Impedance and electromechanical vibration measured in the organ of Corti up to 50 kHz: new insights for cochlear amplification

Abstract

To elucidate mechanisms of cochlear amplification the organ of Corti was characterized at up to 9 radial positions (between inner sulcus cells and Hensen's cells) in terms of a Norton equivalent circuit: as a force source in parallel with a load impedance, both acting between the clamped basilar membrane and the reticular lamina.

Three types of results are presented here: the mechanical point impedance and the electrically evoked velocity were measured in the ranges 0.48-50 kHz and 0.48-67 kHz, respectively. From these two quantities, the associated source force was calculated.

Firstly, an innovative method was developed to measure the mechanical driving point impedance of biological structures up to at least 50 kHz. The technique employs an atomic force cantilever with a ferromagnetic coating and an external magnetic field to apply a calibrated force to the cantilever. Measurement of the resulting cantilever velocity using a laser Doppler vibrometer yields the impedance. A key feature of the method is that it permits impedance measurements on biological tissues in physiological solutions at acoustical frequencies.

As a prerequisite for the impedance measurement, existing models of the high-frequency dynamical response of atomic force cantilevers in viscous fluids were extended, and a method was developed to confirm experimentally the validity of the theory up to 67 kHz in air and CCL4. The theory permits calibration of these cantilevers in fluid above their first resonant frequency. This is important for general applications such as dynamic AFM modes and dynamic mechanical measurements on biological tissues.

The measured mechanical impedance of the organ was described by a generalized Voigt-Kelvin viscoelastic model. There was no evidence for an inertial component.

Secondly, the velocity of the upper surface of the organ resulting from the electromotile action of the outer hair cells was measured with a laser Doppler vibrometer at the same radial positions as the impedance. Displacement was calculated from velocity. Displacement amplitudes (normalized to electric current density) were constant up to about 10-20 kHz, above which they decreased with 12 dB/oct. Two phase reversals were observed - one at the tunnel of Corti and the other at the outer tunnel. Upon administration anthracene-9-carboxylic-acid the amplitudes decreasing 5-fold.

Thirdly, the force acting on the reticular lamina was calculated for each of the radial positions from the velocity and the impedance of the organ of Corti. Force on the cuticular plates of the outer hair cells exhibited a broad amplitude maximum at 7- 20 kHz with Q3dB of 0.6-0.8, followed by a first-order low-pass characteristic at higher frequencies. The force response on the inner hair cells was similar to that on the outer hair cells, but with reversed phase. However, the low-frequency amplitude was smaller than for the outer hair cells by up to 15 dB.

The following implications of these results for cochlear amplification are suggested: 1) the purely viscoelastic behavior of the organ broadens the frequency response of the displacement compared to that for an inertial load: its filter function is that of a first-order low-pass rather than a second-order resonant filter. The relevance of the point measurements lies in the fact that the tectorial membrane is attached to the reticular lamina through the stereocilia of the outer hair cells, so that force is exerted on quasi-discrete points. 2) Localized amplification of the basilar-membrane travelling wave cannot be accounted for by a place specific displacement resonance of the organ of Corti, but a putative second resonance can occur only at the tectorial-membrane level. 3) The reticular lamina does not move as a rigid plate, but exhibits phase reversals at two radial locations. 4) For extracellular stimulation, the bandwidth of electrically evoked force and vibration is always greater than or equal to the characteristic frequency of a certain cochlear place. 5) The force maximum is consistent with the recent proposal of a piezoelectric resonance of the outer-hair-cell lateral wall. 6) The data show that the force can compensate the amplitude attenuation - but not the phase lag - caused by electrical low-pass filtering of the receptor potential. 7) In the experimental configuration used here, extracellular current enters the outer hair cells through their basolateral membrane rather than their stereocilia. 8) The observed low-frequency attenuation of the inner hair cell force indicates that the mechanical coupling between outer and inner hair cells is high-pass filtered. This supports the view that the organ of Corti is essentially an elastic, fluid filled tube, in which radial coupling is dominated by hydrodynamical forces.

Um die Funktionsweise des kochleären Verstärkers besser zu verstehen, wurde zunächst eine geeignete in-vitro Präparation der kochleären Partition entwickelt. Anschließend wurde das Corti'sche Organ an bis zu neun radialen Positionen (zwischen den inneren Sulcus Zellen unden den Hensen'schen Zellen) als Norton-Äquivalent-Schaltung characterisiert, d.h. als Kraftquelle parallel zu einer Lastimpedanz zwischen der geklemmten Basilarmembran und der Retikularmembran.

Diese Arbeit lieferte drei Arten von Ergebnissen: die mechanische Punktimpedanz und die elektrisch evozierte Geschwindigkeit wurde in den Frequenzbereichen 0.48-50 kHz und 0.48-67 kHz gemessen. Aus diesen zwei Größen wurde die zugehörige Kraftquelle berechnet.

Zuerst wurde eine neue Methode entwickelt, um die mechanische Punktimpedanz von weichen biologischen Strukturen bis zu 50 kHz zu messen. Dazu wurde ein Kraftmikroskopie-Balkenverwendet, der ferromagnetisch beschichtet war und auf den durch ein externes Magnetfeld eine Kraft appliziert werden konnte. Die Messung der Geschwindigkeit der Balkenspitze mit einem Interferometer gestattete schließlich die Bestimmung der Impedanz. Eine wichtige Eigenschaft dieser Methode ist, dass sie Impedanzmessungen an biologischen Präparaten in Flüssigkeit bis 50 kHz ermöglicht.

Als Vorbereitung für die Entwicklung der Impedanz-Messmethode wurden existierende Modelle für das dynamische Verhalten von schlanken Balken in Fluid erweitert und eine Methode entwickelt, um die Theorie bis über die zweite Resononanzfrequenz des Balkens in Luft und CCl4 experimentell zu validieren.

Die Impedanz des Organs wurde als die eines verallgemeinerten visoelastischen Materials beschrieben. Es gab keine Anzeichen für eine Inertialkomponente. Der Betrag der Impedanz war am größten über dem Corti'schen Tunnel und fiel in beide radialen Richtungen monoton ab.

Zweitens wurde die Geschwindigkeit der Oberseite des Organs, verursacht durch die elektromotile Aktion der äußeren Haarzellen, an den gleichen Stellen wie die Impedanz mit einem Interferometer gemessen. Aus der Geschwindigkeit wurde die Auslenkung berechnet. Die auf die Stimulus-Stromdichte normierten Auslenkungen waren konstant bis etwa 10-20 kHz und fielen darüber mit 12 dB/Oktave ab. An zwei Stellen wurde ein Phasenumkehr beobachtet: im Bereich der Pfeilerköpfe und über dem äußeren Tunnel.

Zugabe des Chloridkanalblockers Anthrazen-9-Karboxylsäure reduzierte die Amplituden um den Faktor fünf.

Drittens wurde die Kraft berechnet, die an jeder der gemessenen Stellen auf die Retikularmembran wirken muß, um bei der gemessenen Impedanz die gemessene Geschwindigkeit hervorzurufen. An den Kutikularplatten der äußeren Haarzellen zeigte die Kraft ein breites Maximum im Bereich 7-20 kHz und verhielt sich zu höheren Frequenzen hin wie ein Tiefpass erster Ordnung. Die Kraft im Bereich der inneren Haarzellen war ähnlich wie bei den äußeren, jedoch mit umgekehrter Phase und bei tiefen Frequenzen mit kleineren Amplituden.

Die folgenden Schlussfolgerungen aus diesen Ergebnissen werden vorgeschlagen: 1) das rein viskoelastische Verhalten des Organs verbreitert den Frequenzbereich der Auslenkung im Vergleich zu einer inertialen Last: die Filterfunktion ist erste Ordnung statt zeiter. Die Punktmessungen sind deswegen relevant, weil die Tektorialmembran über die Stereozilien der äußeren Haarzellen and die Retikularmembran gekoppelt ist, so dass die Kraft an diskreten Punkten übertragen wird. 2) Die Lokalisierung der Verstärkung der Basilarmembran-Wanderwelle kann nicht über eine ortsspezifische Resonanz des Corti'schen Organs hervorgerufen werden, sondern eine mutmaßliche zweite Resonanz kann nur zusammen mit der Tektorialmembran entstehen. 3) Die Retikularmembran bewegt sich nicht als steife Platte, sondern besitzt zwei Punkte, an denen sich die Phase umkehrt. 4) Für extrazelluläre Stimulation ist die Bandbreite der elektrisch evozierten Kraft und Auslenkung immer größer als die characteristische Frequenz des jeweiligen Ortes. 5) Das Maximum in der Kraft ist konsistent mit der vor Vorstellung einer piezoelektrische Resonanz in den äußeren Haarzellen. 6) Die Daten zeigen, das der Frequenzverlauf der Kraft die Amplitudendämpfung, jedoch nicht die Phasendrehung, die durch die RC-Tiefpassfilterung des Rezeptorpotentials entstehen, ausgleichen kann. 7) In der hier verwendeten experimentellen Konfiguration fließt extrazellulärer Strom eher durch die basolaterale Membran als durch die Stereozilien. 8) Die beobachtete tieffrequente Abschwächung der Kraft auf die inneren Haarzellen weist darauf hin, dass die mechanische Kopplung zwischen äußeren und inneren Haarzellen hochpassgefiltert ist. Dies passt zu der Ansicht, dass das Corti'sche Organ im wesentlichen eine elastische, fluidgefüllte Röhre ist, in der radiale Kopplung von hydrodynamische Kräfte dominiert wird.

Diese Ergebnisse enthüllen bisher unbekannte mikromechanische Details des kochleären Verstärkers.