京都大学医学部附属病院耳鼻咽喉科・頭顎部外科

トピックス

高度難聴と人工内耳

I. コトバの聞こえのしくみ

1.外耳、中耳と難聴

我々は音を耳で聞きます。この耳はどのような構造になっているのでしょうか。耳の入り口、いわゆる耳の穴は、解剖学では外耳道といいます。この外耳道の 長さは約3.5cmで鼓膜という薄い膜に突き当たります。この鼓膜の厚さは0.1mm、直径は約8~9mmです。この鼓膜より外側を外耳、内側を中耳とい います。外から入ってきた音はこの鼓膜を振動させます。鼓膜の振動は中耳にある耳小骨という3つの小さな骨を伝って、更に中へと伝えられます。ちなみに、 この耳小骨にはそれぞれ名前があり、外から順につち(槌)骨、きぬた(砧)骨、あぶみ(鐙)骨といいます。これらの大きさは複雑な形をしているので一概に 言いがたいのですが、全体が、だいたい8mm以下で、太さは細いところでは1mmにもなりません。その重さは、つち骨ときぬた骨が28mg、あぶみ骨にい たっては3mg弱、つまり百分の3から千分の3グラム程度の非常に軽い構造になっています。外耳と中耳が、音を伝えるためにとても繊細なしくみになってい るのが解っていただけるでしょう。

外耳道が先天的につまっていたり、あるいは耳垢で閉鎖したりしている時は、これを手術や掃除で開けてやれば聞こえは良くなります。中耳の病気は、抗生物 質で細菌を殺したり、手術で中耳を掃除して、鼓膜を張りなおしたり、耳小骨を立て直したりすると、かなりの程度まで回復させることができます。特に、鼓膜 や耳小骨を手術で立て直す手術を「鼓室形成術」といいますが、これにより聞こえを良くする事ができます。

中耳の病気で音を伝えるしくみが障害されて音が聞き難くなり(これを伝音難聴といいます)、必要な手術を行っても、さらに難聴が残る場合でも、外から入 る音を大きくしてやれば、また音が良く聞こえるようになります。この様なケースで補聴器が最も効果をします。ここで、はっきりしておかなければならないの はこの様な伝音難聴では、補聴器を使っても、内耳に入る音の物理的な大きさは通常の範囲内であるという事です。内耳は、あとで述べますが、音を感じて聞こ えの神経の活動に変換する場です。ここが正常で、ここに入ってくる音の大きさが通常の範囲内なら、内耳では問題なく音がきれいに変換されるのです。つま り、外耳道や中耳の障害でおこる伝音難聴は、手術や補聴器で聞こえが回復できる、いわば「たちの良い」難聴といえるでしょう。

2.内耳と難聴

さて、中耳のさらに奥にある内耳(蝸牛)の機構はどうなっているのでしょうか。鼓膜から耳小骨を経てアブミ骨の底の部分に伝えられた音の振動は、かたつ むりの形をした蝸牛という部分に入り、蝸牛の中のリンパという透明な液体を振動させます。その結果、この液体の中にある基底板という部分がが揺り動かさ れ、その上に乗るコルチ器という特殊な構造物が振動します。このコルチ器の中には有毛細胞という毛のはえた細胞があり、この毛と、これに覆いかぶさる膜と の間にズレが生じて、有毛細胞の中の電気的状態が変わります。この電気的変化によって、有毛細胞から化学物質が出て、有毛細胞に接している聞こえの神経が 活動し、音の神経信号として脳に向かって情報が送り出されるのです。この有毛細胞のうちコルチ器の内側を1列に走る内有毛細胞は約3,500個あり、音の 知覚に主役を演じ、聞こえの神経が密に連結しています。一方、コルチトンネルの外側に3列に並ぶ外有毛細胞は約12,000個ありますが、従来その機能は 不明でした。しかし、近年の研究で、これらの外有毛細胞は音の入力に対して伸び縮みして、能動的に音の感知に関係することがわかってきています。また、内 耳のコルチ器はリンパという液体のなかにありますが、この液体、特にそのうちの内リンパといわれる部分はカリウムが多く電気的にエネルギーの高い状態に なっており、これが電池のような働きをして振動の電気的変換のエネルギー源となっています。このシステムを維持しているのは血管条というコルチ器の外側の 部分で、これも聞こえには大切な役割を果たしていることになります。

 では、どのような時に内耳の働きが悪くなって難聴になるのでしょうか。ひとつには、血管条の働きが悪くなると、コルチ器で振動が電気的変化に変換 できずに難聴になります。しかし、この変化はうまくすると、もとに戻るとされており、治療によって回復できる可能性のある難聴です。一方、有毛細胞自体が こわれても難聴になります。有毛細胞は、カエルなどでは再生することがありますが、ほ乳類では原則として一度こわれると再生しないことがわかっています。 例えばウイルスや髄膜炎の細菌によって内耳に炎症がおこったり、事故で頭を強く打って内耳の骨が割れたり、内耳への血管がつまって血液の流れがとまったり すると、有毛細胞がこわれて難聴になります。有毛細胞がこわれて溶けてしまうと、これによる難聴は二度と回復しません。このような細胞の障害が内耳で広が ると、全体として難聴が重くなり、ついには全く聞こえなくなる場合もでてきます。

 たとえば、我々の脳細胞は約100億個あります。これは重さにすると大脳皮質1mg(千分の1グラム)あたり12万個とも言われています。しかも 大脳皮質の細胞には、ある部分がこわれると他の部分がある程度肩代わりする働きがありますが、内耳ではある部分がこわれると確実にその部分の難聴が生じ、 ほかの部分で肩代わりすることはできません。すでに述べた通り、内耳の中の有毛細胞は片耳で約1万2千個しかありません。これらが、生まれてから毎日、 24時間休むことなく一生働き続け、しかも一度こわれると元に戻らないのです。つまり、外耳道から大脳にいたるまでの聞こえのシステムのうち、内耳が最も こわれやすく、しかも壊れると元にもどらない最大の弱点になっているのです。

3.言葉の音としての特徴と内耳の働き

 われわれが話すコトバにはどのような特徴があるのでしょうか。例えばわれわれ日本人の話すコトバについてみると、五つの母音と“p、t、k、s”など 10数個の子音に母音が結合した子音音節から成り立っています。これら母音や子音音節の音響的な特徴はサウンドスペクトログラムというグラフで観察するこ とができます。これで見ると、それぞれの母音に特徴的な濃い線がそれぞれ数本ずつ観察できます。これをフォルマントといいます。声帯の振動数である基本周 波数(F0)はほぼ100~250Hzの範囲にあり、一方このフォルマントの周波数帯域はかなり高い所に位置しています。フォルマントは声帯の振動が口腔 や咽頭腔で共鳴し、特定の周波数帯域のエネルギーが強調されて出来たもので、低いほうから第1フォルマント(F1)、第2フォルマント(F2)、さらに第 3(F3)・第4(F4)フォルマントと数えることができます。しかし、大変興味深いことに各フォルマントの周波数帯域には大きな個人差がなく、それぞれ の母音でほぼ決まっているのです。なかでも第1フォルマントと第2フォルマントは母音の情報として最も重要で、この両者の組み合わせが我々の母音認知の鍵 となっているのです。

 一方、子音音節は先頭の子音部、移行部分、そして後続母音部から成り立っています。子音音節を特徴付けるものは、持続時間は短いが幅広い周波数に わたる子音部と、これに続く移行部分です。また同じ子音でも“p、t、k”などの無声破裂音は極めて短いクリック音ともいえる子音の信号のみであり、かつ この子音部を少しカットしても、移行部分の情報がしっかりしていれば各子音音節の区別ができることがわかっています。このように、子音音節がわかるために は、その周波数の情報だけでなく、それらが時間的にどのように変化するかという時間的情報も大切になります。

 それでは、この様な言葉の情報は内耳でどのように処理されているのでしょうか。現在広く認められているBekesyの場所理論によると、入ってき た音に対して基底板が最も大きく振動する部位は低音は蝸牛の先端付近、高音は根本付近とそれぞれ場所が異なっています。このように蝸牛内での場所の違いに よって担当する音の高さ(周波数)が違う事が、あとに述べる人工内耳によるコトバの聞き取りにも重要な意味を持つことになります。蝸牛のそれぞれの場所か らの情報を脳に向かって伝える聴こえの神経には、最も鋭敏に感知する高さの音がそれぞれ決まっています。上に述べたようなコトバの持つ周波数の情報は、蝸 牛のどの部分が刺激されるかという場所とその変化のパターンの違いとして聴神経に伝達され、これが脳に送られて言葉が認知されるのです。

 

4.内耳性難聴でどうしてコトバがわかりにくくなるのか

 これまでの説明で、コトバの情報の入り口として内耳(蝸牛)がとても重要な働きをしていることがおわかり頂けたと思います。つまり、内耳が大丈夫ならコ トバの聞き取りはなんとかなるのです。中耳が悪くて内耳に入る音が小さければ、手術か補聴器でこれを大きくしてやれば、内耳のなかでは正常と同じメカニズ ムが働けるのです。

 ところが、内耳(蝸牛)に障害が生じると、同じコトバが入ってきて蝸牛の基底板が振動しても、有毛細胞がこわれてしまっているため、それにくっつ いている聴神経が活動できないので、全体として、あるコトバに対応する神経の活動パターンが変わってしまいます。では、内耳に入る音を大きくしたらどうで しょうか。少しくらいこわれたり、弱ったりした有毛細胞があっても、音を大きくして蝸牛の基底板の振幅を大きくし、聴神経の活動を助けてやれば良さそうに 思えます。これは、かなり有効で、補聴器が行っているのは、基本的にはこの作戦なのです。

 しかし、内耳に大きい音を入れる事には根本的な問題が含まれています。蝸牛に入る音が大きくなると、それによって刺激される蝸牛の部分も拡大し、 極端に大きな音になれば蝸牛全体が刺激される事になります。ところが、すでに述べたとおり、コトバは蝸牛の幾つかの特定の部分が選択的に刺激されること で、それぞれの特徴が区別できるようになっているのですから、蝸牛全体が刺激されてしまっては、音がしていることは解っても、それがどのコトバの特徴を もっているかはわからなくなって行きます。実際には、コトバには蝸牛の場所に対応する特徴だけでなく、その時間的変化の情報も含まれていますが、蝸牛の基 底板の振動が過大になり、うまく制御できなくなってゆくとこの時間情報も損なわれて行くと考えられます。つまり、内耳が障害されていると、大きな音を入れ る必要がでてきますが、内耳への大きな音の入力によってかえってコトバの情報が正確に聴神経に伝わらない可能性があるのです。ある程度音感が残っていても 補聴器ではコトバがわからない場合がでてくるのはこのためで、有毛細胞を介して音の情報を入力するかぎり、原理的に克服できない限界があるのです。そし て、まさにこの限界を克服するために考えだされたのが人工内耳で、これは有毛細胞を介さずに聴神経を直接刺激して、コトバの神経活動の選択的パターンを再 現することを目指しています。
(以上の議論は、論旨を明解にするためにかなり細部を省略しています。詳しくは参考文献を参照してください。)

参考文献
  • 内藤 泰:一次聴神経による語音の符号化-文献的考察.耳鼻臨床86:1607-1620, 1993.
5.コトバは脳でどのように理解されるか

言語音は内耳で一次聴神経の神経活動に変換され、脳の付け根の脳幹といわれる部分をを経て大脳の側頭葉の一次聴覚野に至り、さらに一次聴覚野とこれをを とりまく聴覚連合野でコトバとして認知、理解されます。大脳皮質の聴覚野は言語音に含まれる多様な音の情報を選別し、特徴を取り出すとともに、より高次の 脳の働きと共同してコトバの理解に至ると考えられます。つまり音声によるコトバは、まずその音が声として認識され、その声の連なりがコトバとして意味を持 ち、話し手の言いたい内容を理解できるようになるのです。

 脳の中で聴覚言語の中枢処理を行う部位には、側頭葉では上記の通り上側頭回にある一次聴覚野、上および中側頭回の聴覚連合野、頭頂葉では体性感 覚、視覚、聴覚を連合すると推測されている角回、縁上回があります。前頭葉では従来から運動言語野と考えられている左下前頭回後部のブローカ野、構音器官 の運動中枢である運動野、運動の企画、プログラムを行うと考えられる補足運動野、高次の精神活動に関連する前頭前野が重要で、これらは主にコトバを話す時 に働きます。また、側頭葉の聴覚野と前頭葉のブローカ野は弓状束という神経線維の束で密に連絡されています。さらに、文字などの視覚言語の処理には、後頭 葉の一次視覚野とその周囲の視覚連合野が働きます。

 聴力正常の人が雑音と日常生活で使用されるような連続する語音を聞いた時の脳活動の違いをポジトロン断層法という特殊な装置でみてると、雑音では 一次聴覚野だけ活動するのに対して、コトバを聞くと一次聴覚野と、その周囲の聴覚連合野が広い範囲にわたって活動することがわかります。また、従来から失 語症(コトバが理解できなかったり、うまく話せなる病気)の患者さんの脳の観察にもとづいて、ブローカ野はコトバをしゃべるための中枢と考えられてきまし た。しかし、実際にはしゃべらなくてもコトバを頭の中で想起するだけでもブローカ野や補足運動野といったコトバの表出に関わる部位が活動することも同じ方 法で明らかになってきています。単語は一定の規則に従って並べられてはじめて文となり、物事の状態や構造あるいは思想を伝えるのに使われます。このような コトバにおける文法処理の場としてもブローカ野は一つの有力な候補になっています。

 一般にコトバの認知には側頭葉の一次聴覚野、聴覚連合野などが働き、一方、その表出ではブローカ野、運動野、補足運動野、小脳などが働くと考えら れています。しかし、我々のポジトロン断層法による観察では聴覚連合野は他のひとが話しているコトバを聞く時には広範に活動しますが、自分が話す時には活 動せず、一方、耳に入る自分の声に手を加えて歪ませた時には、自分で話している時にも聴覚連合野が強く活動する事が明らかになりました。これは我々が話し ている時と、人の話を聞くときで脳のなかの活動する部分が大きく異なり、話すことと聞く事のあいだに強い相互作用がある事を証明するものです。これをコト バの習得という観点からみると、言語を獲得してしまった状態では自分の発声は監視しなくても良いが、幼少時に言語を習得するためには自分の声と他者の声を 比較して、適切な発声を獲得しなければならず、この時にいま述べたような相互作用による自分の音声の監視が必要になると推測されるのです。

 従来は、以上のようなコトバの脳内機構の理解が難聴者の医療という観点から必要になることは、特殊な中枢性の難聴以外、殆どありませんでした。と ころが、内耳性の高度難聴が人工内耳である程度克服出来るようになって、コトバに関連する脳の働きが、あらためてクローズアップされるようになってきたの です。何十年という長い間、高度難聴で耳がきこえなくても、人工内耳で音が入れば、ちゃんと脳が働いて、耳がよく聞こえていた昔のようにコトバがわかるの でしょうか。補聴器でうまく聞こえないときに比べて、人工内耳でコトバがわかりやすくなったという時、それを脳の働きとして客観的に裏付けることができる のでしょうか。先天性高度難聴の子どもが人工内耳でコトバを獲得することができるのでしょうか。ポジトロン断層法という現在の脳科学の先端的な方法によっ て、これらの疑問にある程度の回答が得られてきています。聞こえとコトバについて詳しく知ろうとすると、どうしても脳の働きについても考えざるを得ない状 況になってきているのです。

参考文献
  • Naito Y. et al: Cortical activation with sound stimulation in cochlear implant users demonstrated by Positron Emission Tomography. Brain ResCognitive Brain Res 2: 207-214, 1995
  • 本庄 巖:脳からみた言語.中山書店、東京、1997
  • 内藤 泰:皮質聴覚受容の生理学的検査.最新医学 7: 1677-1582, 1998

 

 

 

最終更新:2016年7月6日 21:22

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