發達的聲學傳感器。
人耳有三部分（圖1）：
l 外耳（A）包括耳廓、耳垂和耳道；
l 中耳包括鼓膜（B）和人體最小最靈活的三塊聽小骨（C），分別被稱為錘骨、砧骨和鐙骨。這些骨頭通過卵圓窗將鼓膜運動傳輸至內耳。
l 內耳（D）包括耳蝸（聽覺器官）和前庭（平衡器官）。耳蝸和前庭都浸泡在共通的內外淋巴液之中，內淋巴液的流動會刺激感覺細胞發出電波。
圖1 人耳結構
聽覺信號的感知，本質上取決于聲波從外耳通過中耳到達內耳毛細胞的傳輸和轉換方式。
耳蝸結構
耳蝸是呈螺旋狀的錐形骨質結構（圖2左側剖面圖），由三個內部充滿淋巴液體的空腔組成（圖2右側）。其核心部分是柯蒂氏器，是負責聽覺傳到的環節。
圖2：耳蝸剖面圖（左）和毛細胞螺旋器（柯蒂氏器）的放大圖 (右)
基底膜將蝸管和毗鄰的鼓階分開來。機械振動從鐙骨傳播至耳蝸，在基底膜行成一個行波，使蝸隔的上下振動從蝸底向蝸頂傳至對該頻率最敏感的部位。這種運動跟隨聲音的周期，能夠產生足夠大的機械力作用于基底膜上，使與刺激聲頻率對應的基底膜上最佳反應部位（即基底膜行波的波峰）附近的振動得到加強。耳蝸放大器的這種工作原理在蝸隔上形成了一個“機械→電→機械”的正反饋環路，能夠有效地克服基底膜振動的阻尼并使振動增強。
從底部至頂部，基底膜的橫向寬度遞減、機械張力亦遞減，這就導致共振頻率自底部至頂部逐漸遞減。對人類來說，該共振頻率的范圍約為20-20000 Hz，即人耳的正常聽覺頻率范圍。
耳蝸內的波傳播
毛細胞規則地分布于基底膜之上，自耳蝸底端至頂端的全長范圍內形成平行的四列。其中遠離中心的三列稱為外毛細胞（OHCs），靠近耳蝸中心的一列稱為內毛細胞（IHCs）。
l 內毛細胞（IHCs）是感受器細胞，與若干個聽神經纖維形成突觸連接。負責將機械振動轉化為與之相連的聽神經纖維的動作電位。
l 外毛細胞（OHCs）負責耳蝸內部的機械信號增強。
外毛細胞的機電傳導
外毛細胞如何影響行波？
外毛細胞的膜電位的變化會引起胞體縱軸的快速伸長及縮短運動，這種電誘發運動被稱為胞體“電致運動”或“電能動性”，目前普遍認為這是哺乳動物內耳具有高度的聽覺敏感性、寬廣的動態范圍和頻率選擇性的基礎。
負責外毛細胞電致運動的微粒子稱為快動蛋白（prestin），是耳蝸放大效應的分子基礎。外毛細胞表面每平方微米至少有6000個這樣的微粒子，目前還不清楚這些微粒子是如何與蓋膜之間進行耦合進而產生胞體電致運動的。這個運動過程速度極快，達超聲頻率。目前已知多種聽覺障礙與外毛細胞機電傳導功能的損壞有著密切的關系。
這里，我們采用激光多普勒測振技術結合原子力光譜學，來研究外毛細胞的機電傳導過程。測試后發現，外毛細胞電致運動只取決于膜電位的變化，且其運動頻率超過100kHz。外毛細胞的胞體是外毛細胞電致運動所必需的分子基礎，在產生機電響應時幾乎沒有衰減和延時，且遠高于人耳聽力頻率限制范圍。
通過上述研究得出一種可用于生物結構力學性能測量的創新性辦法（頻率超過40 kHz）。該技術采用原子力微觀懸臂，在聽覺研究領域外已有廣泛應用。它還被用于研究耳蝸內部細胞和膜結構的機械性能和生物性能。
外毛細胞的動力學測量
為進行外毛細胞的動態研究，將一部分外毛細胞放入一個玻璃毛細管內（圖3）。在毛細管溶液上施加電壓(USP)，以降低外毛細胞的跨膜電位，U1和U2分別為處于毛細吸管外部的細胞膜電壓和處于吸管內部的細胞膜電壓（圖3上)；使用原子力顯微鏡（AFL）與外毛細胞另一頂端相對，再輸入一個高阻抗機械載荷。使激光測振儀的激光束聚焦于原子力顯微鏡上，測出原子力顯微鏡的速度VAF。AFL的機械阻抗已知，通過VAFL，則可計算出胞體機電力的大小。
為測量細胞的軸向阻抗，將AFL的端部置于細胞端部（圖3下)，通過使用磁場可獲知加在AFL上的力的大小。通過激光測振儀得出VAFL，加上已知加在AFL上的力的大小，即可計算出毛細胞的軸向阻抗。
圖3：機電力測量的實驗裝置布局和微觀圖像（上）和外毛細胞的阻抗測量（下）
原子力顯微鏡的速度測試是由Polytec公司最新型號的高性能單點式激光測振儀完成的，測試儀主要包括OFV-505自動聚焦式光學頭和OFV-5000高性能控制器。
結論
實驗結果表明，獨立的外毛細胞能以接近恒定位移的振幅對基底膜的液體阻力進行補償，且電致運動的頻率超過了耳蝸的聽覺范圍。從這點來看，外毛細胞提供高頻的機電傳導能力，對于整個聽覺范圍內行波信號增強放大是非常必要的。
