對我們來說，聽覺是非常重要的一種感官。對美妙音樂的欣賞、與他人交流時的對話、感知周圍正在發生的許多事物……要體會到這些聲音都必須依靠我們敏銳的聽覺。
人耳之於聲音的敏感就如同眼睛之於光線。
但是，我們是如何區分聲音的？它是微弱是嘹亮？是遠還是近？來看看研究聽覺的科學家們怎麼說。
研究聽覺，他們得了個獎
當我們大多數人對聽覺習以為常的時候，有三位科學家卻深入研究了聽覺，並榮獲了2018年度的卡弗裡神經科學獎（Kavli prize in Neuro Science）。這三位科學家分別是James Hudspeth、Robert Fettiplace和Christine Petit，他們在聽覺的分子和神經機制上做出了開創性工作。
James Hudspeth, Robert Fettiplace 和 Christine Petit榮獲了2018年度的卡弗裡神經科學獎，共享100萬美元的獎金。| http://kavliprize.org
具體來說，他們通過鑽研生物物理學以及前沿的人類遺傳學，揭開了聽覺裡毛細胞（hair cell）將聲音轉化為大腦中電脈衝的細胞和分子機制。
卡弗里科學獎每兩年頒發一次，分別授予極大的天文物理學、極小的納米科學、以及極複雜的神經科學，今年是獎項設立的10週年。
關於聽覺的舊知識：振動的耳蝸
幾十年前，人們對於聽覺的瞭解還多限於基本的解剖學和生理學，對超出這些範圍的領域知之甚少。聲波進入外耳的耳道，引起耳膜的振動；振動經過中耳的骨頭抵達內耳的耳蝸。這個微小器官，它的形狀就像是蝸牛的殼。耳蝸只有幾毫米寬、長32毫米。聲壓波能穿過它充滿液體的腔室，並通過聽覺神經將觸發的電脈衝傳送至大腦。
這是顏色增強過的豚鼠內耳聽覺器官或耳蝸的掃描電子顯微照片。沿著螺旋結構的是對不同聲音頻率起反應的一排排感覺細胞。| Dr. David Furness/Wellcome collection
在耳蝸中大約有16,000多個毛細胞鋪在基底膜（basilar membrane）上，將耳蝸內充滿液體的導管分開。
耳蝸 | giphy
毛細胞以其在電子顯微鏡下呈可見的毛狀突起簇而得名。這些簇稱為毛束（hair bundle），一般由20到300根被稱為靜纖毛（stereocilia）的凸起構成，它們以不同的高度整齊地排列，並嵌入一層被稱為蓋膜（tectorial membrane）的果凍狀覆蓋層中。科學家懷疑毛細胞可能就是聲音信號的關鍵傳感器。
據顯微鏡檢查顯示，在人的一生中，很多原因會對毛細胞造成破壞，例如使用了鏈黴素一類的藥物、患有風疹或弓形蟲病等感染、和暴露於高分貝的聲響之下時，毛細胞就會受到損害從而喪失功能。由於它們無法再生，因此這甚至可能導致聽力的完全喪失。
內耳的耳蝸。豚鼠耳內的掃描電子顯微圖像（左）。沿著螺旋結構的是柯蒂氏器官（右），它包含一排排對不同頻率的聲音起反應的感覺毛細胞。| Dr. David Furness/Wellcome collection
新知識：從動物耳朵開始
2018年卡弗裡神經科學獎的三位獲得者分別獨立地對毛細胞在聽力中所起到的作用進行了研究。
從上世紀70年代後期開始，有著生物物理學背景的Hudspeth和Fettiplace就開始對由耳蝸中的膜振動而引起的毛束振動，是否能觸發電信號的傳導而感到好奇。
為了更容易的接觸到耳蝸（在哺乳動物中，耳蝸會嵌入顱骨的顳骨內），二人最初都決定先從動物開始著手研究耳蝸，Hudspeth選擇了牛蛙，Fettiplace選擇的是烏龜。這兩種動物都比較大、也比較適合實驗室中的操作，作為冷血動物它們都對溫度波動有較好的承受能力。研究者們必須小心翼翼地在不撕裂動物的毛束結構的情況下將它們的蓋膜剝離。
想飛的龜 | giphy
Hudspeth塑造了一種非常精細的玻璃纖維，直徑在0.5到0.8微米之間，可以用它來輕輕推動每個毛束的尖端。他用一個壓電傳動裝置來精確地控制玻璃纖維，再用一個同樣精密的微電極來測量單個毛細胞上的電位變化。他首次證明了在最高排靜纖毛方向上的一個毛細胞束的機械位移，能觸發細胞膜上電荷的改變（去極化）。這一過程所需的位移量非常小，Hudspeth把它比作是埃菲爾鐵塔頂端發生的拇指寬的移動。
Hudspeth發現，電反應的產生需要鉀粒子和鈣離子穿過靜纖毛尖端上的膜。靜纖毛的運動能機械地將膜通道拉開，從而讓帶正電荷的鉀離子和鈣離子流入細胞中。
他從電子顯微鏡拍攝的短桿狀結構的圖像中獲得了靈感，他認為，當這些桿狀結構連接靜纖毛尖端時，會因靜纖毛的運動而被拉伸，從而施加了一個打開離子通道的力。當靜纖毛朝相反的方向移動時，尖端的連接會鬆弛，且離子通道會關閉。這與以下想法是一致的：聲波在耳蝸的流體導管中搏動，導致基底膜和蓋膜振動並相互移動，從而在毛束上產生剪力。
在接下來的30年裡，Hudspeth持續發展他的系統，並揭示了更多毛細胞及其假定離子通道的生物物理與生化特性。
毛束會積極活躍的抽動，而不是作為被動的接收器，這使它對聲音振動的靈敏度提高了100到1000倍。換句話說，它就像是一個內置的揚聲系統。隨著年齡的增長，這種揚聲器般的放大效應會最先消失。Robert Fettiplace研究的是烏龜的耳蝸。他在1980年報告說，對不同聲音頻率的敏感性可以沿基底膜劃分，就像鋼琴的琴鍵一般。通過記錄內毛細胞的電性變化，他按照頻率記錄了一系列聲音靈敏度，稱為頻率響應分佈圖。根據它們沿著膜的位置，單個毛細胞都在窄的頻率範圍內產生聲頻共振。位於較窄、較硬的耳蝸基部的毛細胞對高頻作出響應；而位於更寬、更鬆軟的膜的頂點處的毛細胞會對低頻作出響應。
Fettiplace預測，不同離子通道的開啟和關閉次數和速度會影響毛細胞的電性和機械性能，這是每個毛細胞微調的原因。在後來的二十年中，他通過實驗證明了這一點。耳蝸兩端毛細胞的離子通道的組成和毛束的高度都不同。而離子通道的身份以及它們是如何打開和關閉的仍是一個謎。
內耳毛細胞中的力傳導。（A）毛束的掃描電子顯微照片。（B）力傳導模型。（C）在不能伸長的纖毛尖端上的張力反應的作用下，打開了依附在細胞內彈性元件上的離子通道。
後來，Fettiplace還發現在哺乳動物中，聲音敏感度的放大是由於外毛細胞的移動，它增強了基底膜局部的振動。
到上個世紀90年代初，Hudspeth，Fettiplace和其他人在理解聽覺系統的生物物理學和生理學知識方面取得了重大進展，但對於其分子機制仍知之甚少。這是特別難以研究的，因為耳蝸中對不同聲音頻率響應的毛細胞非常少。
新知識：耳聾的基因
Christine Petit的研究完善了Hudspeth和Fettiplace的研究之處。她曾在法國接受過醫學培訓，對遺傳性耳聾的遺傳基礎非常感興趣。 Petit與敘利亞、黎巴嫩、阿爾及利亞、突尼斯、摩洛哥和約旦的醫生進行廣泛的合作，在那些國家，嚴重的耳聾在一些大家庭中似乎特別普遍。其中一種形式就是烏謝爾綜合徵（先天性聾視網膜色素變性綜合徵），以進行性的失明和聽力缺陷為特徵。Petit發現這與幾種不同的基因有關。有超過100種這樣的遺傳綜合徵，涉及許多不同基因的突變。
通過遺傳學、分子生物學和生物化學分析，Petit已經鑑定了20多種不同的基因，一旦這些基因有缺失或突變，就會通過影響毛細胞的發育和功能等途徑對聽力造成破壞。根據其他信息表明，還有一些基因也可能參與了聽覺皮層（大腦中解碼聲音信息的部分）的佈線。
毛細胞顯微鏡圖 | semantic scholar
Kavli獎神經科學委員會成員Christine Dulac說，獲獎者展示了“這種基礎研究與臨床研究之間存在著相互依存的關係。那些截然不同的科學領域實則是密不可分的。”
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