4.4.1.1(2) Inleiding en overzicht

In en rond het slakkenhuis kunnen verschillende elektrische potentialen (spanningen) gemeten worden. Sommige zijn aan een bepaalde anatomische structuur gebonden en andere zijn ook in de omgeving van het slakkenhuis te registeren. Ze zijn onderdeel van de fysiologische processen in het binnenoor. Men onderscheidt ‘rustpotentialen’ en ‘stimulusgebonden potentialen’. Rustpotentialen zijn gelijkspanningen die op bepaalde plaatsen in een normale cochlea altijd aanwezig zijn, of er nu een geluid wordt aangeboden of niet. In de endolymfe van de scala media heerst een gelijkspanning van +80 mV, de ‘endolymfatische potentiaal’. De gelijkspanning in de perilymfe van de scala vestibuli en de scala tympani bedraagt ongeveer 0 mV. Binnen in de buitenste haarcellen heerst een gelijkspanning van –70 mV en in de binnenste haarcellen vindt men een gelijkspanning van –45 mV. Bij deze laatste twee spreekt men van ‘intracellulaire potentialen’. Bij de gegeven voltages is de gelijkspanning in de perilymfe de referentie. Deze rustpotentialen zijn genoteerd in Fig.1.. De rustpotentialen zou men ook ‘plaatsgebonden potentialen’ kunnen noemen.

Stimulusgebonden potentialen, die zowel in de cochlea als in de directe omgeving van het slakkenhuis geregistreerd kunnen worden zijn de ‘cochleaire microfonie’ (‘Cochlear Microphonics’ – CM), de ‘sommatiepotentiaal’ (‘Summating Potential’ – SP) en de ‘samengestelde actiepotentiaal’ (‘Compound Action Potential’ – CAP). Ze zijn geschetst in Fig.2. . Het meest linkse deel van Fig.2 geeft de totale responsie zoals die in de praktijk wordt verkregen bij stimulatie met een korte toonstoot. Hierin zijn de drie potentialen op elkaar gesuperponeerd. Naar rechts toe zijn ze uitgesplitst. Registratie van de totale responsie vindt plaats via een dicht bij het slakkenhuis geplaatste elektrode t.o.v. een op het ipsilaterale mastoïd geplaatste referentie-elektrode. De CM en de SP worden gegenereerd door de ionenstromen die een rol spelen in de transductie- processen in de haarcellen. De CAP reflecteert de vorming van de actiepotentialen in de gehoorzenuw. Deze is de weergave van de elektrische activiteit van een groot aantal neuronen en wordt om die reden ‘samengestelde’ (compound) actiepotentiaal genoemd.

De eigenschappen van de CM, SP en CAP, de wijze waarop zij gemeten worden en enkele diagnostische toepassingen komen in het vervolg van dit hoofdstuk aan de orde. De diagnostische toepassingen worden uitgebreider besproken in Hfdst.8.3.8.

4.4.1.2(2) Cochleaire microfonie (CM)

De langst bekende potentiaal in de cochlea is de ‘cochleaire microfonie’ (CM). Deze CM werd voor het eerst gemeten door Buytendijk in 1910 en is uitgebreid bestudeerd door Wever en Bray in 1929. Deze onderzoekers plaatsten een elektrode op het ronde venster van een kat en leidden een elektrisch signaal af. Dit signaal, de CM, bleek een getrouwe elektrische weergave van het aangeboden geluid te zijn. Fig.3  illustreert dit.

De CM kan op verschillende plaatsen in en rond de cochlea afgeleid worden: op de gehoorzenuw, binnenin de cochlea, op het ronde venster en zelfs door een elektrode op het trommelvlies of tegen de wand van de uitwendige gehoorgang te plaatsen. Leidt men af in de eerste winding van de cochlea, dan vindt men een gevoeligheid voor alle frequenties. In de apicale winding daarentegen worden hoofdzakelijk lage frequenties afgeleid. In deze voorkeuren is de frequentieanalyse van het basilair membraan herkenbaar. De via de CM gemeten projecties op het basilaire membraan zijn echter niet scherp omlijnd. Dit komt omdat elektrische signalen, zoals de CM, in een fysiologische (‘waterige’) omgeving niet aan een vaste plaats gebonden zijn. Een en ander is zichtbaar in Fig.4. . De registratie in winding II geeft ook een responsie te zien op een relatief hoge frequentie (4 kHz), terwijl de maximale uitwijking van de betreffende lopende golf op het basilaire membraan niet verder komt dan winding I.

De CM is afkomstig van de buitenste haarcellen. Op een bepaalde plaats van afleiding buiten het slakkenhuis wordt de grootte van de CM bepaald door de som van de bijdragen van de haarcellen die in de verschillende gebieden van het basilaire membraan gestimuleerd worden. In het algemeen hebben de verschillende bijdragen een verschillende fase omdat de verschillende gebieden van de cochlea niet gelijktijdig, maar van basaal naar apicaal, ná elkaar worden gestimuleerd. Dit kan tot gevolg hebben dat bij uitval van buitenste haarcellen de grootte van de CM toeneemt omdat bijdragen die normaal in tegenfase zijn wegvallen.

De CM geeft informatie over het functioneren van de buitenste haarcellen. Een beschadiging van deze cellen in een bepaald gebied op het basilair membraan leidt tot een vermindering van de CM gevoeligheid van ongeveer 30 dB voor het betreffende frequentiegebied. De diagnostische waarde van de CM is niet groot.

Een gangbare verklaring voor de CM is dat deze ontstaat door een verandering van de elektrische weerstand van de membranen die de haarcellen aan de bovenzijde afsluiten. De structuur die deze bovenkanten verbindt heet de ‘cuticular plate’. Deze vormt de grenslaag tussen de endolymfatische potentiaal (+80 mV) en de intracellulaire potentiaal in de haarcellen (-70 mV). De haren (‘cilia’) van de buitenste haarcellen maken min of meer losjes contact met het tectoriaal membraan erboven. Men kan de ‘cuticular plate’, dus het oppervlak dat de verbinding vormt tussen de bovenzijden van de – buitenste – haarcellen, beschouwen als een weerstand tussen een gelijkspanning van +80 mV en een van –70 mV. Totaal staat er over die weerstand dus 70+80=150 mV. Wanneer de haren bewegen (zie Hfdst.4.3.1) ontstaat er een periodieke verandering van de weerstand. Deze levert een wisselspanning van 1.5 mV. Dit is ongeveer de grootte van de CM. Omdat dit proces hetzelfde is als wat er in een ouderwetse koolmicrofoon gebeurt heeft men deze verklaring de ‘koolmicrofoontheorie’ genoemd. Voor verdere informatie over de CM wordt verwezen naar niveau 3.

4.4.1.3(2) Sommatiepotentiaal (SP)

De tweede stimulusgebonden potentiaal is de ‘sommatiepotentiaal’ (SP). Deze is een gelijkspanningspotentiaal tussen de scala media en de scala tympani of vestibuli die aanwezig is zolang de stimulus voortduurt. De SP kan positief of negatief zijn, afhankelijk van de frequentie van de stimulus en de plaats waar de responsie wordt afgeleid. Bij toenemende frequentie verandert de polariteit op een bepaalde plaats van negatief naar positief. De regel is dat hoe dichter men bij het ronde venster afleidt, hoe meer positief de responsie wordt.

De SP is in het algemeen de som van de positieve en negatieve bijdragen van de gelijkspanningen die door een stimulus op de verschillende plaatsen van het basilaire membraan gegenereerd worden. Omdat de mechanische trilling van het basilair membraan in principe symmetrisch is en dus geen gelijkspanningsterm bevat, is de SP een uiting van de nietlineariteit van de mechano-elektrische transductie in de buitenste haarcellen (zie Hfdst.4.3.1) en waarschijnlijk ook van die in de binnenste haarcellen. Zowel de CM als de SP zijn ‘bijproducten’ van het transductieproces en zijn de eerste (‘presynaptische’) elektrische weergave van de stimulus in de zintuigcellen van het orgaan van Corti. Men spreekt in dit verband ook wel van ‘receptorpotentialen’. Afwezigheid van de SP duidt in veel gevallen op een onvoldoende of niet functioneren van de haarcellen. Er is dan sprake van een meer of minder groot gehoorverlies.

Het feit dat de polariteit van de SP sterk afhangt van de plaats waar hij gemeten wordt (en van de frequentie van de stimulus) bemoeilijkt het gebruik ervan voor diagnostische doeleinden. In Fig.2 is de SP duidelijk negatief. In Fig.5  daarentegen, als illustratie toegevoegd, is de polariteit positief. Een tweede probleem is dat in de responsie het begin van het CAP/SP complex soms niet goed te definiëren is. In het algemeen is de grootte van de responsie sterk plaatsafhankelijk. Dit alles maakt de SP minder geschikt als diagnostisch instrument. Alleen bij de ziekte van Menière, waarbij soms abnormaal grote SP’s gevonden worden is de SP een bruikbaar instrument.

4.4.1.4(2) Samengestelde actiepotentiaal (CAP)

De derde stimulusgebonden potentiaal is de ‘samengestelde actiepotentiaal’ of ‘Compound Action Potential’ (CAP). Deze reflecteert het vuren van een groot aantal neuronen van de gehoorzenuw tegelijk. De gehoorzenuw bestaat uit rond de 30.000 afzonderlijke neuronen. Bij aanbieding van een lang durende zuivere toon treden er in een groot aantal van deze neuronen actiepotentialen op . In één enkele vezel vinden deze vuringen op min of meer regelmatige tijdstippen plaats, maar tussen vuringen van de neuronen onderling is er geen afstemming (geen synchronie). Wanneer men in dit geval een elektrode aanbrengt in de omgeving van de gehoorzenuw, b.v. op het ronde venster, dus op afstand, dan telt de elektrode de afzonderlijke ‘eenheidsbijdragen’ op. Omdat deze bifasisch van vorm zijn en er geen synchronie is, heffen de positieve en negatieve bijdragen elkaar op en meet men netto niets. De enige manier om iets te meten is door de vuringen te synchroniseren. Dit wordt bereikt door een plotselinge verandering in geluidsniveau aan te brengen. Stimulatie met een kort toonstootje (b.v. van enkele milliseconden) of een klik leidt er toe dat alle neuronen gelijktijdig (synchroon) vuren op het begin van de toonstoot en alle afzonderlijke bijdragen in de goede fase opgeteld worden. Zo ontstaat een relatief groot signaal, de samenge­stelde actiepotentiaal (CAP), zoals te zien is in zowel Fig.2 als Fig.6. In Fig.6 betreft het bovenste spoor de geluidstimulus (het toonstootje). In het onderste spoor komt eerst de CM, met een geringe vertraging i.v.m. looptijden. Het gedeelte erna, met de toppen N₁, P₁ en N₂, is de CAP. Dit treedt nóg weer later op omdat de actiepotenti­alen ná de CM ontstaan. De tijd tussen de start van de stimulus en het begin van de responsie, hetzij de CM, hetzij de CAP, heet de ‘latentietijd’ van de betreffende potentiaal. Let er op dat in registraties de negatieve toppen (N₁ en N₂) soms naar boven worden uitgezet en de positieve top naar beneden (een ‘oude’ conventie).

De CAP is dus samengesteld uit een groot aantal bijdragen. Bepalend voor de precieze vorm van de CAP zijn (zie voor informatie ook niveau 3):

• Het geheel van frequentiegebieden dat reageert op de stimulus (het ‘cochleaire activatiepatroon’)
• Het vuurgedrag (in de tijd) van de geactiveerde vezels van de gehoorzenuw
• De vorm en grootte van de (zeer kleine) potentiaalverandering ter plaatse van de meetelektrode die veroorzaakt wordt door de ontlading van een afzonderlijke vezel (de eenheidsbijdrage).

Men heeft vastgesteld dat bij gebruik van een kort toonstootje als stimulus, bij een normaal functionerende cochlea en bij stimulatie binnen 10-20 dB boven de drempel, de CAP is samengesteld uit bijdragen van neuronen die alléén aan het betreffende frequentiegebied gekoppeld zijn. In dat geval kan dus met metingen van CAP’s frequentiespecifieke informatie over het functioneren van een cochlea verkregen worden.

De precieze vorm van de CAP is – binnen zekere grenzen – afhankelijk van de sterkte en de frequentie van de stimulus. De P₁ van de CAP is tevens piek I van de hersenstamresponsie (Hfdst.4.5.1). De afstand tussen de top N₁ en het basisniveau wordt meestal als maat voor de grootte van de CAP genomen.

De CAP is ook op enige afstand van de cochlea, b.v. op het trommelvlies of aan de binnenkant van de uitwendige gehoorgang meetbaar, al gaat dit wel ten koste van de signaal-ruis verhouding. Kennelijk is het synchronisatieproces voor de actiepotentialen bij een kortdurende stimulus, zoals hierboven beschreven, dan nog voldoende werkzaam. De afleiding waarbij de actieve elektrode op de wand van de uitwendige gehoorgang geplaatst wordt heet de ‘extratympanale’ methode (ET). Bij de ‘transtympanale methode’ (TT) daarentegen wordt de actieve elektrode door het trommelvlies geprikt en geplaatst op het schedelbot dat de buitenwand van het binnenoor vormt, het promontorium.

Zoals reeds opgemerkt, wordt in de praktijk altijd een combinatie van CAP, CM en SP gemeten. In Par.6 van dit hoofdstuk wordt besproken hoe ze ‘gescheiden’ worden.

4.4.1.5(2) Eigenschappen CAP in relatie tot de geluidsterkte van de stimulus

Fig.7 laat, voor een normaal functionerende cochlea en bij stimulatie met 2000 Hz toonstoten, zien hoe de CAP/SP responsies veranderen wanneer de sterkte van de stimulus toeneemt. De belangrijkste CAP parameters, n.l. de amplitude A en de latentie t van de N1 component, kunnen uitgezet worden tegen het geluidsniveau van de stimulus. Er ontstaan dan input/output (I/O) curven, één voor de amplitude en één voor de latentie. De amplitude I/O curve representeert de geleidelijke toename van het aantal responderende vezels. In de latentie I/O curve zien we dat bij toenemende stimulussterkte de latentie van de responsie afneemt. De gestippelde lijnen in Fig.7  markeren de normale variatie in de twee grootheden. Responsies op tonen van andere frequenties vertonen een beeld vergelijkbaar met dat van Fig.7 met als belangrijkste verschil dat de latenties voor lagere stimulus frequenties groter zullen zijn en vice versa.

4.4.1.6(2) Frequentiespecifieke CAP’s bij stimulatie met kliks

Wanneer men het oor een klik aanbiedt wordt een breed gebied van de cochlea geactiveerd. Een klik heeft immers een breed frequentiespectrum. Een mogelijkheid om bij stimulatie met kliks toch frequentiespecifieke CAP’s te verkrijgen, dus CAP’s die afkomstig zijn van een beperkt gebied van de cochlea, is het maskeren van de activiteit van de neuronen buiten het frequentiegebied waarin men is geïnteresseerd. Men bereikt dit door, gelijk met de kliks, hoogdoorlaat ruis aan te bieden en de afsnijfrequentie daarvan in opeenvolgende metingen stapsgewijs van hoog naar laag te schuiven. Een andere mogelijkheid is gebruik te maken van ‘notched noise’. Dit is ruis waarin een bepaald frequentiegebied verzwakt is en de frequenties buiten deze ‘stopband’ (‘sperband’) worden doorlaten. Beide methodes maken het mogelijk de responsie op een (breedbandige) klik op te splitsen in bijdragen uit verschillende frequentiegebieden. Men verkrijgt dan uiteindelijk een ‘smalle band responsie’. Zie voor uitgebreidere informatie over dit onderwerp niveau3.

4.4.1.7(2) Middeling

Wanneer men de boven besproken elektrische potentialen CM, SP, CAP wil meten, treden twee praktische problemen op. Het eerste is dat de signalen heel klein zijn en als gevolg daarvan overheerst worden door stoorsignalen (‘ruis’ genoemd). Het tweede probleem is dat ze nooit alleen optreden, maar altijd in combinatie, zoals te zien in Fig.2 (CM, SP en CAP). Om responsies op te diepen uit de ruis worden deze ‘gemiddeld’. Vroeger werd daarvoor gebruik gemaakt van een ‘averager’. Tegenwoordig is de meetopstelling verbonden met een PC met daarin voor dit doel ontwikkelde software. De stimulus wordt herhaalde malen aangeboden, b.v. 256 keer, en de responsies worden, over  steeds hetzelfde tijdsinterval t.o.v. de start van de stimulus, bij elkaar opgeteld. Het deel van de responsie dat steeds op dezelfde tijd en op dezelfde wijze aanwezig is – wat men zoekt – wordt dan geleidelijk groter. De ruis echter, waarvan de amplitude soms positief en soms negatief is (ruis heeft een ‘random’ verdeelde amplitude) wordt uitgemiddeld. Na deling van de som van de responsies door het aantal aanbiedingen wordt de ‘werkelijke’ grootte van de responsie verkregen. Het resultaat van deze signaalmiddeling is dat de signaal-ruis verhouding van de responsie verbetert. Het zal duidelijk zijn dat, naarmate de gezochte responsie kleiner is en/of de stoorruis sterker is, het aantal presentaties van de stimulus groter zal moeten zijn teneinde over een groter aantal te kunnen middelen.

Om CM, SP en CAP uit elkaar te rafelen zijn vele technieken beschikbaar. Om CM en CAP/SP te ontrafelen kan gebruik gemaakt worden van het feit dat, wanneer de polariteit van de stimulus omgekeerd wordt (in tegenfase wordt aangeboden) de polariteit van de CM eveneens verandert, maar de CAP en de SP nauwelijks veranderen. Door dus de stimulus alternerend, d.w.z. met afwisselende polariteit (+ en – fase), aan te bieden verdwijnt, bij de middeling, de CM mét de ruis en blijft alleen de CAP/SP combinatie over.

4.4.1.8(2) Klinische toepassing

Een klinische toepassing van de CAP is de ‘electrocochleografie’ (ECochG – vroeger als ECoG genoteerd). Daarbij wordt meestal gebruik gemaakt van de transtympanale methode (TT). Er wordt dus een naaldelektrode door het trommelvlies geprikt en op het promontorium geplaatst. Er wordt, zoals boven beschreven, gestimuleerd met korte toonstootjes. Voor deze stimuli wordt de CAP-drempel bepaald en/of worden I/O curven gemeten. De uitkomsten geven informatie over het functioneren van het perifere gehoororgaan. ECochG is van groot diagnostisch belang, zowel t.b.v. de differentiaaldiagnostiek (bij de ziekte van Menière) als t.b.v. de bepaling van de responsiedrempel. De drempelmeting is, omdat de patiënt er geen bewuste bijdrage aan levert, een vorm van ‘objectieve audiometrie’. Aanname daarbij is natuurlijk dat, wanneer men een verminderde of afwijkende responsie meet, dit alléén veroorzaakt wordt door een stoornis in de functie van de cochlea. Deze vorm van audiometrie is zeer geschikt om – wanneer andere methoden falen – jonge kinderen te ‘audiometreren’. Zie verder Hfdst.8.3.8.

4.4.1.9(2) Link2

http://www.cochlea.eu/en/cochlea

Literatuur

De verschillende potentialen, de theorieën eromheen en onderliggende cochleaire (patho)fysiologie worden goed beschreven in een aantal handboeken, zoals dat van Dallos (1973), Yost and Nielsen (2000), Pickles (1988) en Dallos, Popper and Fay (1996).

Voor een uitgebreid overzicht van meet- en analysetechnieken wordt verwezen naar de ‘klassieke’ literatuur op dit gebied: Eggermont et al. (1974), Ruben et al. (1976) en Eggermont (1976, 1977).

Hall (1992) geeft een breed overzicht van auditieve evoked potentials met uitgebreide literatuurverwijzing.

1. Antoli-Candela FJ, Kiang NY. Unit activity underlying the N_l potential. In: Naunton RF, Fernandez C (eds), Evoked electrical activity in the auditory nervous system. Academic Press, New York, 1978, pp. 165-191.
2. Boerhave Cursus. KNO-Audiologie Academisch Ziekenhuis Leiden, 1996.
3. Burkard RF, Don M, Eggermont JJ (Eds), ‘Auditory Evoked Potentials. Basic Principles and clinical application’. Lippincott, Williams & Wilkins. Baltimore, 2007.
4. Dallos P. The auditory periphery, Biophysics and physiology. New York and London 1973, pp. 276-284.
5. Dallos P, Popper AN, Fay RR. The cochlea. Springer Handbook of Auditory Research 1996; vol 8, New York.
6. Dallos P, Popper AN, Fay RR, eds. The Cochlea. New York: Springer-Verlag, 1996.
7. Don M, Eggermont JJ. Analysis of the click-evoked brainstem potentials in man using high-pass noise masking. J Acoust Soc Am 1979; 63: 1084-1092.
8. Don M, Eggermont JJ, Brackmann DE. Reconstruction of the audiogram using brainstem responses and high-pass noise masking. Ann Otol Rhinol Laryngol 1979; 88 (Suppl 57): 1-20.
9. Eggermont JJ. Electrocochleography. In: Keidel WD, Neff WB (eds), Handbook of Sensory Physiolol. Auditory system, part 3, Clinical and special topics. Berlin 1976, pp. 625-705.
10. Eggermont JJ. Compound action potential tuning curves in normal and pathological human ears. J Acoust Soc Am 1977; 62: 1247-1251.
11. Eggermont JJ. Narrow-band AP latencies in normal and recruiting human ears. J Acoust Soc Am 1979; 65: 463-470.
12. Eggermont JJ, Odenthal DW, Schmidt PH, Spoor A. Electrocochleography. Basic principles and clinical application. Acta Otolaryagol 1974; Suppl 316: 1-84.
13. Eggermont JJ, Don M. Analysis of the click-evoked brainstem potentials in humans using high-pass noise masking. II. Effect of click intensity. J Acoust Soc Am 1980; 68: 1671-1675.
14. Eggermont JJ, Don M. Mechanisms of central conduction time prolongation in brainstem auditory evoked potentials. Arch .Neurol 1986; 43: 116-120.
15. Evans EF, Elberling C. Location-specific components of the gross cochlear action potential. An assessment of the validity of the high-pass noise masking technique by cochlear nerve fibre recording in the cat. Audiology 1982; 21: 204-227.
16. Hall JW. Handbook of auditory evoked responses. Needham Heights, Mass USA, 1992.
17. Hall JW, Mueller HG. Audiologistst Desk Reference, vol I. San Diego 1997, p. 31.
18. Pettigrew AM, Liberman MC, Kiang NYS. Click-evoked gross action potentials and single unit thresholds in acoustically traumatized cats. Ann Otol Rhinol Laryngol Suppl 1983; 112: 83-96.
19. Pickles JO. Introduction to the physiology of hearing. London, 1988.
20. Prijs VF. Single-unit response at the round window of the guinea pig. Hear Res 1986; 21: 127-133.
21. Rodenburg M. Adaptation of action potentials. Int Audiol 1967; 6: 78-85.
22. Ruben RJ, Elberling C, Salomon, G, (eds). Electrocochleography. Baltimore, 1976.
23. Ruth RA, Lambert PR, Ferraro JA. Electrocochleography: methods and clinical applications. Am J Otol 1988; 9: 1-11.
24. Schoonhoven R. Responses from the cochlea: cochlear microphonic (CM), summating potential (SP) and compound action potential (CAP). In Burkard RF, Don M, Eggermont JJ (Eds), ‘Auditory Evoked Potentials. Basic Principles and clinical application’. Lippincott, Williams & Wilkins. Baltimore, 2007 (Chapter 9).
25. Stapells DR, Oates P. Estimation of the pure-tone audiogram by the auditory brainstem response: a review. Audiol Neuro-Otol 1997; 2: 257-280.
26. Tasaki I, Davis H, Legouix JP. Space-time pattern of the cochlear microphonics (guinea pig) as recorded by different electrodes. J Acoust Soc Am 1952; 24: 502-512.
27. Versnel H, Schoonhoven R, Prijs VF. Single-fibre and whole-nerve responses to clicks as a function of sound intensity in the guinea pig, Hear Res 1992a; 59: 138-156.
28. Versnel H, Prijs V.F, Schoonhoven R. Round-window recorded potential of single-fibre discharge (unit response) in normal and noise-damaged cochleas. Hear Res 1992b; 59: 157-170.
29. Yost WA, Nielsen DW. Fundamentals of hearing: An introduction. Ac Press Inc. San Diego etc., 2000.

Auteur

Schoonhoven, Lamoré, Eggermont

Revisie

April 2011