Biophysics · 22.11
聴覚の生物物理学II：中耳
Biophysics of hearing II — the middle ear
🧠 中耳の本質は、空気から内耳液inner ear fluid内耳液（inner ear fluid）inner ear fluid（内耳液）へのインピーダンス不整合impedance mismatchインピーダンス不整合（impedance mismatch）impedance mismatch（インピーダンス不整合）を補う力学的変圧器である。 鼓膜と卵円窓oval window卵円窓（oval window）oval window（卵円窓）の面積比、耳小骨のてこ作用により、圧力を約22倍へ高める。
外耳から届いた鼓膜振動を内耳液inner ear fluid内耳液（inner ear fluid）inner ear fluid（内耳液）へ渡す際、中耳は音響インピーダンスacoustic impedance音響インピーダンス（acoustic impedance）acoustic impedance（音響インピーダンス）の不整合による反射を軽減する。
なぜ増圧が必要か
空気は音響インピーダンスacoustic impedance音響インピーダンス（acoustic impedance）acoustic impedance（音響インピーダンス）が低く、内耳液inner ear fluid内耳液（inner ear fluid）inner ear fluid（内耳液）は高い。鼓膜の振動をそのまま液体へ当てると多くが反射され、エネルギー伝達が悪い。中耳は大きい鼓膜へ加わる力を小さい卵円窓oval window卵円窓（oval window）oval window（卵円窓）へ集中する。
同じ力なら面積が小さいほど圧力は大きい。これにツチ骨malleusツチ骨（malleus）malleus（ツチ骨）―キヌタ骨incusキヌタ骨（incus）incus（キヌタ骨）のてこ比が加わる。
flowchart TD
A["鼓膜の大面積"] --> B["耳小骨が力を伝達"]
B --> C["てこ作用で力が増加"]
C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='oval window'>卵円窓</span>の小面積へ集中"]
D --> E["圧力が約22倍"]
E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cochlear fluid'>蝸牛液</span>へ効率よく伝達"]| 構造 | 機能 |
|---|---|
| ツチ骨malleusツチ骨（malleus）malleus（ツチ骨）・キヌタ骨incusキヌタ骨（incus）incus（キヌタ骨）・アブミ骨stapesアブミ骨（stapes）stapes（アブミ骨） | 振動伝達とてこ作用による増幅 |
| 卵円窓oval window卵円窓（oval window）oval window（卵円窓） | 内耳液inner ear fluid内耳液（inner ear fluid）inner ear fluid（内耳液）へ圧力を入力 |
| 正円窓round window正円窓（round window）round window（正円窓） | 液体の変位を逃がす |
| 耳管 | 中耳圧を外気圧と平衡化 |
⭐ 中耳増幅はエネルギーを新しく作るのではなく、変位を小さくして力・圧力を高めるインピーダンスimpedanceインピーダンス（impedance）impedance（インピーダンス）整合である。
卵円窓oval window卵円窓（oval window）oval window（卵円窓）に入力された圧力は基底膜の進行波traveling wave進行波（traveling wave）traveling wave（進行波）へ変換される。したがって中耳の役割は増幅器amplifier増幅器（amplifier）amplifier（増幅器）というより、空気中の振動を液体中の振動へ効率よく受け渡す整合器である。
まとめ
- 中耳は空気―内耳液inner ear fluid内耳液（inner ear fluid）inner ear fluid（内耳液）間のインピーダンス不整合impedance mismatchインピーダンス不整合（impedance mismatch）impedance mismatch（インピーダンス不整合）を補う。
- 面積比とてこ作用が約22倍の圧力利得pressure gain圧力利得（pressure gain）pressure gain（圧力利得）を生む。
- 卵円窓oval window卵円窓（oval window）oval window（卵円窓）への入力と正円窓round window正円窓（round window）round window（正円窓）の逃げが内耳液inner ear fluid内耳液（inner ear fluid）inner ear fluid（内耳液）振動を可能にする。