BIOFIZICA RECEPTIEI AUDITIVE

BIOFIZICA RECEPTIEI AUDITIVE

1. Introducere

2. Sistemul auditiv periferic, aspecte biofizice

Urechea externa, functii

Urechea medie si amplificarea semnalului acustic

Urechea interna, generalitati

3. Analiza semnalului in urechea interna. Mecanica cohleara

4. Traducerea semnalului acustic, mecanisme biofizice

5. Aspecte bioelectrice ale excitatiei auditive

Introducere

Vibratiile mecanice ale mediului inconjurator care au frecventele cuprinse intre 16 - 20.000 Hz produc in analizorul auditiv uman senzatia de sunet. Sunetele reprezinta marimi subiective care stau la baza perceptiei auditive. Prin intermediul sistemului auditiv, in particular, si al celorlalte organe de simt, in general, omul stabileste o comunicare cu mediul exterior. De aceea, undele acustice din domeniul de frecventa specificat anterior constituie pentru analizorul auditiv semnale acustice. Ele vor fi supuse unui sir de prelucrari informationale, in urma caruia vor rezulta senzatiile auditive de zgomot, muzica sau vorbire articulata. In acest fel, comunicarea pe care omul o stabileste cu mediul inconjurator cu ajutorul sistemului auditiv poate fi caracterizata drept o comunicare audio-verbala. In cadrul acestei comunicari elementul obiectiv este reprezentat de fenomenul fizic, respectiv unda acustica, iar elementul subiectiv de catre senzatia de sunet. Marimile fizice, obiective, sunt denumite marimi "acustice", iar cele subiective, legate de perceptia auditiva, sunt denumite marimi "sonore".

Generarea senzatiei auditive reprezinta etapa finala a lantului complex de prelucrari si transformari ale semnalului acustic de la intrarea acestuia in analizorul auditiv si pana la nivelul cortexului, unde ajung impulsurile nervoase rezultate in procesul de traducere a vibratiilor mecanice in influx nervos. Conform unei impartiri clasice, analizorul auditiv consta din doua sisteme principale:

1) sistemul auditiv periferic

2) sistemul auditiv central

Sistemul auditiv periferic contine urechea externa si urechea medie, care sunt adaptate functiei de transmitere a semnalului acustic si urechea interna, care asigura analiza vibratiilor acustice si traducerea semnalului acustic in influx nervos. Sistemul auditiv central contine caile nervoase, care asigura transmiterea influxului nervos, si ariile auditive, la nivelul carora este analizata informatia si generata senzatia auditiva. In cele ce urmeaza se vor discuta numai aspectele biofizice ale functionarii sistemului auditiv periferic

Sistemul auditiv periferic, aspecte biofizice

Dupa cum s-a mentionat anterior, sistemul auditiv periferic asigura trei functii principale:

1) transmiterea vibratiei acustice

2) analiza semnalului acustic

3) traducerea semnalului acustic in influx nervos.

1) Functia de transmitere a semnalului acustic se realizeaza in sistemul auditiv periferic pe doua cai: calea aeriana, in care intervin urechea externa si urechea medie, si calea osoasa, care are un rol secundar in auditia naturala, dar care prezinta un mare interes in practica clinica si audiologica.

Functia de analiza a semnalului acustic este asigurata de catre diferitele compartimente ale urechii interne si implica mecanisme complexe de tip pasiv si activ, incepand cu o analiza Fourier la nivelul membranei bazilare si terminand cu amplificarea activa a semnalului la nivelul celulelor ciliate externe ale organului lui Corti.

3) Functia de traducere, realizata la nivelul urechii interne, se refera la transformarea energiei mecanice de vibratie in energia influxului nervos prin intermediul unor procese electrochimice complexe si este asigurata de celulele ciliate interne din organul lui Corti.

Urechea externa si functiile acesteia

Urechea externa este alcatuita din pavilion si conductul (meatul) auditiv extern. La capatul intern al conductului auditiv extern se afla timpanul care separa urechea externa de urechea medie.

Pavilionul participa la trei functii: 1) protectia urechii; 2) localizarea surselor sonore; 3) amplificarea semnalului sonor.

1) Pavilionul asigura protectia mecanica a conductului auditiv extern fata de diferitele agresiuni: socuri, curenti de aer, patrunderea unor corpi straini etc.

2) Functia de localizare a surselor sonore se bazeaza pe diferentele care exista intre campurile acustice la intrarea in conducturile auditive ale celor doua urechi.

3) Functia de amplificare isi are originea in special in efectele de focalizare si rezonanta datorate reliefului pavilionului. Conca, in special, are (prin concavitatea sa accentuata) un efect de focalizare a razelor sonore, care duce la o crestere a nivelului sonor cu cativa decibeli. Aceasta crestere este functie de frecventa si incidenta undelor acustice. Amplificarea prin rezonanta este de fapt rezultatul actiunii ansamblului pavilion-conduct auditiv extern.

Conductul auditiv extern (CAE)

Conductul auditiv extern este un canal de forma aproximativ cilindrica, sinuos, cu o lungime medie de 25 mm si avand un diametru cuprins intre 5 si 10 mm. Impreuna cu conca, CAE reprezinta (din punct de vedere acustic) un tub umplut cu aer, care are o extremitate deschisa si cealalta inchisa prin membrana timpanica (tub inchis). El actioneaza ca un rezonator Helmholtz amortizat, care indeplineste urmatoarele functii: transforma undele acustice sferice in unde plane, constituie sediul unor unde stationare si prezinta o rezonanta specifica. Atat masuratorile experimentale, cat si calculul teoretic, au aratat ca frecventele de rezonanta ale ansamblului conca - CAE si ale CAE singur sunt de aproximativ 2.500 Hz, respectiv 3.400 Hz (figura).

Urechea medie si amplificarea semnalului acustic

Urechea medie este o cavitate de mici dimensiuni - cca. (15 2 )mm³ - in care se gaseste aer si care poate comunica cu faringele prin intermediul trompei lui Eustache. Urechea medie este in contact cu urechea externa si cu urechea interna, fiind separata de prima prin membrana timpanica, iar de cea de-a doua prin intermediul ferestrelor ovala si rotunda.

Transmiterea semnalului acustic in urechea medie este realizata cu ajutorul unui lant de oscioare: ciocanul, nicovala si scarita, care actioneaza ca un sistem de parghii prin care miscarile timpanului sunt transmise ferestrei ovale.

Timpanul este o membrana elastica circulara, avand un diametru de aproximativ 1 cm, situata la capatul intern al conductului auditiv extern si dispusa oblic in raport cu directia generala a acestuia.

Membrana timpanica, care actioneaza ca un receptor de presiune, este insensibila la variatiile de viteza, dar este foarte sensibila la variatiile de presiune. Ea intra in vibratie datorita undelor stationare care se formeaza in conductul auditiv extern.

Masurarea deplasarii maxime a membranei timpanice arata ca la pragul de audibilitate ea variaza intre 10^-7 m pentru frecventele joase si 10^-11 m (0,1 Å) la frecventa de 3.000 Hz. Deci, pentru frecventele inalte ea este de ordinul de marime al dimensiunilor atomului de hidrogen. Cu alte cuvinte, in apropierea pragului de audibilitate, amplitudinea medie a miscarilor timpanului este de ordinul nanometrilor.

Variatiile de presiune acustica, care se situeaza intr-un domeniu caracterizat de o valoare inferioara de 20 mPa (la pragul de audibilitate) si de valori superioare in jurul a 20 Pa (pragul dureros), sunt mult mai mici decat valoarea presiunii atmosferice ( 10⁵ Pa)(figura). De aceea, este foarte important ca presiunile aerului de-o parte si de alta a membranei timpanice sa fie egale, pentru a permite ca miscarile timpanului sa se efectueze doar sub influenta presiunii acustice. Egalizarea presiunilor se face in mod reflex in cursul deglutitiei, cascatului sau stranutului prin deschiderea orificiului faringian al trompei lui Eustache, orificiu care in mod normal este inchis.

Lantul de oscioare si adaptarea de impedanta

Cele trei oscioare, ciocanul, nicovala si scarita, asigura transmiterea vibratiei sonore de la timpan la fereastra ovala. Functia lantului timpano-osicular este aceea de a adapta impedanta joasa a mediului aerian la impedanta inalta a mediului lichid al urechii interne. Ciocanul, care este cel mai lung dintre oscioare, are capul incastrat in membrana timpanica, astfel incat miscarile timpanului vor fi preluate si transmise nicovalei si scaritei. Talpa scaritei patrunde in fereastra ovala, pe care o etanseizeaza cu ajutorul unui inel de fibre elastice (ligamentul inelar).

Cele trei oscioare se comporta ca un sistem de parghii prin a carui actiune scade amplitudinea vibratiilor, dar se realizeaza o marire a fortei la nivelul ferestrei ovale (figura). Ciocanul si nicovala se rotesc ca un tot unitar in jurul unei axe care trece prin apofiza scurta a nicovalei si de-a lungul partii timpanice a ciocanului. Deoarece, atunci cand sunt masurate in raport cu aceasta axa, manerul ciocanului este o parghie mai lunga decat apofiza lunga a nicovalei, la nivelul scaritei forta se mareste de cca. 1,3 ori.

Dar actiunea cea mai importanta a sistemului timpano-osicular consta in amplificarea presiunii acustice datorita raportului mare dintre aria timpanului si cea a ferestrei ovale. Se poate arata ca in absenta sistemului de adaptare a impedantelor, numai o miime din energia undelor acustice ar fi transferata urechii interne, restul fiind reflectat. Prin cresterea presiunii la nivelul ferestrei ovale se maximizeaza transferul de putere din exterior spre interior. Daca se neglijeaza pierderile de putere prin frecare se poate calcula un raport teoretic al presiunilor acustice la nivelul ferestrei ovale si timpanului, raport care reprezinta functia de transfer H a urechii medii:

unde p_e , F_e , S_e reprezinta, respectiv, presiunea la nivelul timpanului, forta exercitata de apasarea pe membrana timpanica si suprafata timpanului, iar p_i, F_i, S_i - presiunea, forta de apasare si suprafata in cazul ferestrei ovale. Aria membranei timpanice este in jurul valorii de 64 mm², iar talpa scaritei are aproximativ 3,2 mm². Deoarece nu intreaga arie a timpanului contribuie la transmiterea vibratiei acustice datorita variatiei cu frecventa a miscarilor diferitelor portiuni ale acesteia, se estimeaza aria eficace la 60-70% din aria totala. De aceea, raportul ariilor S_e/S_i poate avea valori intre 13 si 16. In acest caz functia de transfer are valori intre: 13 1,3 = 17 si 16

Conform datelor experimentale, functia de transfer a urechii medii are o marime aproape constanta in domeniul de frecvente important pentru auz (16 - 9000 Hz).

Prin interventia lantului timpano-osicular este evitata interfata aer-lichid, interfata care prezinta un factor de transmisie foarte scazut. Dar, desi acest sistem duce la o amplificare de presiune, actionand ca o presa hidraulica, si la o crestere a fortei, datorita efectului de parghie, nu se produce si o amplificare a energiei. Din contra, punerea in miscare a sistemului de oscioare absoarbe 40% din energia incidenta, ceea ce corespunde unei atenuari de cca. 3 dB. Disfunctiile lantului timpano-osicular au ca rezultat producerea unor surditati de transmisie si pot fi puse in evidenta cu ajutorul audiogramelor in conducere aeriana.

Urechea medie nu are un rol de transmisie pur pasiv. Atat muschiul ciocanului, cat si muschiul scaritei - stapedius - se pot contracta, limitand amplitudinea de deplasare a oscioarelor si diminuand nivelul de amplificare, deci transmiterea de energie urechii interne. In acest fel, prin reflexul stapedian se realizeaza protectia urechii interne. Fereastra ovala transmite lichidelor urechii interne miscarile lantului timpano-osicular. Semnalul acustic se propaga prin canalul vestibular (rampa vestibulara), trece prin helicotrema si se intoarce spre urechea medie prin rampa timpanica la al carei capat se afla fereastra rotunda. Fereastra rotunda are un rol de membrana de expansiune pentru lichidele incompresibile ale urechii interne. Miscarile platinei scaritei nu s-ar putea efectua liber daca rampa vestibulara ar fi un spatiu continand lichid, inchis printr-un capat rigid. Elasticitatea ferestrei rotunde da posibilitatea realizarii deplasarilor coloanei de lichid, induse de miscarile scaritei.

Conducerea osoasa reprezinta un proces de transmitere a undelor acustice spre urechea interna prin intermediul tesutului osos. In auditia naturala a sunetelor care provin din mediul inconjurator, conductia sunetului pe cale osoasa nu are o importanta practica deoarece cantitatea de energie care ajunge la urechea interna in acest mod are un nivel in medie cu 60 dB mai scazut decat in cazul celei transmise prin lantul timpano-osicular.

Urechea interna, generalitati

Urechea interna este plasata intr-un sistem complex de cavitati si canale, numit labirintul osos. La randul sau, labirintul osos este divizat in doua parti: labirintul posterior, in care se afla organele echilibrului (vestibulul si canalele semicirculare) si labirintul anterior, care formeaza cohleea sau melcul, in care se gasesc organele auzului.

Cohleea este un tub osos care are o lungime de aproximativ 3 cm, infasurat in helix spiral (elice spirala), efectuand doua ture si jumatate in jurul unei coloane centrale osoase numita columela. Tubul este crestat pe toata lungimea sa de catre o lama osoasa plana, numita lama spirala, care porneste din columela. In interiorul columelei se afla fibrele nervului cohlear, care provin din ganglionul spiral al lui Corti, aflat intr-un canal din lama spirala (figura). Lama spirala se continua cu o portiune membranoasa, numita membrana bazilara, care este intinsa intre lama spirala si ligamentul spiral extern. La baza tubului, lama spirala are o latime mai mare iar membrana bazilara este mai ingusta, in timp ce, in partea superioara, lama spirala devine din ce in ce mai ingusta iar membrana bazilara se extinde. La extremitatea apicala se afla o deschizatura, numita helicotrema, care permite comunicarea intre cele doua compartimente. Compartimentul aflat sub lama spirala este numit rampa timpanica (canalul timpanic) si contine un lichid numit perilimfa. La capatul dinspre casa timpanului se gaseste fereastra rotunda. Compartimentul de deasupra lamei spirale este, la randul sau, separat in alte doua compartimente, prin membrana lui Reissner. Partea sa superioara, continand de asemenea perilimfa, se numeste rampa vestibulara (canalul vestibular) si la capatul ei dinspre casa timpanului se gaseste fereastra ovala. Intre rampa timpanica si rampa vestibulara se afla cel de-al treilea compartiment, canalul cohlear sau labirintul membranos. Canalul cohlear este marginit in partea superioara de membrana lui Reissner, iar in partea inferioara de membrana bazilara, aflata in prelungirea lamei spirale. In interiorul canalului cohlear se afla endolimfa.

Membrana bazilara are o forma trapezoidala, cu o latime de aproximativ 0,15 mm la baza si de aproximativ 0,45 mm la apex si este alcatuita din cca. 42.000 de fibre transversale aflate intr-o substanta fundamentala omogena. Membrana bazilara variaza continuu in dimensiuni, de la baza, unde este groasa si ingusta, spre apex, unde este larga si subtire. Deoarece grosimea ei nu este constanta ci diminueaza spre apex, apare un gradient de rigiditate care-i confera proprietati mecanice speciale.

Organul lui Corti. Pe membrana bazilara se afla situat organul lui Corti, alcatuit dintr-un ansamblu de celule ciliate si de celule de sustinere, carora li se adauga niste celule de tip special numite pilierii lui Corti. Acestea din urma alcatuiesc o formatiune speciala numita tunelul lui Corti, umplut cu un lichid inrudit cu perilimfa, numit cortilimfa (exista totusi unele controverse privind compozitia ionica a cortilimfei). Celulele ciliate, in numar de cca. 19.000 in cohleea umana, reprezinta receptorul neurosenzorial al sistemului auditiv. Celulele ciliate, care sunt de doua tipuri, celule ciliate externe si celule ciliate interne, sunt flancate de celule de sustinere interne si externe, de celule Deiters, celule Claudius si celule Hensen. Celulele ciliate, inervate de fibre nervoase aferente si eferente, sunt aranjate de-a lungul membranei bazilare in patru coloane lungi: o coloana de celule ciliate interne, in numar de cca. 3.500, si trei (uneori patru) coloane de celule ciliate externe, in numar de 13.000-16.000. Sirurile de celule ciliate externe si, respectiv, de celule ciliate interne se afla de-o parte si de alta a pilierilor lui Corti.

Celulele ciliate externe, avand un corp celular de forma cilindrica (25-45 mm inaltime si 6 -7 mm diametru), se gasesc intr-o structura laxa, care le permite sa se deformeze (figura). Deasupra celulelor receptoare se intinde o membrana care consta dintr-o matrice de substante fibrilare si dintr-un strat subtire amorf, gelatinos, numita membrana tectoria. La marginea exterioara a canalului cohlear se gaseste o zona numita stria vasculara, cu rol trofic important. O celula ciliata externa poseda de-a lungul peretilor ei verticali membrane cu solutii de continuitate, realizand jonctiuni membranare cu celulele ciliate externe vecine. La polul apical al celulelor ciliate externe, care se scalda in endolimfa, se gaseste o cuticula (1 - 2 mm grosime) strapunsa de un manunchi de prelungiri ale celulelor ciliate avand forma unor bastonase cilindrice, numite stereocili. Stereocilii sunt grupati in forma de W de asa maniera incat lungimile cililor difera de la un rand la celalalt, cilii din acelasi rand avand aceeasi lungime.

Numarul cililor variaza de la o celula la alta (106 - 122), iar cilii cei mai lungi sunt in contact cu membrana tectoria (incastrati in aceasta). Densitatea membranei tectoria este identica cu densitatea endolimfei astfel incat, in repaus, ea nu exercita nici o forta asupra cililor. In structura stereocililor s-au pus in evidenta proteine contractile (actina, miozina etc.), in special in radacinile cililor. Nucleul celulelor ciliate externe se afla in zona bazala. Sub cuticula si sub nucleu se gasesc mitocondrii. Corpul celular al celulelor ciliate externe se scalda, in partea inferioara, in lichidul perilimfatic. Inervarea celulelor ciliate externe este caracterizata de prezenta in mare majoritate a conexiunilor eferente.

Celulele ciliate interne se gasesc intr-o structura celulara mai densa, fiind situate mai aproape de membrana bazilara decat celulele ciliate externe, si sunt inconjurate de celule de sustinere interne (figura). Lateral fata de celulele ciliate interne exista celule bordante. Celulele ciliate interne au un corp celular ovoid (35 mm lungime). Pe suprafata lor superioara se afla un strat cuticular de 1 - 2 mm in care sunt implantati cca. 60 - 100 stereocili (figura). Nucleul celulelor ciliate interne este central, iar sub cuticula se gaseste reticulul endoplasmic. In regiunea de deasupra nucleului se afla complexul Golgi si lizozomi, in cea de sub nucleu se gasesc ribozomi si mitocondrii.

Ansamblul suprafetelor cuticulare ale celulelor ciliate constituie lama reticulara. Aceasta lama lasa sa treaca numai stereocilii si formeaza o bariera etansa intre celulele ciliate si cortilimfa pe de-o parte si endolimfa propriu-zisa in cealalta parte. In acest fel, in endolimfa patrund numai stereocilii (figura - micrografie electronica).

Corpul celular al celulelor ciliate interne contine un mare numar de mitocondrii, indicand o activitate metabolica intensa. Stereocilii formeaza un trunchi de con oblic (sunt dispusi in "palisada"), avand un aranjament hexagonal. Stereocilii sunt aranjati in mod regulat, sectiunea fasciculului fiind aproximativ circulara. De-a lungul unui diametru al cercului lungimea stereocililor creste progresiv, iar in directiile perpendiculare pe acest diametru lungimile cililor sunt egale, astfel incat, fasciculul are un plan de simetrie bilateral. Spre deosebire de stereocilii celulelor ciliate externe, cei ai celulelor ciliate interne nu intra in contact cu membrana tectoria. La polul lor bazal, celulele ciliate interne realizeaza legaturi sinaptice cu terminatii nervoase aferente (95%) si eferente.

Functiile celulelor ciliate

Celulele ciliate au, in raport cu alte tipuri de celule senzoriale, doua proprietati remarcabile: extrema lor sensibilitate si viteza deosebit de mare cu care opereaza. Cercetarile din ultimele doua decenii, in special cele de electrofiziologie, au aratat ca, cele doua tipuri de celule ciliate, externe si interne, indeplinesc functii distincte. Desi acestea nu sunt complet clarificate, mai ales in cazul celulelor ciliate externe, se admite ca:

- Celulele ciliate interne reprezinta veritabilii receptori, care asigura traducerea semnalelor auditive in influx nervos, desi traducerea mecano-electrica are loc si in celulele ciliate externe. Pentru aceasta pledeaza si numarul mare de fibre aferente cu care fac sinapsa celulele ciliate interne.

- Celulele ciliate externe prezinta proprietati motrice datorate proteinelor contractile pe care le contin, prin care contribuie la amplificarea cohleara a semnalului acustic si la mecanismul de analiza realizat de urechea interna.

Analiza semnalului in urechea interna. Mecanica cohleara

Presiunea exercitata asupra ferestrei ovale de catre talpa scaritei da nastere unor unde care se propaga de-a lungul membranei bazilare, stimuland celulele ciliate din organul lui Corti. Celulele ciliate interne trimit apoi semnale care codifica frecventa, intensitatea si durata sunetului.

In cazul unor unde de presiune foarte lente, cum ar fi cele produse de schimbarile de altitudine sau de infrasunete, are loc o deplasare a lichidului perilimfatic intre cele doua rampe, vestibulara si timpanica, prin helicotrema, pana la fereastra rotunda ale carei miscari sunt in contrafaza cu cele ale ferestrei ovale, compensandu-le. Pentru semnalele acustice din domeniul sonor (16 - 20.000 Hz), intra in vibratie membrana bazilara, a carei deformare depinde de frecventa vibratiei acustice. S-au emis diferite ipoteze privind modul in care vibratiile membranei bazilare sunt asociate cu frecventele semnalelor acustice.

Ipoteza "rezonantei"

Cea mai veche ipoteza privind modul in care functioneaza membrana bazilara este ipoteza "rezonantei". Structura speciala a membranei bazilare, cu forma trapezoidala, mai ingusta la baza si mai larga la apex si cu cele 42.000 de fibre transversale, a determinat pe Ohm sa elaboreze o teorie prin care sa explice capacitatea de discriminare a inaltimilor tonale de catre analizorul auditiv, teoria zonala.

Teoria zonala a fost ulterior dezvoltata de catre Helmholtz, care a asemanat functionarea membranei bazilare cu aceea a unei harpe, ale carei corzi intra in vibratie prin rezonanta cu o frecventa care depinde de lungimea acestora, deci de pozitia pe care ele o ocupa in lungul membranei bazilare (figura). Astfel, la baza, unde membrana este mai ingusta, ea intra in rezonanta cu frecventele inalte, iar la apex, unde este mai larga, cu frecventele joase. Acest fenomen poarta numele de localizare sau tonotopie cohleara.

Teoria Ohm-Helmholtz se mai numeste si teoria rezonantei si, conform acestei teorii, vibratia fiecarei fibre se face independent de a celorlalte fibre.

Unele aspecte ale teoriei rezonantei raman valabile, insa atat datele experimentale, cat si teoria arata ca mecanismele de discriminare a frecventelor sunt mai complexe.

Teoria "undei calatoare"

Un model mai complet care sta la baza explicarii dependentei dintre localizarea pe membrana cohleara si frecventa undei acustice incidente si care, spre deosebire de cel al lui Helmholtz (model static), are un caracter dinamic, este modelul lui von Bksy. Von Bksy a demonstrat ca vibratiile membranei bazilare nu dau nastere unor unde stationare, ca in cazul corzilor unei harpe si ca, intrucat fibrele membranei bazilare sunt cuplate anatomic si sunt slab tensionate, nu pot vibra independent. El a elaborat teoria "undei calatoare" (a undei propagate). Un element important in propagarea undei calatoare este reprezentat de gradientul de rigiditate care exista in lungul membranei bazilare, extremitatea dinspre baza fiind mai rigida decat cea dinspre apex.

Trasand curbele de rezonanta ale membranei bazilare, von Bksy a constatat ca in urma vibratiei mecanice a acesteia se realizeaza un spectru spatial de frecvente, etalat pe lungimea ei. Dar aceste curbe sunt foarte largi, suprapunandu-se pe portiuni intinse, astfel incat, analiza efectuata de catre membrana bazilara printr-un mecanism pasiv are ca rezultat o tonotopie rudimentara, foarte indepartata de finetea rezolutiei pe care o demonstreaza studiile electrofiziologice si psihoacustice. Se poate spune, deci, ca membrana bazilara efectueaza o analiza Fourier aproximativa a sunetelor complexe, in care infasuratoarele a doua unde calatoare (figura) se suprapun partial, atat spatial cat si temporal. Explicatia rezolutiei inalte a sistemului auditiv, care poate permite discriminarea in frecventa pana la Δn = 1 Hz, in zona centrala campului auditiv, a fost posibila numai dupa ce s-au evidentiat mecanismele active.

Mecanismele de discriminare a frecventelor pe membrana bazilara. Rolul celulelor ciliate externe

Conform datelor actuale, exista doua tipuri de mecanisme care stau la baza analizei semnalului acustic si anume:

1) mecanisme pasive

2) mecanisme active.

Mecanismele pasive pot fi puse in evidenta si pe cohlee prelevate de la cadavre, in timp ce mecanismele active implica prezenta unor proces vitale intacte.

Mecanismele pasive rezulta din proprietatile mecanice si hidrodinamice ale membranei bazilare si ale lichidelor urechii interne. Prin acestea se efectueaza analiza Fourier la nivelul membranei bazilare.

Mecanismele active, controversate si inca neelucidate complet, sunt declansate de catre mecanismele pasive, care duc la propagarea undei in membrana bazilara. Unitatea de baza a amplificarii cohleare printr-un mecanism activ este celula ciliata externa. In cursul propagarii undei calatoare sunt stimulate celulele ciliate care se afla deasupra acelei regiuni a membranei bazilare care vibreaza cu amplitudine maxima. Vibratia membranei bazilare produce o deplasare relativa a lamei reticulare in raport cu membrana tectoria (figura).

Datorita acestor miscari, stereocilii celulelor ciliate externe sufera o inclinare si o forfecare, in urma carora are loc excitarea celulei ciliate prin deschiderea canalelor de K⁺ de la polul apical al stereocililor, urmata de depolarizarea celulei. Excitarea celulelor ciliate externe duce la schimbari rapide in lungimea acestora, asociate cu declansarea unui asa-numit mecanism motor in membrana bazolaterala a fiecarei celule. Analiza structurala a celulelor ciliate externe a evidentiat existenta unei mari concentratii de particule intramembranare, organizate in domenii semicristaline regulate in care distanta dintre centrele particulelor este de cca. 13 nm. Acestea sunt "unitatile generatoare de forta", compuse din proteine "motoare", care detecteaza modificarile de potential transmembranar si sufera tranzitii conformationale sau rearanjari. Fiecare particula ar putea reprezenta un complex proteic senzorimotor, care detecteaza modificarile de potential. Recent, a fost identificata una dintre proteinele motoare, numita prestin.

Activitatea motoare a celulelor ciliate externe se exercita in faza cu miscarea excitatoare, provocand o rigidizare a planului celular si o amplificare a amplitudinii de deplasare a membranei tectoria intr-o zona restransa a cohleei.

Prin amplificarea miscarii datorita celulelor ciliate externe, maximul de amplitudine caracteristic vibratiei membranei bazilare este transformat intr-un varf ingust si inalt, astfel incat are loc atat o crestere a rezolutiei in frecventa, cat si o intensificare de cca 100 de ori a semnalului acustic. Amplificarea cohleara ajunge la 40 dB. Pentru anumite frecvente, discriminarea ajunge pana acolo incat este excitata o singura celula ciliata. Aceasta amplificare selectiva este foarte accentuata pentru frecventele inalte si mai redusa pentru cele joase.

Maximul de amplitudine corespunde unei frecvente precise numita frecventa caracteristica a sirului de celule considerat. In acest fel, membrana bazilara impreuna cu celulele ciliate externe pot face o analiza Fourier mai fina a sunetelor complexe.

Imbatranirea, nivelele sonore ridicate, drogurile ototoxice sau anoxia duc la alterarea celulelor ciliate externe si in special a stereocililor(figuri: 1, 2, 3). Leziunile sau disfunctiile celulelor ciliate externe se traduc printr-o atenuare sau chiar o disparitie a mecanismelor active. Audiometric, in aceste cazuri se pune diagnosticul de surditate neurosenzoriala cohleara: presbiacuzie, surditate traumatica, surditate ototoxica etc. In absenta mecanismelor active subzista doar mecanismele pasive, fapt care are doua consecinte importante de ordin psihoacustic: ridicarea pragului de audibilitate, prin scaderea amplitudinii de vibratie a membranei bazilare si diminuarea selectivitatii in frecventa, prin cresterea largimii varfului de rezonanta.

Prin protezare auditiva este posibila compensarea primei consecinte, printr-o amplificare convenabila a stimulului sonor. Cea de-a doua consecinta, reducerea selectivitatii in frecventa, nu poate fi compensata prin amplificare. In protezare se incearca, in acest caz, amplificarea selectiva a unor frecvente si ameliorarea raportului semnal/zgomot la iesirea din proteza, avand ca scop, in special, imbunatatirea intelegerii vorbirii. In acest sens, o importanta deosebita o are dezvoltarea protezelor numerice.

Transmiterea diferentiata a semnalului acustic de la celulele ciliate externe la celulele ciliate interne.

Ca urmare a miscarii relative a membranei tectoria, amplificata prin contractia celulelor ciliate externe, stereocilii celulelor ciliate interne, care in mod normal (in stare de repaus) nu ating membrana tectoria, vor intra in contact cu aceasta si anume, in zona precisa in care se situeaza maximul de amplitudine al undei. In urma acestei actiuni mecanice, celula ciliata interna va fi excitata printr-un mecanism specific, dand nastere unui influx nervos care se propaga pe caile aferente spre sistemul nervos central. In acest fel, inaltimea tonala sub care se percepe frecventa semnalului acustic este codificata spatial, fiecare componenta a semnalului acustic fiind trimisa sub forma unor potentiale de actiune intr-o anumita regiune a cortexului auditiv.

Otoemisiunile

In anul 1978 Kemp a evidentiat existenta unor emisiuni acustice din cohlee, numite otoemisiuni, care se pot produce spontan, ca raspuns la stimulari acustice cu intensitati sub pragul de excitare neuronala sau in urma excitarii cohleei cu un curent electric. Domeniul de frecventa al otoemisiunilor se situeaza in zona mijlocie a cohleei si este limitat la cativa KHz (figura). Faptul ca otoemisiunile sunt prezente la persoanele otologic normale a dus la propunerea folosirii lor in explorarea functionala cohleara, pentru a obtine informatii suplimentare, care sa le completeze pe cele furnizate de potentialele evocate auditive, mai ales in domeniul frecventelor medii. Se constata ca in surditatile cohleare otoemisiunile dispar.

Traducerea semnalului acustic, mecanisme biofizice

Functia de traducere a semnalului mecanic in semnal electric se realizeaza atat la nivelul celulelor ciliate externe, cat si la nivelul celulelor ciliate interne. Dar, conform datelor actuale, traducerea semnalului acustic in influx nervos se efectueaza numai in celulele ciliate interne. Celulele ciliate interne sunt, prin aranjamentul lor spatial, in contact atat cu endolimfa din canalul cohlear, prin suprafata lor apicala, cat si cu perilimfa din rampa timpanica, prin partea lor bazala. Cele doua lichide intracohleare au concentratii ionice diferite. In endolimfa, concentratiile ionilor de K⁺ si Na⁺ sunt asemanatoare cu cele din interiorul celulelor si anume, concentratiile de K⁺ sunt mari si cele de Na⁺ mici, in timp ce in perilimfa situatia este inversa. Potentialul de membrana este modificat in urma miscarii fasciculului de stereocili iar raspunsul este dependent de directie. Daca varful fasciculului se misca pe axa de simetrie bilaterala spre cilii cei mai lungi (figura) se produce o depolarizare de pana la -40 mV. Daca fasciculul este deplasat pe aceeasi axa, dar in directia opusa, se produce o hiperpolarizare, iar potentialul transmembranar creste pana la -65 mV. Depolarizarea, respectiv hiperpolarizarea, se datoreaza deschiderii, respectiv blocarii suplimentare, a unor canale ionice care se gasesc in zona apicala a celulelor ciliate externe si care lasa sa treaca dinspre exterior spre interiorul celulei ionii pozitivi cu dimensiuni mai mici de 6 Å. Este vorba in special de ionii de K⁺ care au concentratii mari in endolimfa.

Mecanismul de deschidere a acestor canale a putut sa fie descris ca urmare a unor cercetari recente de electrofiziologie, in special pe baza lucrarilor lui Hudspeth si ale colaboratorilor, care au aratat ca in vafurile stereocililor se gasesc canale ionice. S-a observat in microscopie electronica existenta unor filamente, numite legaturi apicale (tip links) care leaga varfurile cililor de corpul cililor vecini, mai inalti. S-a constatat ca daca aceste filamente sunt lezate, se inhiba deschiderea canalelor ionice. Hudspeth a facut urmatoarea ipoteza, sustinuta de catre datele experimentale: Legaturile apicale sunt conectate la portile canalelor ionice, pe care le pot manevra in functie de inclinarea cililor (figura). Prin inclinarea intr-o parte sau cealalta, fluxul de ioni care patrund in celula poate fi marit sau micsorat. In acest fel, se poate spune ca celulele ciliate interne utilizeaza un mecanism asemanator actiunii unui resort pentru a deschide canalele ionice, la inclinarea cililor. Un asemenea mecanism evita procesele chimice lente. De aceea raspunsul celulelor ciliate interne este foarte rapid, astfel incat ele pot fi excitate de pana la 20.000 de ori pe secunda. Este graitoare comparatia cu sistemul vizual, a carui functionare se bazeaza pe o cascada de reactii chimice si in care rezolutia este de numai 24 imagini pe secunda. S-a calculat ca celulele ciliate sunt atat de sensibile, incat o deflexie de ordinul diametrului atomului de hidrogen este suficienta pentru a face sa apara raspunsul celular.

Deflexia stereocililor spre cilii cei mai inalti este insotita de scaderea rezistentei transmembranare. Prin deschiderea canalelor ionice de la polul apical al cililor, in celula intra un flux de ioni pozitivi. Intrarea ionilor de K⁺ in celula duce la depolarizarea ei. La inclinarea stereocililor in sens invers, se produce o hiperpolarizare a celulei. Intrarea ionilor de K⁺ in celula sub efectul deformatiei mecanice duce la depolarizarea celulei. Depolarizarea se propaga in intreaga celula, pana in zona bazala. In portiunea bazala a membranei se afla canale de Ca²⁺ iar in apropierea lor se gasesc vezicule cu neurotransmitatori. Depolarizarea duce la deschiderea canalelor de Ca⁺⁺ sensibile la variatiile de potential, cu intrarea consecutiva a ionilor de Ca⁺⁺. Cresterea concentratiei ionilor de Ca⁺⁺ duce la accentuarea depolarizarii si antreneaza fuzionarea veziculelor cu neurotransmitatori cu membrana presinaptica. La fuzionarea veziculelor cu membrana, neurotransmitatorii sunt eliberati in spatiul sinaptic si declanseaza aparitia si propagarea potentialului de actiune pe fibra nervoasa. Cresterea nivelului de Ca⁺⁺ duce, pe de alta parte, la activarea unor canale de K⁺ aflate in membrana bazolaterala a celulei, care sunt Ca⁺⁺ dependente. Ionii de K⁺ ies din celula si celula se repolarizeaza.

Aspecte bioelectrice ale excitatiei auditive

Tehnicile electrofiziologice permit inregistrarea activitatii electrice asociate functionarii sistemului auditiv. In functie de nivelul la care se efectueaza masuratorile se disting:

- potentialele inregistrate la nivelul lichidelor intracohleare

- potentialele inregistrate la nivelul celulelor ciliate

- potentialele inregistrate la nivelul fibrelor aferente ale nervului cohlear

- potentialele globale, la nivelul nervului cohlear.

Potentiale electrice la nivelul lichidelor cohleare

In absenta oricarei stimulari, intre diferitele parti ale cohleei exista diferente de potential permanente. Rampa timpanica, care contine perilimfa, are practic acelasi potential cu tesuturile inconjuratoare si lichidele corpului. Rampa vestibulara, in care se afla de asemenea perilimfa, este usor pozitiva in raport cu cea timpanica (o diferenta de potential de +2 - +5 mV). Canalul cohlear, care contine endolimfa, are in raport cu rampa timpanica o polarizare pozitiva, avand fata de aceasta o diferenta de potential de 80 - 100 mV. Analiza ionica a endolimfei a aratat ca aceasta are practic compozitia unui lichid intracelular, in care concentratia ionilor de potasiu este mult mai mare decat aceea a ionilor de sodiu: K⁺ = 150 mM, Na⁺ = 7 mM. Perilimfa are, in schimb, o compozitie ionica asemanatoare cu aceea a lichidului cefalorahidian: K⁺ = 7 mM, Na⁺ = 140 mM. O serie de observatii au aratat ca potentialul canalului cohlear este datorat existentei unui transport activ cu sediul in stria vasculara, transport la baza caruia se afla pompa ionica electrogenica Na⁺, K⁺-ATPaza.

Potentialele receptoare (potentialele celulelor receptoare)

In stare de repaus (in absenta unei stimulari) celulele ciliate prezinta un potential de repaus de aproximativ -60 mV in raport cu mediul extracelular. In urma stimularii acustice, prin indoirea cililor celulelor ciliate interne, se declanseaza mecanismul traducerii mecano-electrice prin care, in urma deschiderii canalelor ionice si patrunderii ionilor de potasiu in celula, are loc o depolarizare a acesteia si apare un potential receptor, diferenta de potential fata de exterior coborand la -40 mV.

Cu stimuli auditivi pot fi inregistrate doua tipuri de potentiale: potentialul microfonic cohlear si potentialul de sumatie.

Potentialul microfonic reprezinta o activitate electrica care precede formarea influxului nervos. Potentialul microfonic se poate masura de-o parte si de alta a membranei bazilare sau la nivelul ferestrei rotunde, in raport cu un electrod indiferent. Potentialul microfonic inregistrat urmareste forma de unda a stimulului care i-a dat nastere semanand cu rezultatul unei inregistrari cu ajutorul unui microfon.

Potentialul de sumatie se poate de asemenea masura la nivelul ferestrei rotunde si al canalului cohlear si reprezinta o variatie continua a potentialului, care este prezenta pe toata perioada stimularii. Potentialul de sumatie are o forma care urmareste infasuratoarea temporala a stimulului.

Originea potentialelor receptoare microfonic si de sumatie

Aceste doua tipuri de potentiale se datoreaza activitatii electrice a celulelor ciliate externe si interne. Ambele tipuri de celule ciliate convertesc deplasarea stereocililor lor, cauzata de miscarea relativa a lamei reticulare si a membranei tectoria, intr-un curent de traducere care produce o modulare a potentialului receptor al celulei.

Pe baza inregistrarilor intracelulare si prin utilizarea unor substante ototoxice (cum ar fi canamicina) care distrug celulele ciliate externe s-au adus unele clarificari privind originea potentialelor cohleare microfonice si de sumatie (figura). Astfel, s-a putut arata ca potentialul microfonic cohlear este datorat in cea mai mare masura (90%) activitatii celulelor ciliate externe, in timp ce potentialul de sumatie este rezultatul unei activitati de "redresare" a celulelor ciliate interne.

Activitatea electrica a unei fibre nervoase. Curbe de acord

Tehnicile moderne de electrofiziologie au permis efectuarea de masuratori precise la nivelul unei fibre aferente a nervului cohlear. Potentialele electrice inregistrate in acest fel reflecta activitatea de traducere mecano-electrica a unui numar foarte mic de celule sau chiar a unei singure celule. Masuratorile electrice au evidentiat doua tipuri de activitate la nivelul fibrei nervoase: 1) o activitate spontana, care exista in absenta stimulului acustic; 2) o activitate de raspuns la actiunea stimulilor acustici.

Activitatea spontana consta in producerea unor trenuri de potentiale de actiune, de amplitudine constanta si distributie temporala aleatoare. Numarul de impulsuri pe secunda variaza destul de mult de la o fibra la alta, intre 0,1 si 100, dar pentru o aceeasi fibra ramane relativ constant.

Activitatea de raspuns la stimulul acustic se caracterizeaza printr-o crestere a numarului de potentiale de actiune peste valoarea caracteristica activitatii spontane. Fibra raspunde la un stimul acustic atunci cand valoarea acestuia atinge o valoare prag. Pragul de raspuns al unei fibre este definit ca fiind nivelul de stimulare acustica care produce o crestere decelabila a numarului de potentiale de actiune in raport cu valoarea de repaus. Se constata ca pe masura ce intensitatea stimulului creste, numarul de impulsuri in unitatea de timp va creste, dar ca la un anumit nivel de stimulare, numit nivel de saturatie, aceasta crestere inceteaza. Diferenta in dB dintre valoarea pragului de raspuns si valoarea de saturatie reprezinta dinamica raspunsului fibrei respective.

Curbele de acord. Prin curba de acord a unei fibre nervoase se intelege reprezentarea grafica a pragului de raspuns al fibrei in functie de frecventa sunetului. Se constata ca graficul are o forma caracteristica, de V, cu un varf ascutit, care corespunde valorii minime a pragului pentru o fibra data. Frecventa care corespunde acestei valori minime se numeste frecventa caracteristica sau optima a fibrei. Se observa ca forma (alura) curbei de acord este asemanatoare cu cea a curbei de deplasare transversala a membranei bazilare, astfel incat raspunsul diferitelor fibre traduce localizarea (tonotopia) cohleara. Intr-adevar, valorile frecventelor caracteristice difera in functie de partea cohleei inervata de fibrele respective si anume, pentru fibrele care inerveaza zona bazala frecventele caracteristice se afla in domeniul frecventelor inalte, iar pentru cele care inerveaza zona apexului situatia este inversa.

Dinamica de raspuns a unei fibre nu depaseste valoarea de 40 dB. De aceea, pentru a codifica dinamica de 120 dB a urechii umane, exista mai multe tipuri de fibre, cu praguri de raspuns diferite.

Activitatea electrica globala la nivelul nervului cohlear

Activitatea electrica globala, inregistrata cu ajutorul unor electrozi plasati direct pe nervul cohlear, reprezinta suma activitatilor electrice ale tuturor fibrelor care-l constituie. Ele reflecta activitatea electrica a ansamblului celulelor ciliate.

Potentialul global contine mai multe unde succesive. Asemenea inregistrari globale nu aduc aproape nici un fel de informatii privind mecanismele fundamentale ale proceselor bioelectrice care stau la baza excitatiei auditive.