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听觉医学

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1 拼音

tīng jué yī xué

听觉医学是一门研究生理、病理状态下听觉功能听力障碍康复科学。听觉医学是第二次世界大战后才发展起来的一门年轻学科,最初源于听力检测技术,属耳科学范畴,其基础是耳的解剖和生理以及有关的声学知识,以后随着电声和数字信号处理及芯片等技术的发展以及对基础医学认识的不断提高而发展,逐渐成为一门独立的学科。听觉医学涉及多门学科,包括耳科学、神经科学生理学病理学心理学及教育学等,是一门新兴的边缘学科。

现代科学技术的进步,极大地促进了医学科学的发展。21世纪的医学发展趋势是分子生物学、医学信息学、基因工程、微创技术及预防医学的发展。听觉医学由于其自身的特点,决定了其与高科技含量的成果紧密结合的必要。我们相信听觉医学将有更大的发展,并为人类健康做出更大的贡献。

2 听觉医学发展简史

在医学科学史中,有许多杰出科学家为听觉医学和耳科学的发展做出了不朽贡献,他们从耳的解剖到生理、从耳科学各种检查技术的发明到耳科疾病治疗手段的创新,给我们留下了深刻的回忆

早在文艺复兴时期,近代解剖学创始人维萨里(Andreas Vesalius,1514-1564)在1543年发表了划时代的著作《人体的构造》(De corporis humani fabrica)。 维萨里对卵圆窗、蜗窗、鼓 岬、前庭半规管咽鼓管进行了简单描述,有学者认为是他命名了锤骨砧骨和橙骨。尽管他对耳科学解剖方面的贡献比不上对大体解剖的影响,但他仍被认为是最早的耳科解剖学家。

 

与维萨里同时代的欧斯塔修(Bartolomeo Eustachi,1513-1574)是意大利罗马解剖学家,著有《解剖学记录》(1714年出版),书中正确描述了听骨、内耳蜗轴及咽鼓管(Eustachian管)。

 

意大利文艺复兴时期百科全书式的学者吉罗拉莫•卡尔达诺(Girolamo Cardano,1501~1576)于1550年发现将震动的音叉置于门齿上即可感觉到声音,表面声音可通过骨质传到内耳感觉装置,即骨导现象。

   

安东尼奥·斯卡帕(Antonio Scarpa,1752~1832)出生于意大利特雷维索省(Treviso)。除了Scarpa神经节(前庭神经节)是 斯卡帕最早发现外,其实最早描述膜迷路和内淋巴、最早准确描绘耳蜗前庭神经终末支分布的人也是斯卡帕。1772年 斯卡帕发表了他的第一篇论文《耳的圆窗结构,或第二鼓膜的解剖学观察》。1774年, 斯卡帕开始研究神经系统,1774年发表了关于神经节和神经丛研究的论文,这是 斯卡帕最重要的工作。其它以斯卡帕命名的名词还有:Scarpa’s fluid(内淋巴)、Scarpa’s foramen(鼻腭神经孔)、 Scarpa’s hiatus(蜗孔)、Scarpa’s membrane(圆窗膜、第二鼓膜)、Scarpa ’s nerve(鼻腭神经)等。

耳蜗螺旋管的发现者是Friedrich Christof Rosethal(1780~1829)。Rosethal因为发现了耳蜗里的骨性蜗轴的正确结构而被誉赞。有趣的是,在Scarpa关于螺旋器的详细描述中,没有提及螺旋管,仅暗指耳蜗两个骨性部分之间有一空间位置。经过大量亲自解剖之后,Rosethal发现他自己观察到的与Scarpa描述的不一致。这个伴随鼓阶绕着蜗轴旋转的螺旋型的管被称为Rosethal管,里边有耳蜗螺旋神经节。

阿方索·柯替(Alfonso Corti, 1822~1876),意大利人。1850 年初到达德国维尔茨堡,在克利克(Kolliker,瑞士解剖学家、组织学家和动物学家)的指导下研修内耳解剖与组织学。柯替在一篇著名的论文中描述了下列以他的名字命名的结构:螺旋器(柯替器)、柱细胞(pillar of Corti)、柯替隧道(tunnel of Corti)、外毛细胞、盖膜(Corti′s membrane)和基底膜。

耳蜗管前庭壁的发现者:恩斯特·莱斯内尔(Ernst Reissner,1824~1878)。在Corti发表关于螺旋器论文的同一年,莱斯内尔在膜迷路工作原理的阐述上取得了巨大进步。为了准备医学学位论文,莱斯内尔选择鸡、奶牛、猪和人的胚胎进行迷路研究。他在1851年发表的论文里,第一次揭示了内淋巴膜迷路是一个封闭的系统,它漂浮于外淋巴中的方式与脑和脊髓漂浮于脑脊液中的方式相同。他描述了迷路中的前庭膜,后来被命名为Reissner膜。

奥托·弗里德里希·代特(Otto Friedrich Deiters,1834~1863)出生于波恩,1856年获医学学位, 此后,代特曾在柏林与著名的病理学家魏尔啸(Virchow)一同工作,侧重于耳和神经系统的研究。1860年,代特描述了内毛细胞和现在以他的名字命名的支持细胞,即Deiters细胞。

维克托·亨森(Viktor Hensen,1835~1924)出生于德国 石勒苏益格(Schleswig)。1854~1856年, 亨森曾在维尔茨堡(Wusburg)师从于Kolliker和Virchow。1863 年,亨森描述了现在以他的名字命名的Hensen细胞和盖膜上的Hensen纹。Hensen纹是盖膜上突起的三角形亚结构,覆盖在内毛细胞上。

弗里德里希·马修·克劳迪厄斯(Friedrich Matthew Claudius,1822~1869)出生于德国吕贝克(Lubeck)。1856年, 克劳迪厄斯描述了现在以他的名字命名的细胞(Claudius细胞) ,该细胞位于螺旋器上Hensen细胞的外侧。

Arthur Boettcher(1831~1889)出生于德国Bauske,曾在法国和奥地利求学,研究人类迷路的解剖。1856年,25岁的Boettcher描述了现在以他的名字命名的细胞(Boettcher细胞),此外,以Boettcher命名的结构还有Boettcher神经(位于内听道内的耳蜗神经)和Boettcher管(连接球囊和椭圆囊的小管)。

Jean-Pierre Nuel(1847~1920)出生于卢森堡的Tetange。他的知名是对耳科学的贡献,特别是对内耳解剖的研究。1872年,Nuel描述了现在以他的名字命名的解剖结构-Nuel间隙。

Hermann von Helmholtz(1821~1894)出生于波茨坦。他的研究领域是神经生理学、视觉及听觉生理学,在这两个领域取得了杰出的成就。他在生理声学最重要的著作是《音乐理论的生理基础——音调的感觉》(On the Sensations of Tone As a Physiological Basis for the Theory of Music)。在这本书里,他把耳解剖、耳生理、物理、数学、听觉心理融为一体,用认识论的方法分析感觉、神经传导、音乐理论与外部世界之间的联系,进一步扩展了内耳共鸣的假说。Helmholtz用音叉、汽笛、重弦、玻璃瓶样共鸣腔等进行试验,将Corti描述的内耳解剖与音调和共振结合起来,提出了类似于钢琴弦共鸣的共振理论。Helmholtz认为,耳的不同部位因不同的音调而振动,内耳的基底膜接受到感觉后,再把感觉传导到听神经纤维。由于对耳蜗解剖的误解,他错误地认为Corti柱或基底膜上的纤维对各种音调的声音起反应。现在我们知道对音调起作用的应该是毛细胞。虽然他的共振理论不完全正确,但是为内耳音调识别的“定位理论”打下了基础。

乔治·冯·贝克西(Georg von Békésy,1899~1972),匈牙利裔美国物理学家。1899年6月3日生于匈牙利的布达佩斯;1972年6月13日卒于夏威夷。贝克西是一个外交官的儿子。他曾在瑞士伯尔尼大学学习,1920年毕业,随后入布达佩斯大学继续深造,1923年获得博士学位。以后,贝克西几乎用了四分之一世纪的时间从事匈牙利电话系统的声学研究工作。同时他又在布达佩斯大学担任教学工作。贝克西的工作未曾受到第二次世界大战的干扰。战后,苏联军队占领了这个国家,贝克西便于1946年来到瑞典,1947年来到美国,后一直在哈佛大学工作。他设计了一台用于测量听觉功能的听力计。同时,还提出了有关听觉的理论,从而替代了首先由黑尔姆霍兹提出的理论。

了了解他的学说,我们首先要解释一下声音的传递。声波由外耳道空气传至鼓膜,并通过鼓膜的振动传递给中耳的三块听小骨:锤骨、砧骨和镫骨。通过它们将振动送到内耳中。内耳的耳蜗是主要的听觉器官,由前庭阶、鼓阶和位于中间的蜗管组成,是一封闭小室,当前庭阶起点处的卵圆窗内移时,鼓阶末端的圆窗(蜗窗)就向外凸出,声音的压力波就这样穿过内耳液,使位于蜗管的基底膜产生位移。基底膜由两万四千多根并行的纤维构成,这些纤维顺着耳蜗的纵向渐渐展宽。而耳蜗可以对声音的频率进行初步分析,耳蜗底部感受高音调,顶部感受低音调,中等音调的感受则与耳蜗中部有关。

关于听觉器官如何对声音进行分析的问题,有许多假说,而以位置学说受到多数人的赞同。位置学说的基本观点认为:不同音调引起耳蜗基底膜不同部分的振动,音频分析首先决定于基底膜的振动位置。位置学说中又以共振学说(resonance theory)提出最早和流行最为广泛。黑尔姆霍兹(H. von Helmholtz)于1867年首次提出共振学说,他把耳蜗基底膜视为对不同频率声波的共振元件。这些元件选择性地对一定频率的声波发生共振。近蜗底的横纤维短,与高频音共振;近蜗顶的横纤维长,与低频音共振。声音是由各种频率的基本振动混合而成的,每个声音激励起基底膜某些纤维的同时振动。哪一部分基底膜共振,哪里的毛细胞就兴奋,声音就由此转为神经冲动,经听神经传入中枢,引起音调的感觉。根据共振学说,每秒16~20000次的声波就认为是由基底膜上大约24000条横纤维分别予以共振而得到初步分析。共振学说在实验及临床上也得到证明,如蜗底受伤,则高音感受发生障碍;蜗顶受损,则低音感受消失。

至20世纪40年代,横纤维的共振现象因一些实验事实而受到怀疑。贝克西1951年对刚死的人的尸体的耳蜗进行了直接观察,未发现基底膜的横向纤维有足够产生共振的张力。因此认为,将基底膜的横向纤维视为共振元件是不正确的。他采用人工方法代替镫骨以不同频率振动卵圆窗时,有一大段基底膜以行波的方式随之振动。振动从蜗底开始,逐渐向蜗顶推进,其幅度也随之逐渐加大,直到基底膜的某一部位,振幅达到最大值时,振动即停止前进而逐渐消失。就像人在抖动一条绸带时,有行波沿绸带向远端传播一样。对不同频率的声波刺激,基底膜最大振幅所在部位也不同。声波频率越低,最大振幅所在部位越靠近蜗顶;声波频率越高,其最大振幅所在部位越靠近蜗底镫骨底板。因此认为频率的分析决定于基底膜行波的最大振幅所在部位,这就是听觉的行波学说(traveling wave theory)。行波学说为位置学说的一个流派,也可说是共振学说的发展,目前已为大多数学者所公认。鉴于这个结果,1961年,贝克西因“发现了耳蜗内部刺激的物理机制”而荣获诺贝尔医学和生理学奖。成为在这个学科范畴中第一个获得诺贝尔奖金的物理学家。他的研究生涯可以用诺贝尔奖评语加以概括:“毫无疑问,如果没有贝克西,我们就不可能对听觉刺激和物理机制有如此清楚的了解。”

3 贝多芬耳聋之谜

我们都非常熟悉世界著名作曲家贝多芬(Ludwig van Beethoven,1770-1827)和他的不朽的作品,但让我们更惊讶的是,他的最伟大的作品《第九交响曲》竟是他耳朵全聋后的杰作。耳聋者能作音乐,已是奇迹,更何况所作的又是世间最伟大的作品!

贝多芬的耳病起于1798年他28岁的时候,直到57岁(1827年)逝世,其间二十余年全是耳聋为祟的时期。然而他大部分的作品却在这时期产生。到了后来全聋期,他仍是坚持作曲,终于作出了最伟大的《第九交响曲》而搁笔。临终的时候,他口中还这样叹到:“唉!我只写了几个音符!”。

贝多芬何以会耳聋的呢?根据病历,许多医学专家认为贝多芬是先天梅毒病人。由于梅毒的慢性进行性损害使他的听力丧失。也有医生认为贝多芬的耳聋是某种结核病引起的,还有人认为是由Paget病Whipple病所致。这位音乐家一生贫病交加,得过天花伤寒水痘营养失调、肝损伤等疾病,这众多因素也能促使听力衰退,但真相如何,目前已难以澄清。

根据早年贝多芬写给朋友Wegeler医生的书信分析,贝多芬早期的听力损失以高频为主,并伴有重振和严重的耳鸣,耳聋的性质可能是传导性的。后来他的健康每况愈下,晚期还患有进行性黄疸呕吐腹泻和持续水肿。1827年3月26日这位伟大的音乐家在维也纳去世,死因为现今的肝肾综合征。当时Johann Wagner和Rokitansky两位医生一起对贝多芬做了尸检。贝多芬的耳廓很大,外形不规则,耳甲宽阔。外耳道盖满鳞片,鼓膜被鳞片覆盖。颞骨岩部,尤其是耳蜗周围血管丰富,乳突很大,内衬含血管的膜性组织位听神经皱缩并有脱髓鞘改变。许多耳科专家赞同贝多芬的耳聋属于耳蜗型耳硬化症,这可以解释其进行性混合性高频听力减退伴有重振,音语辨别率减低和耳鸣,发病年龄亦与该病相符。然而在尸检中未发现镫骨底板固定。

因为耳病,贝多芬渐渐失去了听觉,可以想象他的悲痛和绝望,他曾经想到自杀,甚至连遗嘱都写好了。但是,经过无数次激烈的思想斗争之后,贝多芬挺过来了,决心坚强地活下去,把自己的音乐才华献给人类。于是,贝多芬以顽强的毅力同耳聋做斗争,勇敢地向命运挑战。据说,他请机械师为他特制了一个助听器来帮助作曲。开始,他戴上助听器,还可以听到一些微弱的声音,但是后来渐渐感到助听器也不管用了。他又请人为他特制了一支小木棒,创作时,他将这支小棒的一端插在钢琴共鸣箱里,另一端咬在牙齿中间,利用小木棒的震动,来察觉音调,帮助作曲,就这样,一直坚持到他去世。

    

I shall seize Fate by the throat; it shall certainly not bend and crush me completely.

(我要扼住命运的咽喉,它将无法使我完全屈服)

-- Ludwig van Beethoven, letter to F G Wegeler, 1801

两耳失聪的贝多芬为什么还能创作出伟大的作品呢?这就与内心听觉有关了。音乐的内心听觉是一种心理现象,它是一种不依赖音响,仅凭记忆表象思维而准确地构成内心音乐意象的能力,或者说是音乐的各种音响以听觉表象的形式在人脑中的想象与再现,它与人的过去感知音乐的经验积累、对音乐感性体验的质量以及人的音乐审美情感都有着直接、内在的联系,是人在音乐实践活动中逐步培养建立起来的。内心音乐听觉发展水平的高低,直接影响着音乐创作、音乐表演及音乐欣赏等音乐实践活动的质量以及创作灵感的产生。在贝多芬这样杰出的作曲家脑海里,早已积累了各式各样的音乐音响,并掌握了各种音乐表现手段。他“显然是利用了过去所积累的丰富材料和敏慧的听觉经验的高度修养,以及强有力的音乐想象力和深刻的音乐逻辑手段。”他的耳聋“迫使他利用了听觉表象的综合及纯理智的,非感性的发展。”音乐家在过去经验积累的基础上,可以完成对音乐作品的构思,只有丰富的音响想象,娴熟的创作技巧,并把炽热的激情全部倾注在乐谱上,才能创作出不朽的音乐作品,这正是由于他们早已具备了非凡的内心音乐听觉能力的缘故。贝多芬在失聪后以顽强的毅力创作了《第九交响曲》,并在首演时,亲自指挥交响乐团进行了演奏。被称为捷克新音乐之父的斯美塔那也是两耳全聋后创作了交响诗《我的祖国》。他们所创作的不朽的名作,正是音乐内心听觉重要作用的佐证。

4 听觉医学研究方法

为了观察、分析生物体感觉器官的生理和病理现象,必须首先了解这些器官形态与结构。我们知道机体最基本的结构和功能单位是细胞(cell),细胞数量众多、形态多样,并具有各自的结构特征、代谢特点及功能活动。同类的细胞及其产生的细胞间质共同组成组织(tissue),在人体,有4种基本组织,即上皮组织结缔组织肌组织神经组织,这些组织按一定规律组合成器官(organ)。器官具有一定的形态结构,执行特定的生理功能,如作为听觉器官的耳和作为视觉器官的眼,等等。

随着现代科学技术的发展,科学家们发明了各种方法和相应的精密仪器用来研究、分析、检测生物体各器官的构造和功能。在听觉医学研究中,科学家可以根据目的的不同选择不同的方法来研究听觉器官,并进而了解其生理功能。下面,我们将从三个方面简要介绍听觉医学的研究方法。

4.1 形态学方法

听觉器官-耳主要位于颅底的颞骨之中,相关的结构及其毗邻关系十分复杂,而且各结构非常微小,因此,为了研究耳的形态结构,研究者常借助可以放大数倍的解剖显微镜或手术显微镜,在镜下使用显微解剖器械(如解剖刀、镊、剪刀等)对标本进行解剖,特别是中耳和内耳的重要结构藏在颞骨内,所以研究者必须用高速磨钻细心打开颞骨,才能暴露其中的结构。通过这样的解剖研究,可以了解各器官的形态结构特征,以及各结构之间的空间毗邻关系,这些知识对一位耳科医生来说是非常重要的,熟练掌握听觉器官的相关解剖知识是做好耳科医生的前提之一。临床医师也常用显微解剖和显微手术方法研究人体头颈部的神经、血管、颅骨和各组织器官的结构关系,在此基础上提出手术入路和切除病灶的方法。

现代的影像技术已经非常先进,借助计算机断层扫描(computed tomography,CT)或磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)来研究颞骨以及耳的解剖也是一个有效方法。CT在显示骨性结构方面见长,而MRI长于显示软组织。使用这些影像技术对标本或活体扫描后,可以获得连续的断面图像,研究者再对这些图像进行分析、测量等工作。但是目前临床上用于诊断目的的影像技术在显示微细结构(如毫米级以下的结构)的能力还很有限。现在有一种只用于研究目的的显微CT(MicroCT)可以扫描小标本快或小动物,它可以清楚地显示毫米级以下甚至数微米级的结构,这是研究者的一个好帮手。

但是,通过解剖或显微解剖的方法仍然不能观察组织细胞的微细结构特征,必须借助各种光学显微镜(简称光镜)观察组织切片才能达到这个目的,这是医学研究的基本技术之一。通常用的光学显微镜可放大1500倍左右,分辨率为0.2μm。而组织切片的制作工艺比较复杂,例如常用的石蜡包埋切片的方法是,先取出要研究的小组织快,用甲醛溶液进行固定处理,再用乙醇脱水、二甲苯透明,之后用石蜡包埋组织块,使用切片机将组织块切成数微米的薄片,将这些切片贴在玻璃片(即载玻片)上,在用二甲苯脱蜡之后,对切片进行染色,常用的染色方法是苏木精和伊红染色,简称HE染色。苏木精为碱性染料,能将细胞核染成蓝色;伊红为酸性染料,常将细胞质染成淡红色。染色后进行封片就可以用显微镜观察组织细胞的结构了。

电子显微镜(简称电镜)的发明和使用,使人类探索生命奥秘的步伐大大加快了。电子显微镜的分辨率为0.2nm[注意:1mm(毫米)=1000μm(微米),1μm=1000nm(纳米)],比光镜高1000倍,可放大几万倍到几十万倍,通过它,人们可以观察到细胞内更微细的结构,这些在电镜下所见的结构称为超微结构(ultrastructure)。电镜又分为透射电镜和扫描电镜。

透射电镜(transmission electron microscope,TEM)是由电子发射器发射的电子束穿透样品,经过磁场的聚合放大后,在荧光屏上显像。一般要对样品的超薄切片(切片厚50~80nm)进行电子染色,如用重金属盐铅、铀等进行电子染色,以增加物像的反差而提高结构的清晰度。扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)是研究细胞或器官表面立体微细结构的电子仪器。由电子发射器发射一束细电子束,在样品表面一点一点移动,扫描整个样品表面,产生代表样品形貌的电子信号,经过放大在荧光屏上成像,图像清晰而富有立体感。

其它还有诸如荧光显微镜、倒置相差显微镜激光共聚焦显微镜等仪器用于研究组织细胞的微细结构及其功能活动。

组织化学细胞化学技术:组织和细胞由各种化学成分组成,不同的组织和细胞会有不同的化学组成。组织化学和细胞化学技术就是应用化学反应和物理反应原理检测组织和细胞内某种化学成分并进行定位定量及相关功能研究的一种实验技术。如糖类脂类、酶、核酸等可与试剂发生化学、物理反应,形成有色的终末产物,然后可以在显微镜下观察分析。

组织与细胞培养技术(tissue and cell culture):是将离体的细胞、组织甚至器官,放置在合适的培养液中,在无菌和适当的温度下进行培养,使之生存和生长的一种技术。组织培养可用于研究各种理化因子(温度、药物毒物等)对活细胞的直接影响,并能随时在显微镜下观察、摄影记录。还可以与其它技术方法结合,研究某种因素对细胞增殖、分化、代谢、运动、吞噬、分泌等的影响,也可以研究细胞癌变和逆转等机制,达到在体实验难以达到的研究目的。

4.2 电生理技术

电生理技术(Electrophysiological Techniques)是以多种形式的能量(电、声等)刺激生物体,测量、记录和分析生物体发生的电现象(生物电)和生物体的电特性的技术,是医学研究的主要方法之一。

1922年,两位美国科学家厄兰格(J.Erlanger)和盖塞(H.S.Gasser)首先用阴极射线示波器记录神经动作电位,并证明神经纤维越粗,传导冲动的速度越快。这一方法学的进步奠定了现代电生理学的技术基础。他们俩人因此而获得1944 年诺贝尔奖。早期的电生理技术只能记录大量细胞的同步的电活动,以后逐渐向微观和整体两个方面发展。在微观方面,1949年,G.Ling 和 R.W.Gerard 开始用微电极插入细胞内记录其电活动,使电生理技术达到细胞水平。1976年 E. Neher 和B. Sakmann 应用改进的膜片钳技术,可以记录细胞膜上单个离子通道的电流量,为从分子水平阐明神经元活动打下基础,因而获1991 年诺贝尔奖。在整体方面,20世纪60年代起,由于应用了计算机,人们能从人或动物的体表记录到非常微弱的体内深部小群细胞的电活动。这类测量对机体毫无损伤,因此对临床诊断有重要意义。

电生理技术大致包括电生理测量技术、刺激技术和信号的处理和分析技术等方面。

电生理测量技术  包括生物电测量技术和生物体电特性测量技术。

①生物电测量技术。用电极将微弱的生物电引出,经生物电放大器将它放大,再经示波器等显示其波形并记录下来,以便观察、分析和保存。引导生物电的电极分大电极和微电极两类。大电极记录到的是许多细胞(例如一个器官)的电活动综合而成的生物电,例如心电、脑电、肌电等。微电极的尖端直径小于1微米,也可大至几微米( 玻璃管、金属丝)。用微电极可在细胞水平上对生物电现象进行观测和研究。细胞发生的生物电的能量很低,必须用放大器放大才能观测。大电极用的生物电放大器应该噪声低、漂移小,具有很强的抑制外界和生物体内电干扰的能力。微电极放大器需具有极高的输入电阻和减小输入电容的补偿电路,使生物电能保真地放大。显示和记录时常用的有磁带记录仪,笔写记录器,XY记录仪和示波器等。

②生物体电学特性的测量技术。此种技术常用于对生物体的电阻、电容和电感等参数的测量。例如使一定量的电流流过细胞膜,测量它在细胞膜上产生的电位差,根据欧姆定律,即可算出细胞膜的电阻。这类测量对于生物电产生和传播过程的研究有重要意义。

神经在接受刺激时,在受刺激的部位产生了一个可传导的电变化,并以一定的速度传向肌细胞或其它细胞,这一点可以用阴极射线示波器为主的生物电测量仪器测得。上图中由射线管右侧电子枪形成的电子束连续射向荧光屏,途中经过两对板状的偏转电极;当电子束由水平偏转板两极之间通过时,由于板上有来自扫描发生器装置的锯齿形电压变化,使射向荧光屏的电子束以一定的速度作水平方向的反复扫动;这时,如果把由两个测量电极引导来的生物电变化经放大器放大后加到垂直偏转板的两极,那么电子束在作横扫的同时又作垂直方向的移动。这样,根据移动电子束在荧光屏上形成的光点的轨迹,就能准确地测量出组织中的微弱电变化的强度及其随时间变化的情况。如果神经干在右端受到刺激,神经纤维将产生一个传向左端的动作电位,当它传导到同放大器相连的第一个引导电极处时,该处的电位暂时变得相对地较负,于是在一对垂直偏转板上再现电位差,在荧光屏上可看到一次相应的光点波动;当动作电位传导到第二个引导电极处时,该处也将变得较负,于是荧光屏上会出现另一次方向相反的光点波动;这样记到的两次电位波动,称作双相动作电位。把神经标本作一些特殊处理,如将第二个记录电极下方的神经干损伤,使该处不能产生兴奋,那么再刺激神经右端时,在示波器上只能看到一次电位波动,这称为单相动作电位。另外,用其它技术方法还可使记录电极中的一个电极处的电位保持恒定或经常处于零电位状态,亦即使此电极成为参考或无关电极,于是在实验中记录到的电变化就只反映与另一电极(称为有效电极)接触处的组织或细胞的电变化,这称为单极记录法。

刺激技术  包括设计制造刺激器,使能产生所需形式和参数的刺激能量,将刺激能量施加在欲刺激的部位上,减少刺激带来的副作用。有电、光、声和机械等多种刺激器,其中以电刺激器用得最多。一般要求电刺激器的参数(如强度、持续时间等)有适当的变化范围,可精细调节和稳定。方波是电刺激中最常用的波形,因为它简单、易于发生、控制精确、刺激量便于计算。

信号的处理和分析技术  电子计算机逐渐被广泛应用于生理信号的处理和分析,不仅可以提高效率和测量精度,而且可以建立新的测量方法、开辟新的研究领域。常用的有自动测量、信号分析、信号提取、信号识别、信号判别及信号源定位等。

4.3 分子生物学技术

随着细胞生物学的发展,新方法、新技术的不断涌现,细胞研究已从细胞整体和亚细胞的超微结构水平深入到分子水平。在揭示细胞基因定位、基因表达、基因调控等细胞的遗传机制,为实现基因转移、改变细胞的基因组分,分子生物学展示了其独特的技术领域,也极大地促进了听觉医学的发展,如耳聋的遗传性研究、听毛细胞功能的分子机制,内耳干细胞的研究等等。

聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)是一种快速的特定的DNA片段体外扩增技术,1985年由美国K.B.Mullis等人发明。PCR技术的基本原理是,在体外利用模板DNA、特定的寡聚核苷酸引物和耐热DNA聚合酶(Taq酶),通过模板DNA高温变性解链、低温复性和中温延伸过程合成一条互补的DNA链。反复重复这一过程,模板DNA就可得到大量扩增。将扩增产物进行电泳,经溴化乙锭染色,在紫外灯照射下肉眼能见到扩增特异区段的DNA带。PCR方法操作简便,特别是自动热循环仪(又叫DNA扩增仪)的发明,使PCR反应过程可以电脑控制,实现了自动化。PCR技术的发明虽然时间不长,但目前这一技术及其衍生的其他实验技术在生命学科、医学工程、遗传工程、疾病诊断等领域已得到了广泛的应用,Mullis也因此获得了1993年诺贝尔化学奖。

核酸分子杂交技术(nucleic acid molecular hybridization)是目前分子生物学和细胞生物学研究中广泛应用的一种技术,是检测RNA或DNA序列片段的主要方法。该方法首先使双链的DNA解聚成两条单链,然后加入用放射性核素标记的RNA或DNA序列片段(称为RNA或DNA探针)。在杂交液中复性剂的作用下,通过特定碱基序列配对的互补性,标记的RNA或DNA探针和相应的RNA或DNA形成特定的双链分子。即便两条单链分子来自于不同的动物或品系,只要碱基序列同源或部分同源,也会形成双链分子或部分双链分子。所以该过程称为分子杂交,形成的异质性双链核酸分子称为杂交分子。

原位杂交(in site hybridization)是利用核酸分子杂交技术,检测细胞内mRNA和DNA序列片段,原位研究细胞合成某种多肽蛋白质的基因表达。如染色体原位杂交是研究遗传基因、抗原基因、受体基因、癌基因等在染色体上的定位与表达。细胞原位杂交是研究细胞内编码某种蛋白质的基因转录物mRNA在胞质内的定位与表达。原位杂交是一种简单、直接和精确的核酸定位方法,具有极高的敏感性和特异性,已成为当前细胞生物学和分子生物学研究的重要手段。

DNA指纹(DNA finger printing)分析技术 在人和动物的基因组中,广泛存在着与小卫星DNA相似的另一类短小重复单位,由于这些重复单位在基因组中出现的数目和频率不同而表现出多态性。只要用一种简单重复顺序的DNA探针,经基因组DNA的制备、DNA限制性内切酶的酶解、DNA限制性片段的凝胶电泳、Southern印迹或干胶、标记探针、分子杂交后,就可以同时检出许多独立分布的位点,为人和动物的遗传分析提供大量高度多态的遗传标记。这种方法在产前诊断、人类基因制图、肿瘤标记、骨髓移植亲子鉴定、大家系中检测与疾病位点紧密连锁的限制性DNA片段等方面的研究,有极广阔的应用前景。

5 前沿与展望

5.1 毛细胞再生

内耳毛细胞丧失是导致耳聋的主要原因之一,噪音、感染衰老等都会导致毛细胞丧失。鸟类的毛细胞可在损伤后自然再生。但哺乳动物则缺少这个能力。目前科学家们正在研究如何促进毛细胞的再生。早先,科学家通过导入人体版Hath1基因到新生大鼠的耳蜗细胞中,在试管中培养出新毛细胞,引起轰动。又据报道,日本研究人员通过导入一个早先发现为毛细胞生长所必需的基因Math1,能成功诱导豚鼠生长出新的毛细胞。用一种经过改造无毒病毒载体,密歇根大学Yehoash Raphael领导的研究小组将Math1基因插入到豚鼠耳蜗的液体中,从而导致该基因的过量表达。30或60天后处死豚鼠,科学家在转基因豚鼠中检测到新形成的毛细胞,而在对照豚鼠中则没有检测到。而且,Raphael的研究小组还发现神经元向一些新毛细胞伸出了分支状的轴突。这些研究表明,基因转移可以成功再生成熟内耳的毛细胞。这是内耳毛细胞再生研究领域一项非常重要的进展。但是科学家也警告说,这一技术应用到耳聋病人的治疗还是一个遥远的目标。科学家还不知道新生的毛细胞功能是否安全,他们必需找到大量培养毛细胞的方法。只有等到开发出更安全、无需病毒的基因治疗载体系统后才能进行人体临床试验。然而,这些最新研究数据的意义重大,它表明发育基因或许可用于成熟组织中的治疗。

毛细胞再生—细胞分裂

毛细胞再生—直接诱导分化

5.2 内耳干细胞研究

内耳感觉上皮的干细胞分化为毛细胞或支持细胞的潜能

感音神经性耳聋大多是由于耳蜗毛细胞或与其相连的蜗神经元受到损害所引起。哺乳动物内耳感觉上皮不能通过自发再生来修复失去的毛细胞和神经元。然而,最近的研究发现内耳感觉上皮存在成体干细胞,内耳干细胞具有多潜能性,可以分化产生毛细胞、支持细胞、神经元和神经胶质细胞。另外,科学家在体外由胚胎干细胞中获得了内耳前体细胞。这些前体细胞表达一系列内耳毛细胞发育过程中特有的标记基因。经过体外分化后,部分胚胎干细胞来源的前体细胞显示出毛细胞特有的表型;将标记的胚胎干细胞来源的内耳细胞前体移植到小鸡胚胎内耳中,发现移植的前体细胞可以整合宿主内耳上皮,并且分化为毛细胞。还有很多研究表明成体干细胞内耳移植后可以分化为神经节神经元。内耳干细胞的发现开辟了一条细胞生物学治疗感音神经性耳聋的新途径,使得应用内耳干细胞替代损伤的内耳感觉细胞具有可观的前景。但是,目前还有很多问题需要深入研究,如 :干细胞移植到损伤的内耳后,这些移植细胞是否能够整合进损伤的哺乳动物耳蜗并在正确的位置分化成为毛细胞;新生的毛细胞是否具有功能;是否能够和残存的神经节神经元形成连接等,更重要的是需要证实其听力是否得到了改善,这是干细胞治疗感音神经性耳聋的最终目标。

5.3 听觉脑干植入

一种听性脑干植入(auditory Brainstem Implant,ABI)装置可以帮助部分极重度聋患者恢复听力。这些患者由于其听神经的缺失或损伤,通过电子耳蜗对内耳进行电刺激是无效的。ABI装置同电子耳蜗一样也是由电极序列构成,但它越过耳蜗和听神经直接刺激脑干的听神经核团。ABI最早是在上世纪70年代末期由洛杉矶House Ear学院的医生和研究人员开发的。传统的ABI技术刺激的是脑干蜗神经腹核表面。ABI先由外部的言语处理器和接受器将声波转换成电脉冲的形式,然后将电脉冲传给植入到脑干蜗神经腹核表面的铂制微电极阵列进行刺激。微电极序列从耳后乳突的开口处插入,伸到与蜗神经腹核相邻的第四脑室外侧隐窝。蜗神经腹核是将声音的频率信息按音调排列,传到高级听觉中枢。但遗憾的是,ABI表面电极的频响范围和频率分辨率不尽如人意、ABI植入者即使经过数月乃至数年的实践仍难以达到理解语言的程度。因此,只有实现微电极阵列深入到蜗神经腹核内部,才能进一步提高ABI的性能。新一代ABI的微电极序列刺入蜗神经腹侧核中,直接刺激其神经元。研究人员在与人类具有非常相似的听觉系统的猫身上进行的、永久性刺入式电极定位研究获得了成功,使这种新的刺激方式成为可能。相信刺入式微电极带来的音调选择性的提高,能够提高聋人植入后的言语理解力。

5.4 耳聋蛋白质组学

基因的功能是通过其编码蛋白质来实现的。随着人类基因组计划的完成,蛋白质组学已成为一个新的研究热点。蛋白质组学是对一个基因组或一种细胞、组织、器官所表达的全部蛋白质成分的分析。蛋白质组学分析可强有力地补充DNA测序及研究RNA表达的不足。蛋白质是生物体的效应分子,检测蛋白质比检测DNA及RNA更能反应机体在细胞水平的变化。目前,耳聋的分子遗传学研究使得对内耳基因表达和听觉相关基因有了较深入的认识。显微解剖设备和技术的进步, 使得内耳不同部位的组织能够被精细地分离。这些进展促进了蛋白质组学在听觉研究领域的应用,也使感音神经性聋梅尼埃病等疾病蛋白质组学研究得以开展。科学家应用蛋白质组学技术,已经在人体和小鼠内耳鉴定出数十种表达蛋白质,例如,Prestin蛋白在外毛细胞侧壁质膜高表达,该处是外毛细胞电机械活动发生的地方,转运的阴离子对外毛细胞的运动是必需的。Prestin蛋白通过直接电压置换,调控外毛细胞的活动,是外毛细胞的马达蛋白。该蛋白缺陷导致听力敏度下降100倍以上。又如,POU3F4和POU4F3缺陷导致内耳发育障碍和畸形, 前者致镫骨固定、外淋巴压力增高, 后者的基因敲除小鼠无毛细胞发育、缺乏螺旋和前庭神经节。某些耳聋病理存在活性氧分子增多,氧化修饰导致蛋白质(如抗调亡蛋白质、信号传导蛋白质、细胞骨架蛋白)功能降低, 也可能与耳聋有重要关系。

5.5 聋病基因研究

线粒体DNA(mtDNA)上MT-TL1基因中, A3243G突变位点已经被发现与耳聋相关

上世纪90 年代以来,科学家们在破译听觉耳聋基因及其功能的研究方面取得了突破性的进展。听觉基因的发现给我们展示了听觉功能的分子奥秘。了解这些基因在毛细胞结构、细胞外基质、离子内环境稳态转录因子等各个方面作用以及它对耳聋表型的影响,将极大地提高我们对听觉的分子病理机制的理解。基因敲除是近年来发展和成熟起来的一项生物学新技术。通过在小鼠胚胎干细胞基因组水平的同源重组,造成目的基因的缺失突变,可以了解基因失活后对发育、生长、衰老以及器官、组织或细胞结构功能的影响,从而既可确切地从整体水平研究基因功能,又可建立疾病的动物模型。军事医学科学院基因工程研究所用基因打靶技术研究SMADs 基因的功能方面已取得研究成果,并独立研制基因剔除小鼠和基因敲入小鼠模型,包括SMAD3, SMAD4, SMAD5 完全基因剔除小鼠和SMAD4 条件基因剔除小鼠。SMADs 基因是最新发现的哺乳动物体内转化生长因子-β(transfoming growth factor-β,TGF-β) 信号转导途径中一个重要的新基因家族。他们发现基因缺陷导致小鼠严重听力障碍,并且内耳听觉器官包括毛细胞、支持细胞和螺旋神经节等出现不同程度的损害。建立这样的基因缺陷导致聋病的动物模型,可以作为听功能基因研究新的平台,将对听觉基因功能和聋病的分子机制研究有重要的意义,为最终的聋病基因治疗提供理论上的实验依据。

5.6 中耳炎疫苗研究

急性中耳炎儿童中极其普遍的一种疾病,常常继发于呼吸道感染,由于抗生素的滥用,加上耐药菌株的增多,抗生素的疗效越来越差,对耐药病菌有效的抗生素仍有待开发。研究表明,引起急性中耳炎发病的病原体多为呼吸道感染的细菌和病毒,最主要的有肺炎链球菌流感嗜血杆菌、莫拉卡他球菌流感病毒等。反复发生肺炎链球菌性急性中耳炎的儿童体内抗肺炎链球菌荚膜多糖抗体(主要是IgA, IgG2)明显较正常低,因此可通过合适的疫苗免疫技术提高机体的抗体水平,起到防病治病的目的。疫苗的使用不但能降低中耳炎的发病率、有效地治疗中耳炎,同时能减少抗生素的应用、减轻患者的经济负担。90年代研制出的7价肺炎链球菌多糖一蛋白结合疫苗是对肺炎球菌疫苗的重要突破。目前7价肺炎链球菌蛋白结合疫苗所包含的血清型较有限,如何使该疫苗中载体蛋白能结合更多的血清型是目前面临的问题。对于载体蛋白的选择目前多用是白喉类毒素破伤风类毒素变异白喉毒素,将肺炎链球菌本身的蛋白如溶血素作为载体蛋白应是今后的研究方向。一种新的针对流感嗜血杆菌和卡他性鼻炎支原体的疫苗正在研制中。研究还表明流感疫苗最有可能起到普遍适用的预防中耳炎的作用。减少儿童中耳炎发病的一种更好的物质应是疫苗复合物,它既对细菌、又对病毒产生免疫应答,且能在婴幼儿中应用。发展更先进的粘膜免疫技术、利用DNA技术及基因工程制备疫苗将是未来的方向。期望在不久的将来预防及治疗中耳炎的疫苗能进 入儿童计划免疫。

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  • 清风冷月
    2011/6/19 23:05:30 | #1
    第一次发现这个网站,太好了,有疑问也可以请教了,不知是哪个医院的
抱歉,功能升级中,暂停讨论
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本页最后修订于 2009年7月23日 星期四 0:10:55 (GMT+08:00)
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