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Cochlear Mechanism: Theory Based on Slow Fluid Waves

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A new theory of the mechanism of the cochlea is given. The current theory of single place perception of pitch on the basilar membrane is rejected. Kinetic energy becomes concentrated in the scala media fluid (interchanging with strain energy in the basilar membrane) in the form of standing waves, of mirror alternating with parallel symmetry supported by oppositely travelling waves on the Reissner and basilar membranes. A remarkable backward travelling dilatation wave carries energy inward into the cochlea via the scala vestibuli though the wave pattern moves outwards. A normal dilatation wave carries weaker energy inward via the scala tympani. All mechanical factors are calculated for a threshold signal of optimum frequency. Only the dilatation (mirror) standing wave impinges on the hair cells, its fixed peaks providing a multiplicity of identical signals which via the probabilistic afferent fibres are summed in the brain. Two systems of efferent fibre feedback are predicted, one simply almost balancing viscosity losses and the second providing an active reflection to support the standing waves at the inner end of the pattern in the scala media, moving to an optimum position and probably identical with the von Békésy peak. The suggestion that Meniere's disease may commence with thickening of the endolymph is discussed. The proposition of a movable apical end is shown to be feasible but its role may change at higher frequencies to form an energy sink. The scala media is a non-dispersive wave conductor, apt for correlation functions. Individual nerve fibres have extremely low information rate capacity and have no intrinsic frequency selectivity.

Zusammenfassung

Die geläufige Theorie der Tonhöhenwahrnehmung durch einen einzigen Ort auf der Basilar -membran wird verworfen und es wird eine neue Theorie des Mechanismus' der Cochlea vorgestellt. Dieser Theorie zufolge wird die kinetische Energie in der Flüssigkeit der Scala media (in Wechselwirkung mit der Deformationsenergie auf der Basilarmembran) in Form stehender Wellen konzentriert. Dieser Vorgang wird unterstützt durch auf Reissner- bzw. Basilarmembran gegenläufig fortschreitende, Spiegel- bzw. parallelsymmetrische Wellen. Eine merklich rückwärts laufende Dichtewelle transportiert trotz ihrer nach außen gerichteten Bewegung über die Scala vestibuli Energie ins Innere der Cochlea, eine normale Dichtewelle in schwächerem Maß Energie über die Scala tympani. Alle mechanischen Faktoren wurden für ein Schwellensignal optimaler Frequenz berechnet. Lediglich die stehende Dichtewelle trifft auf die Haarzellen, wobei ihre Maxima eine Vielzahl identischer Signale hervorrufen, die über afferente Nervenfasern im Gehirn summiert werden. Es werden zwei Rückkopplungssysteme efferenter Nervenfasern vorhergesagt: das eine gleicht lediglich die Viskositätsverluste aus, das zweite führt zu einer aktiven Reflexion und unterstützt damit die stehenden Wellen auf der Scala media an ihrem inneren Ende, wobei eine Verschiebung bis zur optimalen Position stattfindet; dieser Vorgang ist wahrscheinlich identisch mit dem von Békésy-Maximum. Der Vorschlag, daß die Ménièresche Krankheit mit einer Eindickung der Endolymphe beginnt, wird diskutiert. Es wird gezeigt, daß ein bewegliches Scheitelende möglich wäre, daß es sich aber bei höheren Frequenzen in eine Energiesenke verwandeln würde. Die Scala media ist ein nicht-dispersiver, für Korrelationen geeigneter Wellenleiter. Die einzelnen Nervenfasern besitzen eine extrem kleine Übertragungskapazität und haben keine eigene Frequenzselektivität.

Sommaire

On propose une théorie nouvelle destinée à remplacer la théorie actuelle de la perception ponctuelle de la hauteur au niveau de la membrane basilaire. On considère que l'énergie cinétique se concentre dans le fluide de la rampe médiane en interaction d'échange avec l'énergie potentielle de la membrane basilaire. Il se forme ainsi des ondes stationnaires à Symmetrie alternativement parallèle et antiparallèle sur les membranes de Reissner et basilaire, du fait des ondes qui s'y propagent dans des directions diamétralement opposées. Une onde de dilatation à propagation rétrograde a la propriété remarquable de transporter de l'énergie vers l'intérieur de la cochlée à travers la rampe vestibulaire bien que l'enveloppe des ondes se déplace vers l'extérieur. Une onde de dilatation normale transporte une énergie moindre à travers la rampe tympanique. Tous les facteurs mécaniques ont été calculés pour un signal liminaire de fréquence optimale. Seule l'onde stationnaire de dilatation (spéculaire) atteint les cellules ciliées et ses maxima fixes fournissent toute une multiplicité de signaux identiques qui iront se superposer dans le cerveau par l'intermédiaire des fibres afférentes. On prévoit deux systèmes de rétroaction par l'intermédiaire des fibres efférentes, l'un qui compense simplement les pertes dues à la viscosité et l'autre qui produit un effet de réflexion active. Ainsi sera maintenu le système d'ondes stationnâmes à partir de son extrémité intérieure dans la rampe médiane, de façon à se placer dans une position optimale et probablement identique au pic de von Békésy. On discute l'hypothèse suivant laquelle la maladie de Meniere pourrait commencer par un épaississement de l'endolymphe. On démontre aussi la possibilité d'une terminaison apicale mobile, dont le rôle pourra changer aux fréquences plus élevées pour devenir un puits d'énergie. La rampe médiane est un guide d'ondes non dispersif apte aux fonctions de corrélation. Les fibres nerveuses individuelles ont une très faible capacité informative et pas de sélectivité intrinsèque en fréquence.
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Document Type: Research Article

Publication date: February 1, 1980

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