4.3.1.1(2) Inleiding

De cochlea of het slakkenhuis (in ruimere zin spreekt men wel van het ‘binnenoor’) ziet er in uitgerolde toestand uit als een buis met een scheidingswand, zoals geïllustreerd in Fig.1. Het beweegbare gedeelte

van de scheidingswand heet het basilaire membraan. Het loopt van het basale gedeelte bij de vensters tot aan het helicotrema. Het membraan heeft mechanische eigenschappen die essentieel zijn voor de analyse van de geluidstimulus. Tevens bevindt zich op het basilaire membraan het orgaan van Corti, het zintuigorgaan dat de analyse vervolmaakt en waar de omzetting van mechanische trillingen naar zenuwpulsen plaatsvindt. Bij dit laatste proces vervullen respectievelijk de buitenste en binnenste haarcellen een belangrijke rol. Een dwarsdoorsnede door deze twee structuren is te zien in Fig.2.

Het binnenoor, in brede zin, heeft drie belangrijke functies:

1. Het uitvoeren van een frequentie analyse d.m.v. de macromechanica van het basilaire membraan
2. Het tot stand brengen van een buitengewoon grote gevoeligheid voor geluid en een enorm grote frequentieselectiviteit d.m.v. de micromechanica van de buitenste haarcellen
3. Het omzetten van de mechanische trillingen in elektrische zenuwsignalen, voornamelijk door de binnenste haarcellen.

4.3.1.2(2) Macromechanica van het basilaire membraan en frequentieanalyse

De uitgerolde voorstelling van het binnenoor uit Fig.1 wordt verder vereenvoudigd door de afbeelding van een uiterst geschematiseerd binnenoor (Fig.3). . Het middenvlakje, waarop een lopende golf te zien is, representeert het basilaire membraan. Het basilaire membraan is

elastisch. Essentieel is dat deze elastische eigenschappen van stapes tot helicotrema geleidelijk veranderen. Aan de basale kant is de scheidingswand smal en stug en aan de apicale zijde breed en slap. Men kan dus zeggen dat de stijfheid van het membraan geleidelijk afneemt met de afstand tot de stapes. Daarnaast is er, omdat de cochlea naar de apex toe geleidelijk nauwer wordt, een toename van de vloeistofweerstand. Tenslotte verandert ook de vloeistofmassa enigszins over de lengte van het slakkenhuis. Deze drie componenten vormen samen de mechanische impedantie van het basilaire membraan. Van de drie componenten van de impedantie is de stijfheid de belangrijkste. Deze stijfheid is – zoals reeds opgemerkt – het grootst bij de stapes en neemt exponentieel af in de richting van de apex.

Wanneer een geluid wordt aangeboden aan het oor, oefent de stapes een druk uit op de vloeistof in de cochlea. Daardoor ontstaat een drukverschil tussen het vloeistofcompartiment boven het basilaire membraan en dat er beneden. Dit drukverschil zal zich in tijd en in plaats over de lengte van het basilaire membraan verdelen. De verandering van mechanische eigenschappen over de lengte van het basilaire membraan en de wetten van de mechanica leiden er toe dat er in het basilaire membraan een lopende transversale golf ontstaat. Men spreekt ook wel van een ‘zweepbeweging’. Gebruiken we een zuivere toon als stimulus, dan heeft deze lopende golf een karakteristieke vorm, geïllustreerd in Fig.4. Verticaal staat de uitwijking uit. De drie slingerlijnen geven a.h.w. foto’s van de golf op opeenvolgende tijdstippen 1, 2 en 3.

We zien dat een top of een dal geleidelijk opschuift in de richting van de apex. We moeten daarbij bedenken dat in dit geval elk punt van het membraan sinusvormig, volgens de aangeboden frequentie, trilt. We zien dat de amplitude van de trilling aanvankelijk toeneemt en na een maximum bereikt te hebben (waar de ‘3’ staat) snel afneemt. De curve die de toppen verbindt heet de ‘omhullende’ van de golf. Voor elke zuivere toon, willekeurig welke frequentie, ontstaat een dergelijke omhullende. De plaats van het maximum van de omhullende hangt af van de frequentie van het geluid.

Waar dit maximum voor een bepaalde stimulusfrequentie ligt wordt bepaald door de impedantie (in feite dus de stijfheid) van het membraan. Hoge frequentiecomponenten, b.v. – voor de mens – 5000 Hz, hebben hun maximale uitwijking in de buurt van de stapes. Deze blijven dus aan het begin van het membraan ‘steken’. Naarmate de frequentie van de stimulus lager is, komt het maximum verder van de stapes af te liggen. Lage frequenties, b.v. 100 Hz, lopen over bijna de gehele lengte van het basilaire membraan dóór en bereiken hun maximum pas in de buurt van de apex. We zien dit geïllustreerd in Fig.5. 

In Fig.5 zijn omhullenden getekend voor verschillende stimulusfrequenties. Zowel de omhullende voor de macromechanica (de gestippelde lijnen) als de omhullende wanneer ook de micromechanica wordt meegenomen (de doorgetrokken lijnen) zijn hier getekend. Het is duidelijk te zien dat de micromechanica een opscherping teweegbrengt.

De eigenschappen van de macromechanica zijn in de jaren veertig uitgebreid onderzocht door Von Békésy bij kadavers (Von Békésy 1941 en 1960), alsook later door anderen in vivo voor grote intensiteiten en bij slechte conditie van de cochlea. Het heeft tot 1980 geduurd eer aangetoond kon worden dat in vivo de gevoeligheid en de frequentieselectiviteit van het basilaire membraan veel groter zijn en dat daar een zeer kwetsbaar mechanisme voor verantwoordelijk is. Zie ook niveau 3.

Elke frequentie wordt dus op een eigen – vaste – plaats op het basilaire membraan geprojecteerd. In de cochlea vindt dus frequentieanalyse plaats. Wanneer we het oor een complex geluid aanbieden, d.w.z. een geluid waarin meerdere frequentiecomponenten aanwezig zijn, wordt elke component naar zijn ‘eigen’ plaats gedirigeerd en ontstaat een spatieel patroon met pieken overeenkomend met de verschillende frequentiecomponenten. Men noemt dit ‘plaatscodering’. Dit legt de basis voor de waarneming van de frequentiecomponenten afzonderlijk.

Op het basilaire membraan is er een logaritmische verband tussen frequentie van een toon en de plaats van het maximum van de omhullende van de bijbehorende lopende golf, zoals te zien is in Fig.6. . Elke verlaging van de frequentie van een toon met een factor 2 (één octaaf) doet het maximum van de omhullende op het basilaire membraan 5 mm verder van de stapes vandaan naar de apex schuiven. Deze relatie geldt voor frequenties van 10.000 Hz tot rond de 300 Hz, De symbolen in Fig.6 hebben betrekking op experimenteel bepaalde (o.a. door Von Békésy) punten.

Het logaritmische verband tussen frequentie van een toon en de plaats van het maximum van de omhullende van de bijbehorende lopende golf is een gevolg van de exponentiele afname van de stijfheid van het basilaire membraan vanaf de basis in de richting van de apex.

Het in Fig.6 weergegeven verband houdt in dat ‘afstand langs het basilaire membraan’ en ‘logaritme van de frequentie’ grotendeels uitwisselbare schalen zijn. De uitwijking van het basilaire membraan kan dus net zo goed uitgezet worden tegen de logaritme van de frequentie. Uit praktische overweging is de uitwijking van het basilaire membraan altijd gemeten op één bepaalde plaats door de stimulusfrequentie te variëren. Dan schuift het patroon a.h.w. over de meetplaats heen. Het is niet goed mogelijk gebleken, bij aanbieding van een geluid, op meerdere plaatsen van het basilaire membraan gelijktijdig te meten. De uitkomsten van een dergelijk experiment zijn verzameld in Fig.7. Het meest linkse patroon in de figuur b.v. werd bepaald door de uitwijking te bepalen helemaal aan de apicale kant van het membraan. We zien ook dat alle driehoeken min of meer dezelfde (asymmetrische) vorm hebben.

De gelijkvormigheid van deze driehoekige patronen en de projectie op een logaritmische as leidt er toe dat stappen in toonhoogte, b.v. een octaaf, altijd corresponderen met verhoudingen in frequentie (factor 2). De eigenschappen van deze afbeelding vormen de basis voor gebruik van een logaritmische frequentie-as in de audiologie.

De uitwijkingen op het basilaire membraan, zelfs ter plaatse van het maximum van de omhullende, zijn uiterst gering. Een uitwijking – ter plaatse van het maximum – van 3 µm leidt al tot een pijnsensatie (130 dB SPL). Een geluidsterkte van 90 dB SPL een erg ‘hard’ geluid) leidt tot een uitwijking van de orde van grootte van 30 nm.

4.3.1.3(2) De bewegingsverwerking door de binnenste en buitenste haarcellen

De uitwijking van het basilaire membraan wordt door de zintuigcellen in het orgaan van Corti gedetecteerd. In dit orgaan bevinden zich twee groepen zintuigcellen: de binnenste en de buitenste haarcellen. Zie Fig.2.

De afbuiging van de haren of cilia van deze cellen wordt omgezet in een verandering van de celpotentiaal: elektromotorische transductie. Daar waar de binnenste haarcellen passief de mechanische beweging omzetten naar neurale activiteit, versterken de buitenste haarcellen actief de trillingen van het basilaire membraan.

De binnenste haarcellen vormen één rij en de buitenste meerdere rijen (3-5) langs de lengterichting van het basilaire membraan. De cilia van de buitenste haarcellen staan in een W-vorm en maken stevig contact met het tectoriaal membraan, terwijl die van de binnenste haarcellen in rechte rijen staan geen contact met dit membraan maken (Fig. 8). 

Cilia van beide typen haarcellen vormen rijen van verschillende lengte die met elkaar verbonden zijn door middel van ‘tip-links’, die mechanisch voorgesteld worden als veren (Fig.9). De langste rij haren bevindt zich het verst van de modiolus. Zie voor de anatomie ook Hfdst.3.2.2.

Afgezien van sterk verschillende vorm (Fig. 10)  en de daarmee samenhangende verschillen in functie van de binnenste en buitenste haarcellen verloopt de transductie van de beweging van de haren tot een intracellulaire potentiaalverandering vrijwel analoog.

De haren van de zintuigcellen worden afgebogen wanneer het basilaire membraan beweegt. De wijze waarop dit werkt zien we geïllustreerd in Fig.11. . Een beweging van het basilaire membraan richting scala vestbuli zal het tectoriaal membraan ten opzichte van de lamina reticularis (het ‘dak’ van de haarcel, zie Fig.2) doen schuiven in de richting van de buitenste haarcellen. Als gevolg van de hierdoor ontstane schuifkrachten zullen de haren via direct contact met het tectoriaal membraan (buitenste haarcellen) of indirect via vloeistofkoppeling (binnenste haarcellen) afbuigen in de richting van de langste haren.

Omgekeerd zal een beweging van het basilaire membraan in de richting van de scala tympani een afbuiging in de richting van de kortste haren ten gevolge hebben. Afhankelijk van de afbuigrichting van de haren zullen de tip-links strakker dan wel slapper gespannen worden. In het transductie-proces worden zij voorgesteld door veertjes die klepjes van ionenkanalen bedienen. Zo zullen bij een afbuiging naar de langste haren de klepjes verder open gaan en omgekeerd bij de afbuiging naar de kortste haren toe zullen ze meer sluiten. Dit systeem moduleert zo de ionenstroom door de cilia, zoals schematisch weergegeven in Fig.12. 

Een grotere instroom van K⁺-ionen zal de haarcel depolariseren. Dit gebeurt wanneer de haren afbuigen in de richting van de langste haren, dus wanneer het basilaire membraan richting scala vestibuli beweegt. Zie ook niveau 3. Tijdens deze fase van depolarisatie kunnen, afhankelijk van de locale omstandigheden binnen in de haarcel, in de daaraan verbonden neuronen de frequentie van actiepotentialen toe nemen. Wanneer door een afbuiging van de haren in de richting van de kortste haren de stroom van K⁺ ionen vermindert ten opzichte van de ruststroom, zal de intracellulaire spanning lager worden (hyperpolarisatie) en wordt de

frequentie van actiepotentialen verminderd. In Hfdst.4.4.1 en Hfdst.6.2.2 worden de effecten van de gelijkrichtende werking van het transductie-proces op de codering van geluid in de gehoorzenuw besproken. Zie verder niveau 3.

4.3.1.4(2) De buitenste haarcellen en de cochleaire versterker – micromechanica

De buitenste haarcellen dragen bij aan de versterking van de beweging van het basilaire membraan. De buitenste haarcellen verlengen of verkorten onder invloed van hyperpolarisatie, respectievelijk depolarisatie. Deze lengteverandering brengt het basilaire membraan verder respectievelijk dichterbij de lamina reticularis en versterkt zo de reeds aanwezige beweging. De verandering van cellengte, de elektromotorische transductie, wordt veroorzaakt door de bijzondere structuur van de buitenwand van de haarcel, het laterale membraan, afgebeeld in Fig.13.  

Dit laterale membraan van de buitenste haarcellen heeft drie lagen, een laag met kleine holtes (cisternae) een buitenlaag (het plasmamembraan), en daartussen een ‘tralieconstructie’ bestaande uit actine filamenten, met daarop dwarsverbindingen van dunnere stroken spectrine. De stroken zijn verbonden via pilaren met het plasmamembraan en de grote proteïnedeeltjes.

Onder invloed van veranderingen in de intracellulaire spanning ondergaat de tralieconstructie een deformatie, voor te stellen als een verandering van de hoeken tussen de verschillende elementen. Dit heeft tot gevolg dat – bij gelijk blijvend celvolume – de diameter en daarmee de cellengte verandert.

De bewegingscyclus gaat als volgt: een beweging van het basilaire membraan richting scala vestibuli veroorzaakt een afbuiging van de haren in de richting van de langste haren. De mechano-elektrische omzetting vertaalt dat als een depolarisatie die door de elektromotorische transductie omgezet wordt in een verkorting waardoor het basilaire membraan nog meer in de richting van de scala vestibuli getrokken wordt. Een afbuiging van de haren in de richting van de langste haren heeft dus een verkorting en een afbuiging in de richting van de kortste haren heeft een verlenging ten gevolge (zie Fig. 14).

De buitenste haarcellen hebben voornamelijk een efferente innervatie. De zenuwvezels innerveren op de celwand en kunnen zo de intracellulaire potentiaal beïnvloeden en daarmee de elektromotorische transductie. Hierdoor kan via contralaterale stimulatie de cochleaire gevoeligheid gestuurd worden. Het efferente systeem draagt bij aan het selectief luisteren, door het onderdrukken van storende en niet interessante geluiden.

De micromechanica die de basilaire membraanbeweging versterkt en opscherpt wordt beheerst door het orgaan van Corti waarbij de buitenste haarcellen met hun elektromotorische kracht de basis vormen. Hoewel de elektromotorische transductie in zoogdieren zelf niet frequentieselectief is, is de micromechanica dat wel. De hiervoor essentiële delen zoals het tectoriaal membraan van het orgaan van Corti fungeren als gevolg van hun mechanische eigenschappen (demping, massa en stijfheid), als een tweede resonator waarvan de karakteristieke plaats (de plaats waarvoor de output van de resonator voor een bepaalde stimulusfrequentie maximaal is) basaler ligt dan die van de eerste resonator van het basilaire membraan. Door het samenspel van de macromechanica en de micromechanica kan het gezamenlijke complex van basilaire membraan en orgaan van Corti mechanisch beschreven worden met een impedantie waarvan de demping over een bepaald cochleair gebied negatief is. Een negatieve demping betekent energietoevoer, in tegenstelling tot energiedissipatie door een positieve demping. Daarom wordt de micromechanica ook wel aangeduid met de cochleaire versterker of actieve mechanica.

De frequentieselectieve versterking van de micromechanica voegt, daar waar de demping negatief is, plaatsafhankelijk bewegingsenergie toe aan de lopende golf, zoals geïllustreerd in Fig.15. 

Het resultaat hiervan is dat de lopende golfbeweging in de buurt van het maximum van de passieve mechanica sterk opgezweept wordt. De cochlea is hierdoor gevoeliger en frequentieselectiever geworden. Zie Fig.16a. 

In Figuur 16b is te zien dat de cochleaire versterking in hoge mate afhankelijk is van de intensiteit: bij lage intensiteiten is de versterking maximaal (maximale opscherping en gevoeligheid). Naarmate de intensiteit toeneemt wordt de versterking minder. Dit sterk niet-lineair gedrag heeft tot gevolg dat het cochleaire filter verslechtert (breder wordt) bij deze hogere intensiteiten.

4.3.1.5(2) De activatie van de afferente zenuwvezels door de binnenste haarcellen

In tegenstelling tot de buitenste haarcellen zijn de binnenste haarcellen geheel slap zodat ze niet de constructie hebben om enige mechanische invloed uit te oefenen. Aangezien van de 30.000 afferente vezels in de mens 90-95% naar de binnenste haarcellen gaan, kunnen die laatste als de echte sensorische cellen beschouwd worden. Met hun haren detecteren zij de relatieve bewegingen tussen het tectoriaal membraan en het orgaan van Corti en geven deze via de mechano-elektrische transductie over aan de synapsen van de afferente vezels van de gehoorzenuw. Op deze wijze wordt de informatie over de bewegingen van het basilaire membraan naar de hersenen doorgegeven. Er gaan ongeveer evenveel efferente vezels naar de buitenste als naar de binnenste haarcellen. Bij de binnenste haarcellen eindigen ze meestal op de afferente uiteinden zodat ze zo de informatiestroom naar de hersenen kunnen moduleren. Het efferente systeem wordt o.a. besproken in Hfdst.3.3.1.

4.3.1.6(2) Links

http://www.vimm.it/cochlea/index.htm
(instructieve website over het gehoor door F. Mammano en R. Nobili)

http://www.iurc.montp.inserm.fr/cric/audition/english/cochlea/fcochlea.htm
(instructieve website over het gehoor door R. Pujol)

http://www.jhu.edu/apopel/Articles/Spector_2001_SimulationMotorDriven.pdf
simulatie-model van beweeglijkheid van de OHC

http://www.vimm.it/cochlea/cochleapages/anatomy/index.htm
(anatomie van de verschillende structuren van het binnenoor – mooie ‘artist’s impressions’)

http://faculty.plattsburgh.edu/roger.hamernik/CDS_344/PDF_Files/Auditory2.pdf
(anatomie van de verschillende structuren van het binnenoor – zeer duidelijke plaatjes)

Literatuur

1. Baalbergen K. De oorsprong van de otoakoestische emissie 2f₁-f₂. Doctoraalscriptie natuurkunde (1993), Universiteit Leiden.
2. Békésy, Von G. Über die Elastizität der Schneckentrennwand des Ohres. Akust Zeit 1941; 6:265-278.
3. Békésy, Von G. Experiments in Hearing. McGraw-Hill, New York, 1960.
4. Boer, de E. Auditory Physics. Physical principles in hearing theory II. Physics reports, a Review Section of Physics Letters 1984; 105: 141-226.
5. Boer, de E. Auditory Physics. Physical principles in hearing theory III. Physics reports, a Review Section of Physics Letters 1991; 203: 125-231.
6. Brownell WE. Outer hair cell electromotility and otoacoustic emissions. Ear and Hear 1990; 11: 82-92.
7. Cody AR, Russell I J. The responses of hair cells in the basal turn of the guinea-pig cochlea to tones. J Physiol 1987; 383: 551-569.
8. Dallos P. The active cochlea. J Neuroscience 1992; 12: 4575-4585.
9. Dallos P, Cheatham MA. Cochlear hair cell function reflected in intracellular recordings in vivo. In: Sensory Transduction, Chapter 24. Rockefeller University Press, 1992: pp 371-393.
10. Davis, H. Transmission and transduction in the cochlea. Larynoscope 1958;68:359-382.
11. Evans BN, Hallworth R, Dallos P. Outer hair cell electromotility: The sensitivity and vulnerability of the DC component. Hear Res 1991; 52: 288-304.
12. Greenwood, DD. cochlear frequency-position function for several species – 29 years later. J Acoust Soc Am 1990; 87: 2592-2605.
13. Hudspeth AJ, Corey DP. Sensitivity, polarity, and conductance change in the response of vertebrate hair cells to controlled mechanical stimuli. Proc Nat Ac Sci USA 1977; 76:1506-1509.
14. Iwasa KH. Elasticity, membrane capacitance, and force generation in the outer hair cell. In: Proceedings Symposium Biophysics of hair cell sensory systems, Familiehotel Paterswolde, 1993: pp 99-113.
15. Iwasa KH, Chadwick RS. Elasticity and active force generation of cochlear outer hair cells. J Acoust Soc Am 1992; 92: 3169-3173.
16. Jahn AF, Santos-Sacchi J. Physiology of the ear. Raven Press NY, 1988 (bevat ook de historie van de fysiologie van het gehoororgaan).
17. Johnstone BM, Patuzzi R, Yates GK. Basilar membrane measurements and the travelling wave. Hearing Res 1986; 22: 147-153.
18. Khanna SM, Sears RE, Tonndorf J. Some properties of longitudinal shear waves: a study by computer simulation. J Acoust Soc Am 1968; 43: 1077-1084.
19. Kiang, NY-S, Moxon EC, Levine RA. Auditory nerve activity in cats with normal and abnormal cochleas. In Wolstenhome GEW, Knight J, eds. Sensorineural hearing loss. Churrchill, London, CIBA Foundation Symposium, 1970: pp 241-268.
20. Neely ST. www.boystownhospital.org/BasicClinic/neuro/cel/Outer_Hair_Cell.asp (1998).
21. Pickles JO. Illustrations of the Inner Ear. Graceville Press, Graceville, 2007.
22. Pickles JO. An introduction to the physiology of hearing. Emerald, 2008.
23. Ryan AF, Dallos P. Physiology of the cochlea. In Northern JL (ed) Hearing disorders. Boston, Little Brown, 1984: pp 253-266.
24. Sellick PM, Patuzzi R, Johnstone BM. Measurement of basilar membrane motion in the guinea pig using the Mössbauer technique. J Acoust Soc Am 1982; 72: 131- 141.
25. Spoendlin H. Innervation densities of the cochlea. Acta Otolaryngol 1972; 73: 235-248.
26. Wilson JP, Johnstone JR. Basilar membrane and middle ear vibration in guinea pig measured by capacitive probe. J Acoust Soc Am 1975; 57: 705-723.

Auteur

Prijs, Lamoré

Revisie

November 2012