锤骨、砧骨和镫骨如何将声音放大传入内耳?

塔夫茨大学萨克勒生物医学科学研究生院神经科学助理教授道格拉斯·E·维特解答了这个疑问.

锤骨、砧骨和镫骨——也分别称为锤骨、砧骨和镫骨,统称为“中耳听小骨”——是人体内最小的骨骼。它们位于中耳,是听觉系统中鼓膜和耳蜗(螺旋形管道,内有毛细胞,负责将声音传递到大脑)之间的部分。要理解这些骨骼在听力中的作用,需要理解杠杆原理。这是因为中耳听小骨的排列方式以及它们之间的相互作用就像一个杠杆系统。

所有杠杆都会产生机械优势。它们用于通过在一端施加较小的力并在较长的距离上作用,从而在杠杆的另一端产生较大的力,作用于较小的距离。中耳听小骨的杠杆作用能力对于产生使我们能够听到的巨大力量是必需的。


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作为陆生动物,我们生活在气体环境中。但是,我们的内耳充满了液体,这代表着一个问题。举个例子,大多数人都有在水下听声音的亲身经历。如果有人在水面上对你尖叫,声音会被大大减弱,以至于难以理解甚至根本听不到。这仅仅是因为大部分声音都被水面反射掉了。

那么,我们如何接收空气中的声音(仅仅是空气分子的振动),并将它们穿过耳道和内耳之间的气液界面呢?我们需要一个系统来利用这些空气振动来推动内耳液体的表面。

当鼓膜因声音撞击其表面而振动时,它会带动听小骨运动。听小骨以特殊的顺序排列以执行它们的工作。锤骨直接位于鼓膜后面并与之相连——鼓膜本质上是一个大型的声音收集器。锤骨的排列方式是,一端连接到鼓膜,另一端与砧骨形成类似杠杆的铰链。砧骨的另一端与镫骨融合(因此砧骨和镫骨作为一个骨骼发挥作用)。然后,镫骨与耳蜗中称为“卵圆窗”的特殊开口连接。镫骨的底板——骨骼的椭圆形扁平部分,类似于实际马镫中放置脚的部分——松散地附着在耳蜗的卵圆窗上,使其能够像活塞一样向内和向外移动。活塞式的动作会在充满液体的内耳中产生振动,这些振动用于向大脑发出声音事件的信号。如果没有中耳听小骨,只有大约0.1%的声音能量能够进入内耳。

克服空气传播的声音进入充满液体的内耳的问题,是通过两种主要机制解决的:将来自大鼓膜的能量集中到位于卵圆窗中的小镫骨底板上;以及锤骨和砧骨-镫骨复合体之间的杠杆作用。例如,在猫身上,从鼓膜到镫骨的简单力集中会将卵圆窗的压力增加到鼓膜处测量的压力的约 35 倍。中耳骨的杠杆作用赋予系统进一步的机械优势——这是因为砧骨比锤骨短——并且进一步将压力大约增加了 35%。通过这种方式,我们克服了将空气振动传递到加压的、充满液体的内耳的问题。

并非所有动物都具有相同的中耳骨结构。事实上,爬行动物、两栖动物和鸟类的中耳只有一个骨骼,称为柱骨,它将鼓膜直接连接到耳蜗的卵圆窗。当我们检查这些动物最敏感的听力频率时,它们在 1,000 赫兹 (1 kHz) 左右的声音表现非常好,但在较高频率下很快就会失去良好的听力能力。另一方面,具有三个中耳骨的动物往往能听到更高的频率。对于人类来说,我们的听力可以扩展到 20 kHz,尽管我们一生中的大部分时间都在关注 4 到 8 kHz 之间的声音。

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