Hängt die Änderung der Cochlea-Potentiale von der Geschwindigkeit der Perilymphe ab? [geschlossen]

Kontext: Diese Frage scheint nicht zum Thema zu gehören, da es um die biologischen Besonderheiten des menschlichen Ohrs geht. Die Physik kann abstrakte Modelle lösen, die von lebenden Organismen inspiriert sind, aber es ist die Biologie, die mit der Entwicklung dieser Modelle beauftragt ist.

Vielleicht kann ich meine eigene Frage beantworten, der einige grundlegende Prinzipien der Physik vorangestellt sind (detaillierte mathematische Erklärung und analytische Berechnung wurden ausgeschlossen, um alle Details anzugeben, – aufgrund der Komplexität des Themas mehr als wahrscheinlich schwer zu verstehen, was ist reine Physik - ), und dass die Anwendung des Bernoulli-Effekts tatsächlich richtig ist, wenn in einer oszillierenden Flüssigkeitssäule alle Bedingungen für eine quasi-stationäre Potentialströmung erfüllt sind.

Ein solcher quasi-stationärer Potentialfluss führt nicht nur zur gültigen Nutzung des Bernoulli-Effekts, sondern erfüllt auch perfekt die Laplace-Gleichung, was natürlich eine weitere Voraussetzung ist.

Folglich müssen wir in diesem Fall überhaupt nicht auf Navier-Stokes-Gleichungen zurückgreifen.

Vorausgegangen, indem wir in der Literatur gefundene Daten als Ausgangspunkt nehmen; nämlich, dass für normale Schallreize die maximalen Verschiebungen des ovalen Fensters wesentlich kleiner als 10 Mikrometer sind.

Da die Perilymphe als Ganzes betrachtet werden kann, können wir die Geschwindigkeit der Perilymphe irgendwo entlang der Basilarmembran als Zeitableitung berechnen. Die Geschwindigkeitsamplitude in der Perilymphe wird dann zu. Daraufhin können wir für eine Reihe von Parametern, die bei diesem Prozess eine Rolle spielen, auf Daten aus der Standardliteratur zurückgreifen:

A. Für den Perilymphgang in der Cochlea gilt: Kanaldurchmesser mm.

B. Während die kinematische Viskosität gegeben ist durch: m2/s.

C. Perilymphe wird als praktisch inkompressible Flüssigkeit angesehen, ähnlich wie Wasser.

Wenn wir unter Verwendung dieser Daten mit ihren Werten für die Reynoldszahl rechnen, kommen wir zu ihr. Das ist 1/5 des kritischen Werts, der erforderlich ist, um die Strömungsbedingungen von laminar für niedrig zu turbulent für hoch zu ändern.

Wie jeder Physiker, der sich mit diesem Thema auskennt, weiß, liegt der kritische Punkt zwischen 2000 und 3000. Die Strömung der inkompressiblen Perilymphflüssigkeit bleibt also für alle Schallfrequenzen in der Cochlea laminar. Daraus folgt, dass die beteiligten Parameter für alle regulären Schallsignale, die alternierende Perilymphgeschwindigkeiten erzeugen, unverändert bleiben.

Daher kann der quasistatische Ansatz verwendet werden, indem die konstante Geschwindigkeit durch die zeitabhängige Geschwindigkeit ersetzt wird.

Für das Konzept erlaubt uns die Definition von „quasi-statisch“, das zeitabhängige Verhalten als eine große Anzahl aufeinanderfolgender Multi-Moment-Beobachtungen zu betrachten, für die der Faktor Zeit von Moment zu Moment in infinitesimalen Schritten zunimmt.

Dies entspricht vollkommen der Art und Weise, wie Navier-Stokes-Gleichungen für laminare inkompressible Fluide in der vierdimensionalen Vektordarstellung auf das Gesetz von Bernoulli zurückgeführt werden können.

Da der Perilymphgang tatsächlich als Stromkanal fungiert, können wir sogar die Standard-Skalardarstellung für den Bernoulli-Effekt verwenden.

Für ein Schallsignal mit Frequenz und einer Auslenkungsamplitude für das ovale Fenster ist der Zusammenhang zwischen der Druckänderung an der Wand des Perilympgangs und der Perilympgeschwindigkeit gegeben.

Dieser quasistatische Zusammenhang zwischen Druckänderungen in der Perilymphflüssigkeit und dem Schalldruck für alle Frequenzen entspricht dem Energieerhaltungssatz und führt zu einem Drucksignal über die gesamte Basilarmembran.

Frage:

Warum erzeugt die Vektorsumme der Perilymphgeschwindigkeit in den gesamten Push-Pull-Bewegungen der inkompressiblen Perilymphflüssigkeit in der kombinierten Scala vestibuli und Scala tympani hörbare oder nicht hörbare Geräusche, wie aus der Beziehung zwischen Schallreiz und elektrischer Leistung in der zu ersehen ist Schnecke?

Warum in diesem Beispiel kein hörbarer Ton?

In Bezug auf Waver & Lawrence 1950, The Acoustic Pathways to the Cochlea , JASA 22: 460 , geben Heerens & de Ru ( Applying Physics Makes Auditory Sense , PDF hier ) im Wesentlichen eine absolut legitime Ergänzung, sowohl gut definiert als auch logisch begründet in den Experimenten von Wever und Lawrence (1950) – später bestätigt von Voss et al. (1996).

Zwei Schalldrucksignale gleicher Intensität, die gleichzeitig versuchen, das ovale Fenster und das runde Fenster in die gleiche Richtung in und aus der Cochlea zu drücken und zu ziehen – wodurch Fensterbewegungen in der gleichen Phase verursacht werden – ergeben eine Vektorsumme für die Perilymphreize von Null. Das bedeutet, dass auch die Geschwindigkeit der Perilymphe Null ist. Wever und Lawrence stellten fest, dass in diesem Fall die Änderungen der Cochlea-Potentiale Null sind.

Meine eigene Vermutung ist:

• Die Geschwindigkeit der Perilymphflüssigkeit innerhalb des Cochlea-Gangs ruft die Änderung der Cochlea-Potentiale hervor.
  • Mit Vektoren kann leicht demonstriert werden, dass die Summe zweier Vektoren mit gleichem Modulus [Vektorlänge], deren Phase sich zwischen 0 und 180 Grad voneinander ändert, das Quadrat davon vom 0- bis zum 4-fachen der Vektorlänge ansteigt, und die Phase ändert sich von 0 auf 90 Grad.

Können wir daraus schließen, dass die Änderung der Cochlea-Potentiale von der resultierenden Perilymphgeschwindigkeit und nicht von der Druckbelastung abhängt?

Warum hörbarer Ton in diesem Beispiel?

Heerens & de Ru sagen auch

Im praktischen Fall der Vibrant Soundbridge evoziert der schwebende Massewandler tatsächlich die Kraft auf das runde Fenster, das wiederum die Perilymphe in der Cochlea in Bewegung setzt.

Meine eigene Vermutung ist:

• Natürlich wird diese Geschwindigkeit durch die Wirkung einer Nettokraft auf die Perilymphe erzeugt.

• Die Perilymphflüssigkeit in der Scala vestibuli und der Scala tympani bewegt sich als Ganzes, da sie eine inkompressible Flüssigkeitssäule bildet.

• Die Geschwindigkeit der Perilymphflüssigkeit im Cochlea-Gang ruft die Änderung der Cochlea-Potentiale hervor.

Können wir daraus schließen, dass die Änderung der Cochlea-Potentiale von der resultierenden Perilymphgeschwindigkeit und nicht von der Druckbelastung abhängt?

Kontext

Ich habe gelesen, dass die Autoren Heerens & de Ru klar diskutieren, dass es zwei Cochlea-Potenzialbeiträge gab, die von Wever und Lawrence in ihren Experimenten (1950) gemessen wurden.

Meine Vermutung: Wenn zwischen Druckänderungen in der Perilymphflüssigkeit und dem Schalldruck für alle Frequenzen ein quasistatischer Zusammenhang besteht, entspricht das dem Energieerhaltungssatz.

Dadurch entsteht ein Drucksignal über die gesamte Basilarmembran. Als Folge davon reagiert die Basilarmembran auf das Schallenergiesignal, das gleichermaßen überall auf dieser Membran hervorgerufen wird.

Durch die konstante Druckbelastung ruft das Schallenergiesignal auch auf dieser Membran ein DC-Cochlear-Potential-Signal hervor. Darüber hinaus wird in einem kleinen Bereich nahe dem Resonanzort auf der Basilarmembran ein zur Druckbelastung proportionales AC-Cochlea-Potenzialsignal hervorgerufen.

Ich habe in dem Manuskript von Heerens & de Ru gelesen, dass sie klar diskutieren, dass es diese beiden Cochlea-Potenzialbeiträge waren, die von Wever und Lawrence in ihren Experimenten (1950) gemessen wurden. Da sowohl DC als auch AC proportional zum Quadrat der Schalldruckamplitude stehen, führt ein doppelter Wert der Amplitude zu einer viermal höheren Druckbelastung der Basilarmembran, was einer Erhöhung der Cochlea-Potentiale um 6 dB entspricht.

Denn der Gesamtdruck in der Perilymphe, der gleich dem Druck auf die Basilarmembran ist, ist keine Funktion der Koordinaten (x, y, z), sondern zu jedem Zeitpunkt nur von der Zeitvariablen t, der Lösung , erfüllt die Gleichung von La Place: ...

Kontext Akustik: Die Schallwege , also habe ich es mit dem Schlagwort Akustik versehen: Die Akustik ist die interdisziplinäre Wissenschaft, die sich mit der Untersuchung aller mechanischen Wellen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern befasst, einschließlich Vibration, Schall, Ultraschall und Infraschall. Anwendungen der Akustik sind beispielsweise die Audio- und Lärmschutzindustrie.
Kontextakustik:
Von diyaudio.com: www .diyaudio.com/forums/lounge/200865-sound-quality-vs-measurements-304.html#post2931925 Beitragsnummer: #3034

Über Heerens und de Ru sorgfältige Analyse der Hörbahnexperimente, die
von Wever und Lawrence durchgeführt wurden,
ein bemerkenswertes Experiment im Jahr 1950:
Ernest Glen Wever und Merle Lawrence:
The Acoustic Pathways to the Cochlea, JASA July 1950, 22: 460-467
Experiment :
- Sie (Wever und Lawrence) entfernten das Katzentrommelfell und die Ohrknochenkette.
- In einem Rohr um das runde Fenster gebracht.
- Angeregt mit reinen Tönen wie folgt:
nur auf ovalem Fenster.
nur am runden Fenster.
an beiden Fenstern phasenverschoben von 0° - 180°.
- Aufzeichnung der Cochlea-Mikrofonie, [CM]
- Signal, das dem Signal an das Gehirn entspricht.
Ergebnisse in CM-Änderungen:
- Fenster getrennt mit gleichem Signal: CM: gleiche Änderungen
- Beide Fenster gleichzeitig in die gleiche Richtung: CM: keine Änderung
- Beide Fenster in entgegengesetzte Richtung [180° oder pi]: CM: maximale Änderung
- Maximum ist 6 dB höher als die beiden Reize getrennt. ( Aufgenommen von Wever
und Lawrence )
Schlussfolgerungen Wever & Lawrence:
- Beide Wege liefern identische Signale im Hörnerv.
- Über weite Teile des Frequenzbereichs:
Schwingungen gleichphasig auf ovalem und rundem Fenster: minimal
Gegenphasige Schwingungen auf ovalem und rundem Fenster: maximal
Ähnliche Untersuchungen Voss, Rosowski, Peake (1996):
- Differenzdruck oval - rundes Fenster: Signal.
- Signalkomponenten: DC [DC] AC [AC] Schlussfolgerungen
von Heerens und de Ru : - Signal, das im Gehirn entsteht durch: Bewegung der Perilymphe . - Zwei identische Stimuli, die sich entgegengesetzt bewegen (wie in den Experimenten, die von Wever und Lawrence durchgeführt wurden ), liefern eine Gesamtbewegung: 2-mal so groß. Aber elektrisches Signal ist nicht: 2 sondern 4 mal so groß. 6 dB (10.log 4 = 6,0). Für: 6 dB = 10 × 10log 4 Ja, wir sprechen von „Potenzialänderung“. Und wir sprechen nicht vom „allgegenwärtigen Potenzial“. Es ist nämlich die Veränderung des gegenwärtigen Potentials, die zunimmt








um den Faktor 4 ,
wenn die Perilymphgeschwindigkeit um den Faktor 2 zunimmt.
Immer noch nach der mathematischen Beziehung, dass 6 dB = 10 × 10log 4.
Daraus ergibt sich:
Das im Hörnerv erzeugte Signal ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit der Perilymphe
.

und um den Kontext zu vervollständigen:

Der durch Schallreize hervorgerufene unterschiedliche Druck im äußeren Gehörgang aktiviert das Trommelfell. Das Trommelfell wiederum bringt die Gehörknöchelchenkette in Bewegung. Diese Bewegung wird über den Steigbügel, der eng mit dem ovalen Fenster verbunden ist, auf die Perilymphe innerhalb der Cochlea übertragen.

Völlig übereinstimmend mit den Erkenntnissen von Wever und Lawrence aus dem Jahr 1950 wird argumentiert, dass direkte Schallreize entweder auf dem ovalen Fenster oder auf dem runden Fenster, der anderen Membran, die das Mittelohr von der Cochlea trennt, eine ähnliche Änderung des elektrischen Cochlea-Potentials verursachen im Zusammenhang mit der Perilymphbewegung.

Aber es gibt noch mehr über die Ergebnisse von Wever und Lawrence zu sagen.

In ihrem Experiment stimulierten sie auf unterschiedliche Weise ovale und/oder runde Fenster der Cochlea einer Katze und maßen die entsprechenden Cochlea-Potentiale. Die Ergebnisse dieser Experimente, wie sie berichtet haben, sind:

- For all the different frequencies spread over the entire audible spectrum, used for the identical stimulus of either the oval or the round window, it was found that both stimuli resulted in identical changes in cochlear potentials. 

- Simultaneous stimulation of both windows in phase – i.e. both windows stimulated to move in and out of the cochlea – resulted in zero change in cochlear potentials. 

- Simultaneous stimulation of both windows with stimuli that were equal in amplitude but varied in phase between 0° and 180° resulted in a ‘vector’ summation of the cochlear potentials in such a way that for 0° phase difference the summation was zero and for 180° phase difference the summation resulted in a 6 dB higher cochlear potential than for each of the stimuli alone on one of the windows. 

Dieses von Voss et.al. 1996 bestätigten die Ergebnisse von Wever und Lawrence.

Darüber hinaus fanden sie heraus, dass sowohl die DC- als auch die AC-Komponente der Cochlea-Mikrofonie ein identisches Verhalten zeigten. Mit Ausnahme des Verhältnisses zwischen der DC- und der AC-Potentialamplitude, die einen Unterschied von etwa 40 dB zugunsten der DC-Komponente aufwies.

Die Schlussfolgerung, die aus diesen Experimenten gezogen werden kann, ist, dass ein resultierender zweimal höherer Stimulus in der Bewegung der Perilymphe – hervorgerufen durch gleichzeitige Stimulierung sowohl ovaler als auch runder Fenster mit Schallschwingungen in gleicher Amplitude, aber mit einer Phasendifferenz von 180° – eine 4-mal höhere Änderung erzeugt in der Cochlea-Mikrofonie. Aufgrund der Tatsache, dass die angegebenen 6 dB dem Faktor 4 entsprechen.

Das bedeutet, dass die Änderungen in der Cochlea-Mikrofonie proportional zum Quadrat der Perilymphgeschwindigkeit in der Scala tympani und der Scala vestibuli sind.

Die endgültige Schlussfolgerung dieser Experimente ist nach Ansicht von Heerens & de Ru, dass der eingehende Schalldruckreiz differenziert wird – gemäß der Übertragung von Schalldruck auf Perilymphgeschwindigkeit – und quadriert wird – gemäß der Übertragung von Perilymphgeschwindigkeit auf Cochlea-Mikrofonie.