Als samenvatting wordt gebruikt het artikel van de hieronder vermelde auteurs in het Nederlands Tijdschrift voor Geneeskunde 1998;142:830-6, met als titel:

De cochlea: slechthorendheid bezien vanuit moderne fysiologische inzichten
J.H.M. Frijns en R. Schoonhoven
Voor de overname van de inhoud van dit artikel en de bijbehorende figuren is toestemming verkregen van de auteurs en van het Nederlands Tijdschrift voor Geneeskunde.

4.6.1.1(2) Overzicht

De cochlea is tonotopisch georganiseerd: elke frequentie tussen 20 Hz en 20 kHz heeft een eigen plaats op de basilaire membraan. Bovendien heeft de cochlea een groot dynamisch bereik (geluidssterkte). Actieve bewegingen van de buitenste haarcellen in het ‘organum spirale’ (orgaan van Corti) spelen een cruciale rol bij gehoorscherpte en frequentieselectiviteit. Reeds lang bekende fenomenen als combinatietonen en recentere bevindingen zoals spontane en opgewekte otoakoestische emissies (de cochlea als geluidsbron) passen in het beeld van de cochlea als een niet-lineaire en scherp afgeregelde versterker.

De meeste perceptieverliezen bij slechthorenden zijn te wijten aan beschadiging van haarcellen, bijvoorbeeld door geneesmiddelen. Schade aan de buitenste haarcellen verstoort de cochleaire versterker, waardoor behalve de gevoeligheid voor zachte geluiden, ook de frequentieselectiviteit afneemt. Schade aan de binnenste haarcellen lijkt op een geleidingsverlies. Tinnitus wordt niet veroorzaakt door otoakoestische emissies, maar is waarschijnlijk het gevolg van denervatie-hypersensitiviteit door verlies van cochleaire input.

Voor het waarnemen van geluid dienen luchtdrukvariaties met frequenties van 20 tot 20.000 Hz omgezet te worden in neurale informatie (actiepotentialen) op de gehoorzenuw (N. Cochlearis). Daartoe wordt het geluid opgevangen in het buitenoor en via het trommelvlies en de gehoorbeentjes in het middenoor overgebracht op het binnenoor (de cochlea). In de cochlea vindt de uiteindelijke transductie van mechanische trilling naar zenuwimpulsen plaats. De inzichten over dit proces zijn de laatste jaren aanzienlijk gewijzigd, waarbij de ontdekking dat het binnenoor ook geluiden kan produceren een cruciale rol heeft gespeeld (Kemp, 1978).

In dit artikel geven wij een korte uitleg over de anatomie en de fysiologie van de cochlea, waarbij wij nader ingaan op de actieve processen die ten grondslag blijken te liggen aan het gehoor en op de veranderingen die optreden bij diverse vormen van cochleaire afwijkingen.

4.6.1.2(2) Anatomie en fysiologie van de cochlea

De menselijke cochlea is een in 2 ¾ windingen opgerolde buis met een lengte van 35 mm die bestaat uit 3 scalae gevuld met endolymfe (ductus cochlearis, ook wel scala media) of perilymfe (scala tympani en scala vestibuli (Fig.1). De scala vestibuli en tympani staan met elkaar in open verbinding aan het eind van de gewonden cochlea-buis (het helicotrema). Op de ‘lamina basilaris’ (basilaire membraan), die de scheiding vormt tussen de ductus cochlearis en de scala tympani, bevindt zich het organum spirale (orgaan van Corti), dat de zintuighaarcellen bevat (Fig.1, zie ook Pickles 2008). Over de uiteinden van de stereocilia van deze zintuigcellen ligt de ‘membrana tectoria’.

De zintuigcellen zijn gerangschikt in één rij binnenste cellen (‘inner hair cell’; IHC) en drie rijen buitenste cellen (OHC). Elke IHC wordt door 10 tot 20 afferente vezels van de N. Cochlearis, leidend naar de nucleus cochlearis in de hersenstam, geïnnerveerd. De synapsen bevinden zich aan de basale zijde van de cel. De meeste afferente vezels (95%) innerveren steeds één IHC, slechts 5% gaat naar de OHC’s, waarbij elke vezel met een aantal OHC’s verbonden is. Naast in totaal circa 30.000 afferente vezels bevat de zenuw een veel kleiner aantal efferente vezels die beide typen haarcellen gelijkelijk innerveren; ze zijn afkomstig van ipsi- en contralaterale olijfkernen.

Door verschillen in ionensamenstelling van endo- en perilymfe bestaat er een potentiaalverschil van +80 mV tussen ductus cochlearis (endolymfe) en scala tympani (perilymfe). Bij het instandhouden van dit potentiaalverschil speelt het enzym Na⁺-K⁺-ATPase in de stria vascularis een belangrijke rol Kuijpers et al., 1970). De intracellulaire ionensamenstelling van de haarcellen leidt bovendien tot een potentiaalverschil van 45 (IHC) tot 70 mV (OHC) ten opzichte van de perilymfe die de haarcellen omringt. Dit resulteert in een potentiaalverschil van 125 (IHC) tot 150 (OHC) mV over de apicale haarcelmembraan, die de grens tussen endo- en perilymfe vormt (Fig.2, zie ook Pickles 2008). Bij deze rustpotentiaal worden veel synapsen reeds enigszins geactiveerd. Dit veroorzaakt een spontane activiteit in de afferente vezels tot tientallen actiepotentialen per seconde; opmerkelijk genoeg leidt die niet tot een geluidssensatie.

4.6.1.3(2) De cochlea als transducent

Geluid uit de buitenwereld wordt via de stapesvoetplaat in het ovale venster omgezet in vloeistoftrillingen in de cochlea (in de perilymfe van de scala vestibuli). Deze leiden tot een transversale trilling van de basilaire membraan. Als de stapes sinusvormig in trilling wordt gebracht, loopt er een golf in het basilaire membraan vanaf de stapes richting apex van de cochlea. Doordat de stijfheid van de basilaire membraan bij de vensters zeer hoog is en exponentieel afneemt richting apex, neemt de snelheid waarmee deze golf zich voortplant eveneens af richting apex, terwijl de amplitude van de golf toeneemt. Op een gegeven moment is de voortplantingssnelheid zo laag geworden dat de energie in de golf zich als het ware ophoopt op één plaats. Hier bereikt de amplitude dus een maximum, waarna de golf snel uitdooft (Dallos et al., 1996). De zintuigcellen op de plaats van het maximum worden door de toon het sterkst geprikkeld. Door de genoemde mechanische eigenschappen van het basilaire membraan ligt de plaats van dit maximum voor lagere trillingsfrequenties steeds verder af van de stapes. De zo ontstane frequentie-plaatsrelatie wordt aangeduid als de tonotopie van de cochlea (Fig.3).

Deze relatie heeft ruwweg een logaritmisch verloop, dat wil zeggen dat elk octaaf (factor 2 in frequentie) een even lang stuk (circa 3 mm) van de basilaire membraan beslaat.

Doordat tectoriale en basilaire membraan verschillende ophangpunten hebben, leidt hun transversale beweging tot onderlinge schuifbewegingen en afbuiging van de stereocilia van de haarcellen. Buiging in de richting van de stria verhoogt de instroom van K⁺-ionen, wat leidt tot een depolarisatie van de haarcel, terwijl buiging in tegengestelde richting een (relatief veel geringere) hyperpolarisatie induceert (Russell, 1986). Hierdoor verandert de vuurfrequentie in de afferente vezels. Een geringe verandering in de vuurfrequentie ten opzichte van de spontane activiteit wekt reeds een geluidssensatie op. Bij maximale stimulatie ontstaan enkele honderden actiepotentialen per seconde. Voor stimulatie met geluidsfrequenties tot maximaal enkele kHz blijft de periodiciteit van het alternerend de- en hyperpolariseren van de haarcel zichtbaar in het neurale vuurpatroon. Hieruit kunnen de ontvangende hersencellen bepalen welke geluidsfrequentie aangeboden wordt. Wij noemen dit temporele codering van toonhoogte-informatie. Bij hogere geluidsfrequenties is een dergelijke synchronie van vuren met de stimulus echter niet aanwezig en wordt de toonhoogte-informatie dus niet temporeel gecodeerd.

4.6.1.4(2) Groot dynamisch bereik van het gehoor

De capaciteiten van een goed gehoor worden bepaald door twee eigenschappen. De eerste daarvan is de extreme gevoeligheid bij een groot dynamisch bereik: bij de zwakste luchtbeweging die wij als geluid waarnemen, bewegen de stereocilia van de haarcellen circa 0,04 nm (dat is zelfs minder dan de diameter van een waterstofatoom – Pickles, 1985). Tegelijkertijd kunnen wij geluiden met een 10⁵ maal grotere amplitude genuanceerd waarnemen zonder pijn of onmiddellijke schade. De subjectieve luidheid varieert daarbij ongeveer logaritmisch met de amplitude, die mede daarom wordt uitgedrukt in de logaritmische maat decibel (dB). De genoemde factor 10⁵ komt overeen met een dynamisch bereik van 100 dB. Doordat harde geluiden minder worden versterkt door de mechanica van de basilaire membraan dan zachte, wordt dit dynamisch bereik gecomprimeerd tot een bereik van ongeveer 50 dB in de respons van het basilaire membraan (Fig.4). Zonder deze compressie zou een geluid van 60 dB SPL een geanimeerd gesprek ons reeds ernstige lawaaischade opleveren.

4.6.1.4(2) Hoge frequentieselectiviteit

De tweede eigenschap betreft de hoge frequentieselectiviteit. Daardoor kunnen wij gelijktijdig aanwezige frequentiecomponenten die slechts 20% van elkaar verschillen afzonderlijk waarnemen en kunnen wij zoveel nuances van spraak waarnemen dat wij een spreker verstaan te midden van geroezemoes, zelfs als dat een wat grotere geluidssterkte heeft dan de stem van de spreker.

De basis van deze frequentiescheiding ligt in de tonotopische organisatie van de mechanische respons van het basilaire membraan. Gevolg van deze tonotopie is dat elke geluidsfrequentie een andere subpopulatie haarcellen en dus zenuwvezels zal activeren. Omdat deze tonotopie tot in de hogere cerebrale centra behouden blijft, kan deze plaatscodering, naast de temporele codering, gebruikt worden bij het identificeren van frequentiecomponenten in een geluid.

Grofweg functioneert de cochlea dus als een reeks parallel geschakelde filters met hoge gevoeligheid, die elk een smalle frequentieband uit het geluid filteren en de intensiteit daarvan vertalen in toegenomen vuuractiviteit in de ermee verbonden zenuwvezels (Fig.5).

4.6.1.5(2) Discrepanties binnen de klassieke zienswijze

De tonotopie van de cochlea is aan de hand van post-mortemonderzoeken in de jaren veertig beschreven door Von Békésy (1943), terwijl men tegelijkertijd in de psychofysica het gehoor steeds beter kon bestuderen met luisterproeven. Eén van de via luisterproeven bestudeerde fenomenen is het optreden van combinatietonen (Hall, 1972). Dit zijn frequentiecomponenten die niet in het ingangssignaal aanwezig zijn en klaarblijkelijk ontstaan ten gevolge van vervorming (niet-lineariteit) in het oor. In het reeds beschreven filtermodel van de cochlea betekent dit dat wanneer wij slechts twee filters aandrijven, er ook uit andere, niet direct aangedreven kanalen een respons kan komen. Combinatietonen zijn overigens reeds vele eeuwen bekend en werden bijvoorbeeld gebruikt door de zeventiende-eeuwse Italiaanse componist Tartini. De best waarneembare combinatietoon is die bij frequentie 2f₁-f₂ (waarbij f₁ de laagste en f₂ de hoogste van twee aangeboden frequenties is (zie Fig.3).

In de jaren zestig en zeventig kwamen elektrofysiologische meetmethoden voor het vuurgedrag van afzonderlijke gehoorzenuwvezels ter beschikking. Daarmee en met luisterproeven werden een grotere gevoeligheid en frequentieselectiviteit aangetoond dan de mechanische metingen aan menselijke post-mortempreparaten aangaven. Mechanische experimenten bij een levend organisme leveren wél dezelfde resultaten op (Sellick et al, 1982). Het onderliggende mechanisme is echter zeer delicaat en gaat snel verloren door onder andere hypoxie, verschillende farmaca met invloed op de endocochleaire potentiaal en door overlijden.

4.6.1.6(2) De cochlea als geluidsbron

De meetresultaten betreffende de grote mechanische gevoeligheid en selectiviteit van de cochlea in levende organismen leidden tot een toegenomen interesse in de werking van de cochlea aan het begin van de jaren tachtig. Deze interesse werd versterkt door de ontdekking dat oren niet alleen geluid opvangen en verwerken, maar dit ook produceren met een intensiteit rond de normale hoordrempel. Het gaat om zuivere toontjes uit de cochlea afkomstig (Probst et al., 1991), die (spontane) otoakoestische emissies ((S)OAE’s) worden genoemd. Ze zijn meetbaar aan ongeveer éénderde van alle normaal functionerende oren en sterker bij pasgeborenen.

Soortgelijke geluiden zijn ook opwekbaar met geluidsklikken van buitenaf (Kemp, 1978). Aanvankelijk werden deze geluiden Kemp-echo’s genoemd (naar de ontdekker), maar inmiddels staan ze bekend als ‘click-evoked otoacoustic emissions’ (CEOAE’s). Ook de, uit luisterexperimenten bekende, combinatietonen gaan gepaard met OAE’s, die vervormingsproduct-(‘distortion product’)-otoakoestische emissies (DPOAE’s) heten en net als CEOAE’s bij alle normaalhorenden voorkomen, maar vrijwel niet bij een gehoorverlies groter dan 40 dB (Probst, 1991). Omdat voor het meten van OAE’s geen actieve medewerking van de patiënt vereist is, vormt dit een mogelijkheid tot gehoorscreening bij baby’s en zwakzinnigen.

4.6.1.7(2) Actief bewegende haarcellen

In de jaren tachtig werden actineachtige eiwitten in de laterale membraan van alleen de OHC’s ontdekt (Flock et al., 1981). Dit leidde tot het vermoeden dat deze cellen behalve sensorisch ook motorisch actief zijn. Het bleek inderdaad dat in een extern elektrisch veld hun lengte verandert (Ashmore, 1987). Bij fysiologische depolarisatie ontstaat een verkorting van de cel en bij hyperpolarisatie een verlenging. Er wordt algemeen verondersteld dat er in vivo sprake is van het volgende terugkoppelmechanisme, waarmee zowel de extreme gevoeligheid als de scherpe filtering kan worden verklaard: door trilling van de basilaire membraan ontstaan periodieke veranderingen in de buitenste haarcelpotentiaal. Deze induceren periodieke, actieve bewegingen van de haarcel die, omdat deze cellen zowel aan de basilaire membraan als aan het tectoriale membraan vastzitten, de trilling van het hele orgaan van Corti versterken of verzwakken.

De hypothese is dat versterking selectief optreedt voor frequenties in de buurt van de karakteristieke frequentie van het betreffende gebied van de basilaire membraan. Deze versterking satureert circa 50 dB boven de drempel, dat wil zeggen dat de bijdrage van de OHC’s aan de basilaire-membraanbewegingen daarboven niet meer toeneemt. Daarboven wordt het systeem passief en gedraagt het zich conform de bevindingen van Von Békésy. Dit maakt dat deze zogenaamde cochleaire versterker sterk niet-lineair werkt, waarmee dit model ook reeds lang bekende aspecten van cochleaire niet-lineariteit (zoals bij de combinatietonen) kan verklaren.

Als de cochleaire versterker extreem gevoelig is afgesteld, kunnen kleine inhomogeniteiten en (of) interne ruis maken dat deze gaat ‘rondzingen’, waarmee ook SOAE’s verklaard kunnen worden. Evenzo zal een kortdurende geluidspuls een dergelijk systeem aanzetten tot een trilling die zich als CEOAE manifesteert. Essentieel voor het meetbaar zijn van OAE’s als manifestaties van binnen de cochlea opgewekte oscillaties is dat deze laatste evenzeer via het ovale venster en het middenoor aan de buitenwereld worden doorgegeven als dat andersom het geval is voor van buiten komend geluid.

Het fijnregelen van de cochleaire versterker geschiedt waarschijnlijk door de efferente innervatie van OHC’s (Guinan jr, 1996). Elektrische stimulatie van de efferente banen leidt tot maximaal 10 dB hogere responsdrempels, zwakkere OAE’s en afname van niet-lineaire effecten. Wellicht hebben deze efferente vezels een beschermende functie, aangezien ze geactiveerd blijken te worden door harde contralaterale geluidsstimuli.

4.6.1.8(2) Pathofysiologie

De meeste perceptieverliezen zijn te wijten aan beschadigingen van haarcellen. Bij elektronenmicroscopisch onderzoek van bijvoorbeeld door lawaai beschadigde cochlea’s blijken de filamenten die de stereocilia onderling verbinden eerst stuk te gaan, waarna de stereocilia omknakken, samenklonteren en vervolgens verdwijnen. Hierna gaat de gehele cel verloren (Hamernik et al., 1986). Dit proces treedt eerder op bij de OHC’s dan bij de IHC’s. Primaire haarcelbeschadiging door ototoxische medicatie (aminoglycosiden en op platina gebaseerde cytostatica) grijpt daarentegen aan op de celmembraan, behalve bij carboplatine, dat juist eerst de IHC’s beschadigt.

Metabole functiestoornissen op het niveau van de elektrogene pompen in de stria vascularis worden vooral beschreven bij presbyacusis en hoge doses lisdiuretica (furosemide, etacrynezuur). Een lagere endocochleaire potentiaal leidt dan tot achteruitgang van de haarceltransductie.

De gevolgen van dergelijke afwijkingen voor de hoorfunctie zijn goed te begrijpen aan de hand van het actieve cochleamodel. Schade aan OHC’s beïnvloedt de cochleaire versterker, waardoor de gevoeligheid voor zachte geluiden afneemt, hetgeen is terug te vinden als hogere drempels bij toonaudiometrie. Tegelijkertijd wordt de frequentieselectiviteit kleiner, dat wil zeggen dat de cochleaire filters breder worden. Dit leidt onder andere tot een sterk verminderde spraakverstaanvaardigheid in achtergrondgeluid. De verminderde frequentieselectiviteit zorgt ervoor dat een bovendrempelige toon al snel een veel grotere groep vezels dan normaal activeert (zie Fig.5b).Daardoor zal de luidheidssensatie bij toenemende fysische geluidssterkte sneller stijgen dan in de normale cochlea. Dit effect wordt versterkt doordat de OHC-schade ook de compressie van de basilairemembraanrespons negatief beïnvloedt (zie Fig.4). De hierdoor ontstane combinatie van verhoogde drempel met een daarbij behorende onevenredig sterk toenemende bovendrempelige luidheidssensatie heet ‘loudness recruitment’ en is karakteristiek voor cochleaire laesies. Recruitment gaat vaak gepaard met een afnemende spraakverstaanvaardigheid bij hogere geluidsintensiteiten. Dit verschijnsel heet fonemische regressie.

Schade aan IHC’ s leidt tot verminderde gevoeligheid voor het detecteren van de beweging van de basilaire membraan, maar niet tot verminderde frequentieselectiviteit. In die zin leidt schade aan IHC’s tot een verlies dat functioneel enigszins lijkt op een geleidingsverlies: recruitment treedt niet op.

4.6.1.9(2) Tinnitus

Een klinisch belangrijk verschijnsel bij cochleaire slechthorendheid is oorsuizen. Dit fenomeen lijkt naar zijn aard verband te houden met veranderingen in de spontane vuuractiviteit van vezels van de N. Cochlearis. Hoge doseringen acetylsalicylzuur veroorzaken acute tinnitus bij de mens en blijken bij proefdieren een tijdelijk verhoogde spontane activiteit te veroorzaken (Evans et al., 1981). Bij diermodellen van chronische cochleaire aandoeningen wordt echter juist een reductie van deze spontane activiteit gevonden (Kiang NY-S et al., 1970). Eén van de vele verklaringsmodellen is dat de tinnitus hierbij centraal ontstaat als gevolg van een soort denervatie-hypersensitiviteit na verdwijnen van input vanuit de cochlea. In overeenstemming met deze hypothese is het feit dat doorsnijding van de N. Cochlearis geen effectieve therapie gebleken is. De suggestie dat SOAE’s de oorzaak zijn van tinnitus is inmiddels weerlegd, onder andere door de observatie dat OAE’s niet optreden in oren met perceptieve verliezen boven 40 dB, terwijl hierbij juist wel tinnitus voorkomt.

4.6.1.10(2) Conclusie

Volgens de huidige inzichten hebben de IHC’s als taak bewegingsinformatie van de basilaire membraan over te dragen aan de afferente vezels van de N. cochlearis, terwijl de OHC’s de gevoeligheid, het dynamische bereik (compressie) en de frequentieselectiviteit van de cochlea vergroten. Vooral dit laatste, fysiologisch gecompliceerde, mechanisme is zeer gevoelig voor diverse pathologische invloeden. Dit verklaart waarom de kernproblemen bij de meeste perceptief slechthorende patiënten gevormd worden door een vermindering van de gevoeligheid, het dynamisch bereik en de frequentieselectiviteit in de cochlea. Klinisch uit zich dit onder andere in loudness recruitment, in een slechter spraakverstaan bij te luide spraak (regressie) en in een slechter spraakverstaan in achtergrondgeluid. Wellicht kunnen deze nieuwe inzichten in combinatie met moderne signaalverwerkingstechnieken leiden tot een verbetering van de revalidatiemogelijkheden in de nabije toekomst.

Auteurs

Prof. dr.ir.J.H.M Frijns KNO-arts-fysicus,
Dr.R.Schoonhoven, fysicus-audioloog.
Leids Universitair Medisch Centrum, afd. Keel-, Neus- en Oorheelkunde, Postbus 9600, 2300 RC Leiden.

Revisie

mei 2012