Eindige elementen model van de cochleaire mechanica: actief vs passief, tijdsdomein en niet-lineaire e ffecten

Kilian Gladine
Het sprekende oorop zoek naar een verklaring voor “Oto-akoestische emissies”.InleidingHet oor is een bijzonder interessant orgaan dat naast het werken als een frequentie analysator, versterker en een hele boel andere trucs kan, ook zelf geluid produceert. Deze geluiden noemt men Oto-akoestische emissies. Er is maar weinig geweten over dit verrassend fenomeen, maar de vermoedelijke oorzaak bevindt zich in het binnenoor, in het zogenaamde slakkenhuis.Het verhaalVoortplanting van geluidIn het oor wordt geluid opgevangen en door het trommelvlies omgezet in trillingen.

Eindige elementen model van de cochleaire mechanica: actief vs passief, tijdsdomein en niet-lineaire e ffecten

Het sprekende oorop zoek naar een verklaring voor “Oto-akoestische emissies”.

Inleiding

Het oor is een bijzonder interessant orgaan dat naast het werken als een frequentie analysator, versterker en een hele boel andere trucs kan, ook zelf geluid produceert. Deze geluiden noemt men Oto-akoestische emissies. Er is maar weinig geweten over dit verrassend fenomeen, maar de vermoedelijke oorzaak bevindt zich in het binnenoor, in het zogenaamde slakkenhuis.

Het verhaal

Voortplanting van geluid

In het oor wordt geluid opgevangen en door het trommelvlies omgezet in trillingen. Deze trillingen worden doorgegeven via gehoorbeentjes naar het binnenoor. Hier bevindt zich het slakkenhuis dat gevuld is met een vloeistof en een belangrijk membraan bevat. Omwille van de trillingen beweegt de vloeistof en trilt op zijn beurt ook dit membraan. Hierop bevinden zich duizenden trilhaartjes die instaan voor de signalisatie naar de hersenen toe. Langsheen de lengte van het membraan veranderen haar eigenschappen. Verschillende tonen zetten bijgevolg verschillende delen van het membraan in beweging. Op deze manier ontrafelt het slakkenhuis ingewikkelde geluiden die vele tonen tegelijk bevatten, wat onder andere ontzettend belangrijk is bij het verstaan van spraak.

Andere soort trilhaartjes

Ongeveer 40 jaar geleden werd ontdekt dat het slakkenhuis nog over een ander soort trilhaartjes beschikt. Deze trillen niet passief mee met het geluid, maar werken als kleine motortjes die de trillingen van het membraan lokaal versterken. Hierdoor worden heel stille geluiden versterkt en kunnen we op een nog veel fijnere manier onderscheid maken tussen verschillende toonhoogten. Er wordt gedacht dat deze actieve motortjes de oorzaak zijn van zogenaamde Oto-akoestische emissies. Dit zijn geluiden waar te nemen in het buitenoor die afkomstig zijn van het binnenoor. Het oor luistert dus niet enkel, het spreekt ook! Hiervan wordt gebruik gemaakt in de klinische wereld bij de gehoortesten voor pasgeborenen. Er worden twee tonen ingestuurd, maar er worden er drie (of meer) vanuit het binnenoor ontvangen. De aanwezigheid van Oto-akoestische emissies geeft een aanwijzing voor een gezond oor.

Model van het slakkenhuis

Het slakkenhuis met zijn passieve en actieve trilhaartjes is het meest ingewikkelde mechanische systeem van het hele lichaam en de juiste werking ervan verbergt nog steeds veel geheimen. Onderzoeker proberen door computermodellering te weten te komen hoe het systeem juist werkt. Tot voor kort waren al deze modellen gebaseerd op sterke vereenvoudigingen en geen enkel van die modellen kan exact verklaren hoe en waar de “Oto-akoestische emissies” juist ontstaan.

Recent zijn er meetgegevens beschikbaar gekomen over de vorm en het gedrag van de trilhaartjes zodat het nu mogelijk wordt een computermodel te maken. In mijn werk heb ik deze nieuwe gegevens gebruikt om een computermodel te maken van het slakkenhuis dat echt rekening houdt met deze nieuwe anatomische en mechanische details. In dit model bereken ik welke trillingen er ontstaan in het slakkenhuis wanneer ik één of meerdere tonen instuur. Deze berekeningen zijn ingewikkeld en erg langdurig omdat je ze moet doen in heel veel kleine tijdsstappen zodat je kan volgen welke golfvormen er juist ontstaan. Men zegt dat deze berekeningen gebeuren “in het tijdsdomein”, in tegenstelling tot de gebruikelijke methode “in het frequentiedomein” waar je maar één toon tegelijk kan bestuderen.

Onderzoek

In mijn thesis heb ik een methode uitgewerkt waarin de mogelijkheid wordt onderzocht dat er reeds oto-akoestische emissies ontstaan zonder actieve trilhaartjes. De hypothese is dat deze trilhaartjes enkel de kleine membraanbewegingen van de emissies versterken. De eerste resultaten tonen reeds dat het membraan trilt op frequenties die niet ingezonden zijn. Ik ga nu starten aan een doctoraatsonderzoek waarin ik mijn methode verder wil uitwerken. Hopelijk zal ik dan als eerste kunnen verklaren hoe de oto-akoestische emissies juist ontstaan en op welke plek in het slakkenhuis ze opgewekt worden.  Dergelijk onderzoek geeft ons fundamenteel inzicht in de werking van het orgaan. In mensen waar het slakkenhuis niet meer voldoende werkt kan men tegenwoordig een toestelletje implanteren dat de zenuwen rechtstreeks stimuleert. Begrijpen hoe het natuurlijke slakkenhuis exact werkt is een belangrijke stap om zulke elektrische prothesen te verbeteren.

Bibliografie

[1] BASBAUM, A.I., KANEKO, A., SHEPHERD, G.M. en WESTHEIMER, G., The Senses: A

comprehensive reference, Vol 3, Audition, Academic Press, San Diego, 2008, p. 165-202.

[2] RAU, C., HWANG, M., LEE, W., RICHTER, C., `Quantitavie X-ray Tomography of the Mouse

Cochlea', PLoS ONE, volume 7 (2012), april, nr. 4.

[3] REN, T. en NUTTALL, A.L., `Basilar membrane vibration in the basal turn of the sensitive

gerbil cochlea', Hearing Research, Volume 151 (2001), augustus, p.48-60.

[4] SOONS, J.A.M., RICCI, A.J., STEELE, C.R. en PURIA, S., `Cytoarchitecture of the Mouse

Organ of Corti from Base to Apex, Determined Using In Situ Two-Photon Imaging', JARO,

volume 16 (2015), Oktober, p.47-66.

[5] GAO, S.S., ET AL, `Vibration of the organ of Corti within the cochlear apex in mice',

Journal of Neurophysiology, Volume 112 (2014), september, nr. 5, p. 1192-1204.

[6] GREENWOOD, D.D., `A cochlear frequency-position function for several species 29 years

later', J. Acoust. Soc. Am., Volume 87 (1990), juni , Nr. 6, p. 2595-2605.

[7] MULLER, M., Von HUNERBEIN, K., HOIDIS, S. en SMOLDER, J.W.T., `A physiological

place{frequency map of the cochlea in the CBA/J mouse', Hearing Research, Volume 202

(2005), p.63-73.

[8] OLSON, E.S., DUIFHUIS, H. en STEELE, C.R., `Von Bekesy and cochlear mechanics',

Hearing Research, Volume 293 (2012), mei, p.31-43.

[9] TEUDT, I.U. en RICHTER, C.P., `Basilar Membrane and Tectorial Membrane Stiness in the

CBA/CaJ Mouse', JARO, Volume 15 (2014), mei, p.675-694.

[10] YOON, Y., STEELE, C.R. en PURIA, S., `Feed-Forward and Feed-Backward Amplication

Model from Cochlear Cytoarchitecture: An Interspecies Comparison', Biophysical Journal, Volume 100 (2011), januari, p. 1-10.

[11] MAHONEY, C.O., `Investigating the latency of the 2f1-f2 distortion product otoacoustic emission in normal and pathological ears using the phase gradient method', University of London, (1993).

[12] PROBST, R., LONSBURY-MARTIN, B.L., MARTIN, G.K., `A review of otoacoustic emissions' J Acoust Soc Am, Volume 88 (1991), p.2027-2067.

Universiteit of Hogeschool
Fysica
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden