청각시스템 - 외이, 중이, 내이 및 소리의 전달

 

청각계는 음파(sound wave)를 신경 신호로 전환시킬 수 있는 기관으로 고막에 부딪치는 기체분자의 미세한 전달로부터 몸이 진동될 만큼의 큰 소리까지도 잘 들을 수 있다.

 

외이와 외이도

청각계는 해부학 및 생리학적으로 외이(external ear), 중이(middle ear) 및 내이(inner ear)의 세 부분으로 구분할 수 있으며, 외이의 이개(pinna)는 연골조직으로 이루어져 있다. 외이도(external acoustic meatus)는 외부로부터 고막(tympanic membrane)까지 약 2.7cm 정도 떨어져 있고, S자 모양으로 이루어진 관이다. 귓바퀴, 외이도, 그리고 고막을 포함한 외이는 소리를 모아서 얇고 투명한 고막을 진동시키는 역할을 하는데 외이의 이개와 외이도는 공기의 진동을 고막까지 전달하는 역할을 한다.

 

외이도는 고막이 받은 공기 진동의 압력을 강하게 하고 고막은 음 에너지에 의한 진동을 중이에 있는 3개의 작은 뼈(이소골)로 전달하는 역할을 한다. 고막은 두께가 0.1mm 정도 되는 막으로 그 중심부가 중이 방향으로 볼록하게 나와 있다.

 

중이

고실(tympanic cavity) 속에는 세 개의 이소골(auditory ossicle)이 있다. 즉, 추골(malleus)은 한쪽이 고막의 위에 부착되어 있고, 다른 한쪽은 중심부로 향하여 붙어있으며, 이 뼈의 다른 끝이 침골(incus)에 연결되고, 이것이 다시 등골(stapes)과 붙어있다. 등골의 아랫부분은 내이의 난원창(oval window)에 연결되어서 그 구경을 막고 있는 형태를 보인다. 또 중이에는 인두(pharynx)와 연결된 중이관 또는 유스타키오관(Eustachian tube)이라고 불리는 관이 있어 고실 내 압력을 대기의 압력과 항상 같게 유지하고 있다. 만일 중이관이 막히거나 없어서 고실의 압력이 낮아지면 고막의 진동이 어려워지고 고실이 진공상태가 되면 아주 작은 진동에도 고막이 터져 버리게 된다.

 

세 개의 이소골은 각을 이루고 있는 지렛대와 같은 형태인데, 고막의 크기에 비해서 난원창의 면적이 상당히 작기 때문에 고막을 통해서 들어온 음압이 이소골을 통해서 난원창으로 들어갈 때에는 압력이 10배에서 20배로 증폭되게 된다. 만약 이소골이 없어서 고막을 통해서 음압이 내이에 직접 전달된다면 고막의 바깥쪽은 공기로, 내부는 액체로 채워져 있어서 매질 임피던스의 큰 차이로 인해 소리를 비 효율적으로 전달하게 된다. 또한, 이소골에는 이소골근이 붙어있는데, 고막에 연결된 고막긴장근(musculi tensor tympani)과 등골에 연결된 등골근(musculi stapedius) 등 두 개가 있다. 고막긴장근은 추골에 부착되어 있는데 고막이 고실 내로 당겨져서 고막의 진동을 제한하고, 등골근은 등골과 난원창 사이에 부착되어 있다. 이 두 근은 내이에 손상을 일으킬 수 있는 저음의 소리가 들어오면 수축을 해서 귀의 감수성을 저하시킴으로써 귀를 보호하는 역할을 한다. 귀경화증(otosclerosis)은 등골의 움직임의 부자연스러움으로 말미암아 생기는 난청질환으로 이명을 동반한다 [3]..

 

내이

내이는 전달된 소리 진동을 신경흥분으로 전환하는 수용기, 즉 와우와 평형감각에 관여하는 수용기와 전정기관으로 구분할 수 있다. 전정기관에는 난원창이 있고, 난원창은 중이의 등골 끝이 접촉되어 있어 소리가 들어와서 등골이 진동하면 그 진동이 전정의 외림프에 전파된다. 여기서 다시 청각수용기가 있는 와우각과 평형감각 수용기가 있는 반규관으로 전달된다. 사람의 와우각은 마치 달팽이 모양으로 이루어져 있고 꼬여있는 관을 펼치면 35mm 정도의 길이를 가진다. 전체 길이는 기저막(basilar membrane)과 라이즈너막(Reissner's membrane)에 의하여 3개의 구획으로 분리되어 있는데, 전정계(scala vestibuli)와 와우관(scala media), 그리고 고실계(scala tympani)이다.

 

와우관 내부에는 내림프(endolymph)가 채워져 있고 전정계와 고실계에는 외림프액(perilymph)이 들어있다. 와우관 속에는 기저막이 있어서 주파수를 선별해서 소리를 감지할 수 있는 필터 역할을 하고 있고, 그 위에 내외 유모세포라고 불리는 감각세포들이 있는데, 유모세포는 소리자극의 수용세포이다. 기저막을 보면 고음에 의해 와우의 기저(basal) 부위가 진동하고 저음에 의해 와우 첨부(apex)가 진동하며 기저막에서 가장 많이 전위되는 곳을 최적 주파수(best frequency)라고 한다. 그러므로 와우 기저부의 유모세포는 고음에, 첨부의 유모세포는 저음에 반응한다.

 

와우신경은 유모세포의 하단에 분포되어 있어서 소리가 들어오면 유모세포를 통해서 뇌로 전달된다. 이렇게 기저막 위의 복잡한 상피를 코르티기관(organ of Corti)이라고 하는데 이것이 음파를 신경흥분으로 전환한다. 각 유모세포에 대한 신경의 분포는 동일하게 되어 있지 않고 95%에 이르는 대부분의 청신경이 내측 유모세포에 있고, 나머지 5% 정도가 외측유모세포와 연결되어 있다.

 

소리의 전달

소리의 전도와 수용을 보면 전달파에 의해서 개막(tectorial membrane)과 유모 세포의 상면과의 사이에서 생기는 전단응력(shearing force)에 의해 가장 긴 섬모가 외측으로 구부러질 때 자극이 발생하여 기계적 에너지를 신경 신호로 변환한다. 이와 같은 비틀림에 의해 유모세포로부터는 마이크로폰(microphone) 전압이라고 하는 자극음과 같은 파형의 전압이 발생한다. 이 전압이 청각의 수용기 전압으로 와우신경말단에 작용해서 구심성의 흥분충동을 일으키며, 이 흥분충동이 대뇌피질에 도달하면 소리의 감각이 일어난다.

 

와우는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 수동적인 감각기가 아니라 소리를 증폭하는 능동적인 기능을 가지며 이러한 능동적인 기능은 소리에 대한 비선형적인 반응 특성으로 나타난다. 즉, 자극의 강도를 증가시킬 때 기저막의 진동폭이 비례적으로 증가하지 않는다는 것이 증명되었다. 이것은 저강도의 자극에서 조율(tuning)의 정도가 증가되어 있기 때문인데, 그 이유는 외측 유모세포가 기저막의 움직임에 의해서 수동적으로 움직일 뿐만 아니라 능동적 움직임으로 증폭에 기여하기 때문이다.