耳蝸主動感音機制中多物理場耦合非線性行為特徵研究

《耳蝸主動感音機制中多物理場耦合非線性行為特徵研究》是依託上海大學，由姚文娟擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：耳蝸主動感音機制中多物理場耦合非線性行為特徵研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：姚文娟
• 依託單位：上海大學

中文摘要

感音神經性耳聾是一個重要醫學難題，迄今為止，耳蝸的主動感音機制及病變機制尚未完全清楚。本項目擬採用生物力學和生物電學原理，建立反映耳蝸實際尺寸和生理特徵的主動耳蝸---多物理場（流-固-電）耦合理論模型，用數值仿真模擬耳蝸真實的感音過程，通過理論模型定性分析和數值模擬的仿真計算，描述基底膜、蓋膜、外毛細胞體及靜纖毛與淋巴液在電生理環境下的耦合非線性動力學行為，闡釋耳蝸感音中的主動機制，刻畫耳蝸中流場的運動和分布規律，分析內耳結構創傷及病變對感音結構聽力閾值的影響，探究感音神經性耳聾病理與力-電耦合行為的關係，最大程度的解決感音神經性耳聾中的疑難問題。本項目在理論模型、數值模型等方面的研究成果，為探究耳蝸的主動感音機制和感音神經性耳聾的發病機制提供理論依據和套用基礎。

結題摘要

至今為止，耳蝸的主動感音機理及感音神經性耳聾病變機制尚未完全清楚，一直是重要的醫學難題。本研究運用數學理論、現代生物力學、流體力學、結構動力學原理和生物電學原理，建立了在電生理環境下精確形體、生理材料的準確的主動耳蝸---多物理場（流-固-電）耦合理論模型及數值模型。通過理論模型定性分析和數值模擬的仿真計算，描述基底膜、蓋膜、外毛細胞體及靜纖毛與淋巴液在電生理環境下的耦合非線性動力學行為，闡釋耳蝸感音中的主動機制，刻畫耳蝸中流場的運動和分布規律，分析內耳結構創傷及病變對感音結構聽力閾值的影響，探究感音神經性耳聾病理與力-電耦合行為的關係（模型及結論國內外均未見報導）。基於以上研究，得到重要結論：耳蝸內縱向電路環境對感音特徵頻率影響顯著；耳蝸內力電耦合和外毛細胞剛度對耳蝸感音的敏感性影響顯著；耳蝸內靜纖毛剛度對感音特徵頻率影響較大。耳蝸對低響度的聲音有自主放大功能，使得人對微弱聲音有較為敏感的感知能力；耳蝸對高響度的聲音有自主減弱功能，從而保護人耳不受外界高強度聲音的刺激導致感音結構易損傷。耳蝸的螺旋形狀對低頻的振動影響顯著，沿著耳蝸曲率和撓率增加的方向，影響逐漸增大。這種影響不僅能提高基底膜的振動行為，而且影響著基底膜發生最大振動的位置，從而對耳蝸的低頻的位置選擇特性和感音敏感性有決定性的影響。耳蝸在感知聲音的過程中主要產生剪下波和壓縮波，基底膜在達到振幅峰值前主要是剪下波，峰值後主要受壓縮波的作用。壓縮波對基底膜的高頻振動有顯著，且影響主動聽覺機制中毛細胞和纖毛的運動。骨質螺旋板上的應力分布從頂部和底部向基底膜擴展，基底膜跨中位置出現較大的應力集中，導致基底膜的頂端區域和底端區域容易發生破壞，即人耳最容易喪失最低和最高的聲音感知頻率。以上結論以及主動機制產生過程中的多個因素分析均已對耳蝸主動感音放大機理的解密揭開了重要的新的一頁，為感音神經性耳聾的發病機制提供理論依據和套用基礎。對臨床上感音性耳聾及聽力下降的疑難問題以生物力學及生物電學的機制詮釋了其致病機理。