原文作者： Herman Kingma 和 Maurice Janssen
中文翻译： 凌 霞 唐颖馨 张 珂 审 校： 金占国 杨 旭
临床上，明确哪些症状和损伤仅与前庭迷路或中枢前庭通路功能障碍有关颇为困难，这与眼科和耳科疾患分别对视力和听力产生影响是不同的。传统观念认为，眩晕为一侧前庭迷路功能受损而导致外周前庭功能障碍所产生的主要前庭症状，而外周前庭功能的慢性损伤或双侧迷路同时同等受累时，眩晕却是很罕见的。尽管存在中枢代偿，但对于功能受损稳定后的前庭而言，在头部运动和头部方向检测过程中，空间定向功能的灵敏度和准确性都会降低，并产生较为频繁且持久的前庭症状，例如主动平衡功能的永久性丧失、视觉稳定性的减退（动态视敏度降低）及空间主动定向功能的丧失等。在此背景下，本章讲述了前庭迷路的物理和功能的基础知识，以便于读者能够更好地理解前庭系统相关临床问题。
位于双侧颞骨中的前庭终末器官、前庭神经、前庭神经核团、前庭 – 小脑和前庭皮质构成了前庭系统的主体结构。本章内容重点介绍向中枢前庭系统进行信息传入的前庭终末器官。 人类利用视觉、本体觉（沿大血管走行的重力感受器）、听觉及前庭觉来检测机体在空间中的位置及运动方向。而前庭觉则利用位于头部的专属感受器来检测头部在空间中的角加速度（三维旋转）和线性加速度（三维空间中的平移和相对于重力矢量的倾斜）。在头部运动时，许多力作用于这些感受器，且通常所有的感受器同时受到刺激 : 在地球上，头部运动总是在重力场内发生，通常由旋转和平移组成。按照物理学原理，前庭感受器在颅内的位置和方向与头部旋转的精确检测无关（图 1.1A ），但对于检测额外的平移分量和离心力至关重要（图 1.1B ）。
图1.1 物体的运动通常为旋转和平移的总和。任何移动都可分为围绕某一旋转轴旋转及相应平面的平移。当头部围绕中间轴旋转时，迷路也同时进行平移和旋转运动（A：箭头1），但是首先围绕着迷路轴旋转，然后再进行平移（A：箭头2），也可以获得相同的结果。因此，无论旋转轴相对于迷路的位置如何，迷路的旋转分量是相同的，且双侧迷路的旋转分量也大体一致，因为平移附加分量取决于偏心旋转的偏心率（A）。偏心旋转总会导致非旋转轴上的任何结构产生额外的离心力和剪切力（B）。因此，在偏心旋转过程中，作用在双侧迷路上的离心力是不同的（左右侧椭圆囊和球囊受到的刺激不同）。 rotation：旋转；translation：平移；angular acceleration：角加速度；centrifugal force linear acceleration：离心线性加速度 双侧骨迷路位于颞骨内（图1.2A），膜迷路位于骨迷路中（图1.2B），骨迷路和膜迷路之间是外淋巴，外淋巴自蛛网膜下腔经蜗导水管传入。膜迷路内充满内淋巴，内淋巴是由前庭膜迷路中的暗细胞及耳蜗血管纹分泌的，经内淋巴囊吸收。膜迷路通过精细的纤维结缔组织网络固定在骨迷路中。
图1.2 （A）两侧迷路在颅骨内的方位示意图。（B）右侧膜迷路示意图。（C）左侧迷路顶面观，两图是由Jeffrey和Spoor修改后的示意图。前庭迷路在孕期的第17-19周发育完成。Jeffery对人类迷路的大小进行了详细的定量描述。（D）头向左旋转45°后左侧迷路的正面观。 AC：前半规管；HC：水平半规管；PC：后半规管；Sac：球囊；Utr：椭圆囊；Cochlea：耳蜗；top view left labyrinth：左侧迷路顶面观。 膜迷路分为三个功能单位：半规管、前庭和耳蜗（图 1.2B ）。半规管和前庭构成了迷路的前庭部分。前庭包含耳石器：椭圆囊和球囊。半规管和耳石器对头部的低频运动及头倾斜较为敏感。耳蜗属于听觉部分被认为是系统发育过程中前庭部分的延伸，可感知高频运动和振动（声音），但此部分内容与本章节的主旨不符，因此在本章节中将不做过多赘述。半规管和耳石器功能互补，三个相互垂直的半规管（图 1.2C ， D ）感受角加速度运动，而耳石器则感受包括头部倾斜在内的线性加速度运动。 迷路中存在初级运动感受器，即毛细胞，为机械感受器细胞，它将机械位移转换成电能，这些毛细胞在前庭器官和听觉器官中的作用高度相似，与该系统的发育特征相符。位于迷路内的半规管嵴帽、囊斑及耳蜗 Corti 器对旋转、倾斜及声音的敏感性并非依赖于毛细胞的类型，而是更多地取决于毛细胞在上述结构中的特定位置和运动方式。 前庭毛细胞（图 1.3 ）由一个细胞体和细胞顶部的一束纤毛组成，平均约 50 根静纤毛和 1 根动纤毛（青蛙的球囊）。毛细胞静纤毛形成一束纤毛，距离动纤毛越近，其长度越长。在它们的顶部，纤毛通过弹性顶部连接形成机械互连，顶部连接使得毛细胞上的所有纤毛在加速时一起移动，并机械地开启和关闭静纤毛顶部的离子通道。动纤毛是最长的纤毛，也是半规管嵴帽及囊斑上所有毛细胞同步移动时偏转角度最大的纤毛，因为有顶部连接，所以动纤毛的灵敏度最高。
图1.3（A）毛细胞示意图。（B）和（C）：前庭毛细胞顶部连接扫描电镜照片，图片合并和修改自Valk。 tiplinks： 顶部连接；stereocillia： 静纤毛；kinocillium： 动纤毛 静息电位时毛细胞受体电位约为 -60mV，纤毛横向位移 1微米电位变化约为 20mV。毛细胞的传入神经纤维显示每秒约 100个棘波的自发放电率。当毛细胞静纤毛向动纤毛移动时，受体电位降低，神经纤维放电率增加，反之亦然。在青蛙球囊的毛细胞中，静纤毛向动纤毛方向偏转引起受体电位的变化最大：静纤毛背离或朝向动纤毛偏转时的受体电位从 -1.8mV到 +7.0mV，两者之间相差 4倍之多，因此毛细胞是左右摆动敏感性不对称的机械感受器细胞（ Ewald第二定律）。 以毛细胞为机械感受器的双耳平衡器官各容纳五个主要感受器，用于检测头部在空间中的运动方式和方向，包括三对半规管和两个耳石器，三个半规管负责感受三维角加速度（旋转）运动；两个耳石器，即椭圆囊和球囊，感受三维运动中的线性加速度和头部相对于重力矢量的方向（即倾斜），此外，在旋转过程中，球囊和椭圆囊还能感知到头部远离旋转轴运动所产生的离心力。半规管能够感受到大于 0.5 ° /s2 的角加速度，耳石器可感受到大于 2cm/s2 的线性加速度以及相对于重力垂直线约 0.5 ° 的头位倾斜。 半规管和耳石器的特定解剖学形态和结构决定了它们感知旋转、平移及倾斜的灵敏度的不同，而非毛细胞结构差异所决定的。
如图 1.2 所示，双侧前庭中三对半规管：水平半规管、后半规管和前半规管的直径略有不同，水平半规管直径约 2.3 ± 0.21mm ，后半规管直径约 3.1 ± 0.30mm ，前半规管直径约 3.2 ± 0.24mm 。单侧三个半规管基本上相互垂直（图 1.4 ），在健康受试者中，半规管的方向各不相同（标准差为 4.1-5.4 º）。半规管的内径为 0.2-0.3mm 。
图1.4 改编自Jeffery的双侧前庭迷路背面观（8）：箭头表示每个半规管偏好的旋转方向。
AC：前半规管；HC：水平半规管；PC：后半规管。 半规管的毛细胞位于嵴帽胶状物质的基底部，嵴帽从每个半规管的壶腹部向上延伸并形成封闭半规管的膜瓣，阻断内淋巴通过壶腹流入前庭（图 1.4 ）。纤毛从壶腹嵴延伸到嵴帽中。 如前所述，毛细胞向动纤毛方向偏转是其极化方向，灵敏度最高。在半规管嵴帽上，所有毛细胞具有相同的极化排列方向。因此，在偏转时所有毛细胞受体电位同步降低或升高，但是，由于在极化方向上灵敏度最大，且嵴帽都有一个偏好的偏转方向，这就可以解释每个半规管的不对称性的灵敏度。事实上，每个半规管沿特定半规管方向上旋转时灵敏度最高（图 1.4 ）。 水平半规管嵴帽的毛细胞极化方向为朝向嵴帽的方向偏转（向壶腹），与头部旋转方向相反（如图 1.4 ，箭头；见后面嵴帽偏转机制的解释）。垂直半规管嵴帽毛细胞的极化方向为背离嵴帽的方向，即在垂直方向旋转时，毛细胞极化方向与头部旋转方向相反（如图 1.4 的箭头所示）。经验认为每个半规管对垂直于该半规管平面轴并在该半规管平面旋转时受到旋转刺激时，敏感性也最大（例如，右侧水平半规管在头部向右旋转时最敏感）。 通过这种定向，我们得到了三对具有互补特性的半规管以保证对角加速度的最佳灵敏度（图1.4：1）左右水平半规管；2）左前和右后半规管；3）右前和左后半规管。半规管的灵敏度（增益）为在0.5Hz传入神经纤维产生接近1尖峰/s / ° /s。 当头部旋转时，半规管膜迷路中的内淋巴液由于惯性作用而滞后，从而对嵴帽产生相应的压力（图 1.5A, B ），导致嵴帽弯曲。当旋转轴垂直于该半规管平面时，内淋巴液的移动幅度最大（图 1.6 ；当旋转轴位于半规管平面时，内淋巴和嵴帽则不会移动： Ewald 第一定律）。如前所述（见图 1.1 ），单个半规管的旋转刺激不依赖于旋转轴与半规管中心之间的距离，即平行轴定理：半规管在头部的位置与旋转的灵敏度无关。
图1.5 半规管以顺时针角加速度旋转导致内淋巴液的向壶腹流动，使得嵴帽和具有相同极化方向的毛细胞的偏转(A)。逆时针角加速度导致嵴帽向相反方向偏转（B）。
图1.6 Ewald第一定律：围绕垂直于半规管所在平面的轴进行旋转时，嵴帽偏转最大；沿半规管所在平面的轴进行旋转时，嵴帽偏转最小。
3.半规管物理学
没有嵴帽的半规管就类似于一个完全装满水（顶部没有空气）、固定在转盘上的封闭的瓶子。当转盘开始旋转时瓶子将立即跟着一起旋转。然而，由于质量的惯性，水的运动会滞后，只有在一段时间后，由于水与瓶壁的附着力以及水分子间的内聚力，水才会开始旋转并最终达到与瓶子和转盘相同的角速度。如果没有这种摩擦力（附着力）和粘附力（内聚力），水就不会移动；如果摩擦力和粘 附力越大，水将会很快地跟随瓶子一起移动。除了摩擦力和粘附力外，流体的总质量和质量密度或惯性也起着至关重要的作用：流体质量越大，移动水所需的力（加速度）就越大。摩擦力、粘附力、质量和加速度都决定了水在瓶子运动后的滞后程度以及在水达到与瓶子相同的角速度前位移的角度。一旦转盘、瓶子和水以恒定的速度旋转时，将不再发生任何事情。水相对于瓶子旋转的角度与施加到瓶子上的角加速度成正比。一旦转盘停止，瓶子也会立刻停止，但瓶子里的水仍然会继续旋转。由于瓶壁和水之间的摩擦力，水的速度会随着时间的推移而逐渐减慢，直至最终完全静止。如果减速度与加速度相同，则水静止所需的时间相同，并且水会转动到与实验开始时相同的位置，即不存在相对位移。当加速和减速过程中的速度阶跃相反但幅度相同时，不需要相同的减速度和加速度，水也可以达到相同的位置。例如，让瓶子的速度阶跃相同，方向相反（ 120°/s 和 −120°/s ），在 12 秒内当以 10°/s2 加速到 120°/s 后再以 60°/s2 的减速度在 2 秒内从 120°/s 减速到静止。因此，相对位移与速度阶跃成正比：即为加速度× T （加速度时间） 。这一原理在临床上的应用体现速度阶跃广泛用于转椅试验中对前庭功能进行检查及诊断。 当我们将很轻的液体或气体（比重低）（降低质量惯性）或对瓶壁具有很强粘附力的液体倒进瓶子中，移动瓶子的过程中，液体或气体相对于瓶壁的位移则可忽略不计。 因此，相对位移随质量及速度阶跃的增加而增加，随摩擦力增加（附着力和内聚力）而减小。因为水不会被压缩，所以转盘和瓶子的任何平移，水都不会移动，只有在旋转后水才会开始移动。 半规管内的情况稍复杂一些：在半规管内，嵴帽可以阻止内淋巴液的自由流动（图1.5A，B）。把嵴帽比作可向内外两个方向弯曲的弹性膜，当半规管开始旋转时，由于惯性作用，内淋巴的移动滞后，同样，半规管内的摩擦力越小、内淋巴的质量越大，内淋巴液的流动就越滞后，作用于嵴帽上的力就越强。然而，由于嵴帽本身的硬度特性使得它不能偏移过大，因此在几毫秒内，作用于嵴帽上的惯性力和嵴帽本身的弹力就会达到平衡。只要持续加速，上述平衡就会保持不变，导致嵴帽持续偏转，从而刺激嵴帽中的毛细胞。加速度越大，嵴帽偏移越多：嵴帽偏移的程度与实际加速度成正比。半规管硬度降低（高弹性）、内淋巴质量升高及摩擦力减小就会导致嵴帽更大的偏移（灵敏度更高）。当角速度恒定后，没有加速度的驱动力，嵴帽也会逐步回弹至中间位。然而，这一复位时间会比较长，因为这要嵴帽凭借自身的弹性力来对抗内淋巴流动时的质量摩擦力。嵴帽硬度降低（高弹性=低弹性阻力）、内淋巴质量增高和摩擦力增大会使嵴帽回到中间位的速度变慢。在病理改变和衰老的过程中，内淋巴的粘滞度（摩擦力）和嵴帽的硬度会发生改变，比如良性阵发性位置性眩晕（benign paroxysmal positional vertigo，BPPV），内淋巴的质量（比重）就有可能会增加。综上所述： ◆增加嵴帽的硬度或内淋巴的粘滞度：半规管灵敏度降低且旋转后感知时间缩短； ◆增加内淋巴的绝对质量：半规管灵敏度升高且旋转后感 知时间延长； ◆如果嵴帽相对于内淋巴的比重发生改变，半规管对重力及线性加速度的灵敏度就会增加。事实上，由于嵴帽和内淋巴的密度相同，半规管对线性加速度并不敏感。但如果两者之间的密度产生差异，半规管内的流体动力学就会变得更为复杂，且可能会使得重力矢量相对于半规管平面和旋转轴的方向依赖性以及旋转轴和半规管中心之间的距离依赖性。和很多人饮酒后的体验一样，躺在床上会有旋转感，甚至会诱发出眼动，我们称之为位置性酒精性眼震。这种现象在 BPPV 的诊疗过程中经常见碰到。实际上就 BPPV 而言，是由于耳石微颗粒出现在半规管，使半规管系统对重力方向和加速度的灵敏度增加所致（质量增加）。这些耳石颗粒如果附着在嵴帽上，称为嵴顶结石症，如果聚集并漂浮在半规管中，则称为管结石症。
Melvill-Jones 和 Groen 曾提出一个可以解释半规管精确运转的二阶数学模型，下面对其进行详细叙述。 在头部旋转时，由于质量惯性，内淋巴液的运动滞后于半规管的运动，产生粘性摩擦力。此外，偏转的壶腹也具有弹力属性。因此，可以使用惯性（ I ），粘度（ B ）和弹性 / 刚度（ K ）作为物理参数，通过机械模拟原理对半规管建模（见图 1.7 ）。故此，会出现以下推论，当雷诺数低于 1 时，半规管内的液体流动就会出现层流，内淋巴液的密度非常接近于 1 且和壶腹的密度相似，这种相似性使半规管对线性加速度不敏感，内淋巴液的动态粘滞度大约为 0.001 Pa/s ，膜迷路的内径为 0.163 mm ，嵴帽的杨氏弹性模量约为 5.4 Pa 。
图1.7 半规管机械模型。B：粘性摩擦力；I：内淋巴液的质量惯性；K：嵴帽的弹性回缩力；p：内淋巴的角位置；q：头部的角位置；q-p：嵴帽的偏斜角度。 惯性矩由 I·P̅ 表示，粘性摩擦矩由 B·ν 表示，弹性矩由 K·ν 表示，从而得出二阶微分方程（ 1 ） ： I ·P̅=B·ν+K·ν 设P̅ 为内淋巴角加速度，q̇为头部角速度，ν为壶腹角度，利用ν=q-p和I/B(T1≈3ms)远小于B/K（T2≈10s）的实际情况，传递函数方程可以写成（2）：
其中头部角速度q̇ 作为输入项，壶腹角度 ν 作为输出项。该传递函数的形式可用图 1.8 来描述。
图1.8 传递函数方程2中的频率响应Bode图，说明了半规管机械模型的动态响应方式。上面曲线示：振幅频谱（增益=灵敏度）。下面曲线示：相位与频率函数。 phase：相位。
该模型预测最大内淋巴运动的数量级为 1 °，速度阶跃为 500 ° /s 。 Grabherr 曾报道年轻成人的角速度阶跃感知阈值为 0.4-2.8 ° / s （ 0.05-5Hz, 2Hz 时的最低阈值为 0.4 ° / s ）。 Janssen 发现在不同刺激条件下，最低感知阈的 95% 置信区间在 1 – 5.5 ° / s 之间。该数量级意味着内淋巴位移大约 0.002 °就会被感知。以内淋巴质量惯性为驱动力，半规管就可感知到角加速度，但在头部运动的生理频率（约 0.5-5Hz ）下，半规管可作为角加速度积分器 ：从传递函数在 0.5 – 10Hz 之间的平坦响应可以看出，嵴帽的传入信号与头部角速度成正比（见图 1.8 ）。此外，如图 1.9 所示，补偿性眼动速度与头部速度成正比，但相位相反 。在使用转椅进行前庭试验时的两种常见形式为恒定角加速度和短程角加速度（速度阶跃）刺激模式。图 1.10 则显示了嵴帽对上述刺激的反应。
图1.9 将头位（A）的正弦变化转换为幅度相等方向相反的眼位（G）变化的机制（另请参阅）。嵴帽的偏斜程度（D）和前庭神经放电率（E）成正比，并与头速（C）的相位相同。因为外直肌收缩需要位置编码信息，该信息则叠加于随意眼位的基线收缩基础上，故此动眼积分器所致的外展神经放电速率（F）就会滞后于嵴帽偏斜（D）90°。补偿性眼速（H）与头速（C）成正比，但相位相反。 Baseline： 基线； positio ： 位置； acceleration ： 加速度； velocity ： 速度； right cupula displacement ： 右侧嵴帽偏转； right vestibular nerve firing rate ： 右侧前庭神经放电率； left abducens nerve fi ring rate ： 左侧展神经放电率； Ap ： 向壶腹； Af： 离壶腹。
图1.10 嵴帽对恒定角加速度和速度阶跃的响应曲线。 headangular acceleration： ： 头部角速度；cupula displacement： 嵴帽偏转；acceleration step： 加速度阶跃；velocity step： 速度阶跃。
曲线中的增益反映半规管对旋转运动的灵敏度。曲线中的相位则反映头部和嵴帽同步运动的精确程度。为了准确检测实际的头部旋转，增益和相位都需要达到最佳状态。 在图 1.11A 和 B 图中，描述了嵴帽偏斜的增益和相位与头部加速度之间的函数关系。对于所有小于 0.1Hz 的运动，嵴帽的偏斜程度很明显与头部加速度成正比且相位相同（上两幅图）；曲线在约 0.1Hz 时较为平坦，但在较高频率时，灵敏度（增益）迅速下降，且相位开始滞后。 当我们描述头部速度与嵴帽偏斜程度的增益和相位之间的关系时（图 1.11C， D ），曲线在中频至较高频率（ 0.1 ～ 10Hz ）时变得相对平坦：嵴帽偏斜程度与头速成正比且相位相同（下两幅图）。 在临床上，很难轻易通过客观且量化的办法测定半规管的频率依赖性。如图 1.11A ， B 所示，温度试验可以评估水平半规管的低频功能。前庭转椅的正弦旋转试验（旋转摆动，正弦谐波加速度试验）则评估半规管的低中频功能（ 0.01-1Hz ）。
图1.11 该图显示半规管与头部旋转频率在增益和相位间呈函数关系。基于二阶模型和半规管的各种已知或估计的常数，半规管在低频旋转和高频旋转时表现有所不同。低频旋转时，嵴帽偏斜程度与头部加速度成正比。而高频旋转时，嵴帽偏斜程度与头部速度成正比。 gain（acceleration）： 增益（加速度）；phase（acceleration）： 相位（加速度）；gain（velocity）： 增益（速度）；phase（velocity）： 相位（速度）； frequency（Hz）： 频率（Hz）。 当我们在临床中使用速度阶跃进行测试时，眼动速度在时间上的衰减反映了前面描述的数学模型中的时间常数T2，当我们应用正弦旋转刺激时，可量化头部和眼动速度之间的相移，时间常数T在物理速度域上会与正弦刺激检测到的 相移存在相关性,公式为 ϕ =90°-tan-1 （ [2πfT] ）。
根据临床经验，时间常数被定义为增益降低到大约 37 ％时所用的时间（ = 1/e ，其中 e 是欧拉常数）；在嵴帽偏斜接近 5 ％所需时间是达到此时间常数所用时间的三倍（嵴帽的时间常数通常约为 6s ，嵴帽偏斜程度小于 5 ％之前至少需要 18s ，此时半规管内已无法检测到内淋巴液的旋转运动）。 因此，速度阶跃试验（即加速度脉冲响应试验），在理论上可以通过测量前庭眼反射直接量化半规管的增益和时间常数 T2 。但是，中枢处理和认知过程也会极大地改变增益和相位的大小。由于加速期间信号储存于大脑中，使得速度阶跃响应（旋转后眼震和旋转感）的持续时间远长于迷路的机械响应时间，大约要 30-60 秒（在健康受试者中这一时间常数介于 11-26 秒之间），这限制了直接基于任何旋转试验对外周半规管功能状态进行解释。同时，由于试验过程中双侧迷路同时受到刺激和数月后中枢代偿外周病变相当有效，因此很难通过旋转试验对病变半规管进行定侧诊断。 过去认为，旋转后眼震和旋转感持续时间的差异被认为是为了识别某些前庭疾病（嵴帽敏度测量）。近些年来，国际上多个实验室开展多种前庭高频试验（前庭自旋转试验，摇头，高频液压摆动转椅等），但由于前庭高频检测的局限性太多，其灵敏度及重复性有限，这些方法都没能像温度试验一样获得较为的广泛应用。被动头脉冲试验（快速低幅头部旋转）也被视为评价半规管高频功能的方法，在临床上是诱发性眼动和头部运动定量检测不可或缺的工具，它可以量化增益值以及检测病理性显性和隐形扫视。但不幸的是，它不能同时检测前面所描述的时间常数。此外，半规管在保持视觉捕捉图像稳定性的生理功能，即头部运动期间的动态视敏度，也可以进行定量检测，动态视敏度虽然在临床上与半规管功能高度相关，但这种检测方法多不作为评估半规管功能的物理参数。 Muller 对脊椎动物迷路内淋巴液的流动进行详尽的数学描述，其理论与先前描述的简单“扭摆”原理的主要区别是将球囊和椭圆囊及与之相连的三个半规管作为一个整个系统进行描述，而非单个管道回路。目前，一种新的数学方法正在用于研究嵴帽膜的特定形状，以及半规管的形状和方向，研究显示半规管的形状、方向和大小与对角加速度的敏感性之间的关系比这里提出的基本二阶模型更为复杂。
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