经过几个世纪许多人的努力，我们现在对耳蜗的结构和生理活动已经有了比较深入的认识，但仍有许多难解之谜。自上世纪70年代以来，在内耳听觉生理研究领域的一系列重大发现不仅使我们对听觉系统有了全新的深入的认识，也促使研究工作出现了飞跃性的进展。对内耳感觉细胞的研究不仅深入到分子甚至亚分子水平，研究的范畴也出现了生理学与形态学、生物物理学、生物化学、分子生物学、免疫学、遗传学等多学科相互渗透的格局。

人耳听觉有着极其精细的分辨力和极为宽广的动态范围。譬如，在1000 Hz的频率，人耳可以听到引起鼓膜振动仅相当于质子直径大小的声音；可分辨在20 Hz至20000 Hz范围内不同频率声音的音调，甚至灵敏到能够辨别频率相差不到1 Hz的两个音调；可感受强度相差120 dB（100万倍) 的声音。过去一直认为耳蜗是一个被动的外周听觉感受器，它的作用仅为被动地将声音机械振动能量转换为生物电能，形成神经冲动，而对声音的精细分辨是由听觉中枢完成的。但是，耳蜗这么精细的分辨能力、这么大的听觉感受范围，是任何一个被动的换能器所无法做到的。近30年来的研究已经证实，耳蜗内存在着一个被称为“耳蜗放大器”（cochlear amplifier）的对声音进行分析处理的主动机制，使耳蜗能达到十分敏锐的听觉感受能力。

早在1948年，美国科学家Gold即首次从理论上提出耳蜗内可能存在一个耗能的主动生理机械过程，这一过程有助于使耳蜗调谐变得更加精细。但他的这一观点当时未引起任何注意。1971年Rhode报告了松鼠猴基底膜振动的非线性特点，即基底膜振动随刺激声强增加而增大的比率小于1 dB/dB；而且基底膜反应的非线性具有频率选择性，即仅能在最佳频率附近观察到。从理论上看Rhode实验中所使用的声刺激强度是不会引起一个被动系统产生非线性反应的，因此，他观察到的耳蜗的非线性反应表明基底膜运动并非一个简单的被动过程，而是有其他机制的参与，这实际上为Gold的耳蜗主动机制假说提供了非常重要的实验依据。遗憾的是，Rhode的这一发现在当时也未被重视。

1978年，英国科学家Kemp报道了耳声发射现象，即耳蜗内有某种机制产生机械能量，通过耳蜗淋巴液的液波振动引起听骨链和鼓膜振动，使外耳道的空气发生振动而产生声音，这些微弱的声音用高度灵敏的微音器可以记录到。耳声发射的发现为耳蜗主动机制的存在提供了最直接的证据，尽管这一重大发现的论文在最初投到著名的《自然》（“Nature”）杂志时被审稿专家和编辑以极其荒唐的理由拒之门外，值得庆幸的是，《美国声学学会杂志》接受并发表了这一论文。Kemp的这一发现立即引起听觉研究者的重视并很快被广为接受。耳声发射的发现为听觉生理学研究提供了全新的概念和研究方向，使人们对耳蜗功能的认识发生了根本性变化，它的发现是现代听觉生理学具有划时代意义的重大突破。

在Kemp发现耳声发射之后，许多科学家从形态和生理方面进行了大量工作，探索耳声发射的起源和产生机制。Mountain（1980）报道外毛细胞的耳蜗传出神经受到电刺激而兴奋时，或蜗内电位（EP）改变时，都会改变耳蜗产生的畸变音，这说明外毛细胞至少能间接影响基底膜的振动。Weiss（1982）提出了“双向换能”的概念以描述耳蜗内的听觉过程，他认为毛细胞的机械运动引起电反应过程（“顺向换能”），这些电反应过程再引起毛细胞的机械运动（“逆向换能”）。1983年，Davis提出了著名的“耳蜗放大器”学说，提出耳蜗内存在着与放大器功能相类似的主动机制，能放大基底膜行波波峰处的基底膜振动，从而使耳蜗具备灵敏的听觉和精细的频率分辨能力，外毛细胞是耳蜗放大器工作必不可少的物质基础。同时，Neely和Kim（1983）发表了蜗隔振动的“主动模型”，提出外毛细胞能产生动力以克服部分机械阻力。1983年，Brownell及其同事观察到了哺乳类动物外毛细胞的电诱发运动，他们发现外毛细胞在受到电刺激时会发生与电刺激频率相同的沿胞体纵轴的快速伸长及缩短运动，将这一现象称为“电能动性”或“电致运动”（electromotility），并于1985年将他们的发现发表在《科学》杂志上，从而确认了耳声发射和电-机械正反馈来源于外毛细胞的主动运动（Brownell et al,1985）。

随后一系列有关离体外毛细胞电生理的研究深化了对外毛细胞的生理活动及其在耳蜗听觉放大过程中的作用的认识。Ashmore等对外毛细胞的“电能动性”进行了系统的研究，并揭示了外毛细胞门控电流与电能动性的关系（Ashmore，1987；Housley & Ashmore,1992）。随后，Santos-Sacchi（1992）发现了胞膜的容抗和阻抗所形成的低通滤波特性对外毛细胞电能动性的限制，使离体外毛细胞的电致运动在1000 Hz以上就大幅度衰减。Evans和Dallos（1993）发现了外毛细胞顶端的纤毛摆动与胞体电能动性之间的关系。针对胞膜的低通滤波特性，Dallos和Evans（1995）通过数学模型和为离体外毛细胞电生理研究而设计的“微腔”（micro-chamber）技术所得到的实验数据，提出胞外电位不受胞膜低通滤波特性的限制，能为在体外情况下毛细胞的高频运动提供足够的动力。Frank等（1999）用“微腔”技术对外毛细胞电致运动的研究发现，外毛细胞电致运动的频率至少可高达79 kHz。2000年，Dallos实验室的郑菁（Zheng et al，2000）等科学家应用分子生物学和细胞电生理方法，成功地确认了外毛细胞的运动蛋白，将其命名为“prestin”（快动蛋白），在《自然》杂志上发表了他们的研究结果。他们的卓越工作立即引起听觉研究学界的轰动，引发了对外毛细胞电致运动的新一轮研究热潮。这一发现的意义在于确定了外毛细胞电致运动的物质基础，其重要性不亚于外毛细胞电致运动的发现。随之，Liberman等（2002）用左健实验室培育出的prestin基因敲除小鼠，证实了prestin对活体耳蜗听觉的重要作用。

上述外毛细胞电致运动是指在感受器电位控制下外毛细胞胞体的伸长和缩短。在上世纪80年代开始，人们陆续发现龟、蛙、鸟、蜥蜴等非哺乳类动物毛细胞纤毛的主动运动（摆动），有人提出耳蜗听觉的两种机制模型（Kim，1986），即纤毛负责快运动，胞体负责慢运动。但在相当长的一段时期，在哺乳类动物的耳蜗并没有发现纤毛的主动运动。2003年，Fettiplace实验室报道了大鼠耳蜗由外毛细胞纤毛机械-电换能通道的快适应机制所介导的纤毛主动运动，使纤毛的能动性成为人们关注的课题（Kennedy et al,2003）。

一、外毛细胞外侧壁独特的超微结构

外毛细胞的外侧壁是一独特的三层结构，厚度约100 nm。最外一层是细胞质膜，中间一层是皮层网格（cortical lattice），最内一层是膜下间池（subsurface cisterna）。

1 ．膜下间池 在结构上类似内质网，腔内直径约20 nm，但不属于细胞质膜-内质网-高尔基体膜性池。膜下间池的功能尚不清楚，但它将细胞质分隔为两部分：轴心部和池外间隙。这样分隔的意义可能在于维持细胞支架和细胞器工作的分工。

2 ．皮层网格 介于膜下间池和细胞质膜之间（也就是“池外间隙”，该间隙宽约30 nm），是外毛细胞的主要支架结构，呈网格样结构，主要由两种细丝状纤维交织而成，并由许多排列规则的小柱与其外侧的细胞质膜相连。网格的纤维一种为环绕细胞的环行纤维，直径约5 nm，纤维间距约40 nm，纤维的成分主要为肌动蛋白（actin）；另一种纤维为纵行纤维，与细胞的纵轴成9º～10º并与环行纤维相交形成网格，其成分为血影蛋白（spectrin）。环行纤维的劲度大于纵行纤维，这有利于维持外毛细胞的柱状形态，也利于细胞的纵向伸缩。

3 ．细胞质膜 透射电镜显示外毛细胞外侧壁的质膜呈凹凸不平的褶叠状，类似百褶裙的褶叠。在其他需要改变形状的细胞，其细胞质膜也呈褶叠状，说明这是细胞改变形状所需的共同特征。外毛细胞外侧壁的质膜含有很密集的跨膜蛋白，约占膜面积的70%～75%。冰冻蚀刻技术证明这些跨膜蛋白的直径约为10 nm，分布密度可高达4500个/µm。这些跨膜蛋白就是与外毛细胞电致运动有关的动力元件，称为动力蛋白，即前面提到的“prestin”。早在1991年Dallos等就提出电致运动可能是膜上一些对电压敏感的蛋白构型发生改变所致，后来发现跨膜蛋白的出现及密度变化与外毛细胞电致运动的出现及发育过程恰好一致。prestin的发现和确认证实了外毛细胞的电致运动来自这些动力蛋白。

二、外毛细胞电致运动的特点

哺乳类动物外毛细胞的胞体有两种主动运动方式：一种为受细胞膜电位控制的胞体长短的快速变化，即“电致运动”，其伸缩运动的频率可高达几万赫兹，涵盖了耳蜗的听觉范围，这是耳蜗主动机制（“耳蜗放大器”）的功能基础。这种快速运动只取决于膜电位的变化，亦即受控于外毛细胞的感受器电位，而与通过外毛细胞的换能电流大小无关，也不依赖于胞内的ATP。胞体伸缩运动的幅度可达细胞长度的5%，这种长度变化所产生的力量可推动数倍于外毛细胞自身的质量，电刺激后出现胞体伸缩运动的延迟约在100微秒以内。外毛细胞胞体的长短变化与肌细胞最主要的不同之处在于它是双向运动。当基底膜的机械运动使外毛细胞顶部的纤毛向长纤毛一侧摆动时，细胞膜去极化, 胞体缩短；而纤毛向相反方向摆动时，外毛细胞膜电位出现超极化，胞体伸长。外毛细胞胞体的这种伸缩运动产生的机械力可通过支持细胞传递到基底膜，使基底膜的机械振动得到额外的能量。外毛细胞的另一种活动为胞体长短和直径的缓慢变化，由耳蜗内多种神经活性物质调控，其作用可能是通过改变外毛细胞与盖膜之间的机械耦合关系而调节耳蜗的听敏度。

外毛细胞的电致运动呈不对称性和非线性，这与毛细胞感受器电位的表现相一致。不对称性表现为收缩运动的幅度比伸长运动的幅度要大得多；非线性表现为细胞长度的变化在刺激强度较大时出现饱和。一般认为，外毛细胞电致运动的不对称性和非线性来自纤毛在剪切运动时摆动的不对称性和非线性，这种反应的特点是听觉的高度灵敏及巨大的动态范围的基础。

三、 外毛细胞电致运动的机制

目前已普遍接受prestin为外毛细胞电致运动的动力蛋白，认为prestin在外毛细胞膜电位变化时发生分子构型的变化是电致运动产生的原因。从功能上看prestin可分为两部分，一个是电压感受器部分，另一个是效应器部分。Oliver等（2001）的研究表明，prestin通过细胞内以氯离子为主的单价阴离子感受电压的变化：在去极化时，氯离子移向prestin的胞浆侧，与prestin内侧端的阴离子结合位点相结合，使prestin处于短构型，胞体收缩；在超极化时，氯离子移向prestin的胞外侧，与prestin外侧端的阴离子结合位点相结合，使prestin处于长构型，胞体伸长。Rybalchenko和Santos-Sacchi（2003）发现胞外氯离子可通过机械牵拉敏感性通道进入胞内，提示细胞外氯离子浓度对维持外毛细胞电致运动有重要作用。我们的研究也发现降低细胞外氯离子浓度并通过离子透析降低细胞内的氯离子浓度会明显抑制耳蜗放大器的功能（Zheng et al，2005）。

电致运动的另一种产生机制为“压电效应”。在压电晶体，机械力作用于其上能产生电能，反之，电场的作用能使晶体发生变形、产生机械力。同样，外毛细胞外侧壁也具有“压电”特性，在电场的作用下通过其本身的压电特性能产生机械运动，这种压电效应不受胞膜的容抗-阻抗所形成的低通滤波特性的限制，因此能产生高频的机械运动。

耳蜗放大器的理论是在“行波学说”和“电池学说”的基础上，引入了外毛细胞电致运动的机制而形成的。目前一般认为耳蜗放大器的工作原理如下：声音通过鼓膜和听骨链的振动引发了基底膜行波，使蜗隔的上下振动从蜗底向蜗顶方向传至对声音频率反应最大的部位。由于基底膜和盖膜上下振动的支点不同，因此在螺旋器网状板与盖膜之间就出现了剪切运动，使外毛细胞纤毛发生沿内外方向的摆动而产生感受器电位，后者通过外毛细胞侧膜的快动蛋白（prestin）使外毛细胞发生沿胞体纵轴的伸缩运动，这种运动跟随声音的周期，能够产生足够大的机械力作用于基底膜上，使与刺激声频率相应的基底膜上最佳反应部位（即基底膜行波的波峰）附近的振动得到加强，这样就相当于将声音放大；同时，基底膜振动的调谐也能变得非常尖锐。耳蜗放大器的这种工作原理在蜗隔上形成了一个“机械→电→机械”的正反馈环路，能够有效地克服基底膜振动的阻尼并使振动增强。耳蜗放大器的工作有明显的频率和强度特性，即仅放大与刺激声频率相应的最佳反应部位附近的基底膜振动，而且主要对低强度声有放大作用（可放大40 dB以上），随刺激声强度增高，放大作用逐渐减弱。这样，耳蜗放大器不仅大大提高了耳蜗对阈值附近声音的感受能力，提高了耳蜗的频率分辨能力，也扩大了耳蜗对声音强度的感受范围。从以上描述我们看到耳蜗放大器对不同强度的声音其放大系数不同，是一个非线性系统，因此，耳蜗的反应必然具有非线性系统的特性，如输入-输出函数曲线的非线性、两音抑制现象、两音或多音的相互调制畸变等。Liberman等（2002）发现prestin基因敲除小鼠的外毛细胞没有了prestin的表达，其离体外毛细胞失去电致运动能力，尽管纤毛的机械敏感通道功能正常，但代表耳蜗主动机制的耳声发射消失，听力损失40dB以上，证实了prestin对活体耳蜗听觉的重要作用。

外毛细胞电致运动所产生的机械力要传递给支持细胞和基底膜，要求外毛细胞必须具有一定的劲度。何志洲等的研究发现外毛细胞的劲度与膜电位和prestin 的构型变化紧密相关，去极化时外毛细胞的劲度下降，而超极化时外毛细胞的劲度增大，这种电压依赖性劲度变化源自prestin的构型变化（He & Dallos，1999；He et al, 2003）。

对外毛细胞纤毛主动运动研究的历史与对胞体电致运动研究的历史几乎一样长。早在1982年，Weiss就提出电压变化能够引起纤毛运动。Crawford 和 Fettiplace（1985）随后报道了龟听器毛细胞纤毛的主动运动。Kim（1986）于是提出耳蜗有两种主动机制模型，即纤毛负责快运动，胞体负责慢运动。Howard和Hudspeth（1987）发现了蛙前庭毛细胞纤毛主动运动的“适应”机制。Jaramillo和Hudspeth（1991）报道纤毛主动运动与Ca有关。Martin和Hudspeth在1999年提出纤毛主动运动能够放大机械刺激引起的反应。Manley等（2001）报道了蜥蜴耳蜗电刺激诱发的耳声发射。但是，上述研究所用动物的听器结构与哺乳类动物的耳蜗有很大的不同，最主要的是，其听器的外毛细胞胞体不具备电致运动能力。

2003年，Fettiplace实验室的Kennedy等报道了大鼠外毛细胞纤毛上的机械-电换能通道活动的快适应现象。他们用新设计的压电晶体激发器刺激大鼠外毛细胞纤毛束，并记录由此诱发的外毛细胞机械换能电流，发现该电流在出现后迅速衰减，即对刺激的“适应”，这一时程约在150微秒左右。相对于已经发现的由肌球蛋白介导的时程在10～100毫秒的“慢适应”，他们观察到的上述适应过程是“快适应”。他们进一步发现这一快适应过程是由Ca介导的。由于在非哺乳类的低等脊椎动物已经证实由Ca介导的毛细胞机械换能通道活动的快适应是纤毛主动运动的产生机制，因此大鼠外毛细胞纤毛上的机械-电换能通道活动的快适应现象提示哺乳类动物的耳蜗也存在着毛细胞纤毛的主动运动。随后，Corey 等 （2004）报道瞬间受体电位A1（transient receptor potential A1，TRPA1）是外毛细胞机械-电换能通道的候选蛋白，这一“发现”当时非常激动人心，但其结果很快就被否定，因为在TRPA1基因敲除的小鼠听力完全正常。Chan和Hudspeth（2005）设计了一个模拟正常耳蜗螺旋器离子和电环境的新鲜螺旋器铺片标本，并报道了Ca介导的豚鼠耳蜗毛细胞纤毛的主动运动。但他们观察的是内毛细胞而非外毛细胞的纤毛，而且其数据的非线性特征也似是而非，因此其实验结果的可靠性存在疑问。贾淑萍和何志洲（2005）使用不同的新鲜螺旋器铺片标本和半切耳蜗制备，结合外毛细胞电位钳制技术，观察了不同条件下沙鼠外毛细胞纤毛的运动，认为外毛细胞纤毛的主动运动依赖于胞体的电致运动。但有人认为他们的实验设计也存在缺陷，未能将纤毛的运动与外毛细胞的整体运动区分开来。2005年，Kennedy 和Fettiplace在《自然》杂志上报道了与机械-电换能通道活动的快适应现象相应的、由Ca介导的大鼠外毛细胞纤毛的机械运动，并测量到纤毛运动所产生的机械力可达500pN以上。这是迄今为止最为直接和令人信服的关于哺乳类动物外毛细胞纤毛主动运动的实验证据。

但是，要确认外毛细胞纤毛的主动运动在耳蜗放大器中的作用，还需要从活体动物实验取得证据。Liberman等（2004）使用prestin 基因敲除小鼠，试图通过测量耳蜗微音器电位和耳声发射而寻找外毛细胞纤毛主动运动的证据，但其实验结果未能提供清晰的线索。

总之，迄今为止，关于哺乳类动物耳蜗放大器的工作机制在观点上和研究上形成了两大阵营，一派是从事外毛细胞胞体电致运动的研究者，他们坚持外毛细胞胞体的电致运动是耳蜗放大器的唯一动力来源，因为胞体的组织结构和其电致运动所产生的力量使得对其机械反馈的能力毋庸置疑；另一派是从事纤毛主动运动的研究者，他们虽然承认胞体电致运动的存在，但认为纤毛的主动运动是耳蜗放大器的主要动力来源，而胞体的电致运动只是协助调整纤毛的位置，使之处于最佳的工作状态。他们的理由是，胞体外侧壁的容抗和阻抗所造成的低通滤波特性限制了胞体的高频电致运动，使胞体的电致运动在1000～2000 Hz 以下的频率才能发生，而纤毛的电致运动不存在低通滤波的问题，其运动频率可高达数万赫兹。客观地说，上述两派的观点都过于偏激。笔者倾向于认为，胞体的电致运动和纤毛的电致运动在哺乳类动物耳蜗同时存在，但前者应占主导地位，而后者起辅助和协调的作用，它们的协同工作赋予了耳蜗灵敏的听觉感受能力、精细的频率分辨能力和宽广的听觉动态范围。