西雅圖海鷹隊和堪薩斯城酋長隊的球迷經常在主場比賽中競爭，以創造吉尼斯世界紀錄中最吵鬧體育場的稱號。2014年10月1日，酋長隊達到了最新的峰值：142.2分貝（dB）。這個水平就像噴氣發動機在100英尺處發出痛苦、震耳欲聾的轟鳴聲——聽力專家給出的一個典型例子，說明這種噪音足以造成聽力損傷。賽後，球迷們欣喜若狂。他們沉浸在體驗中，注意到耳鳴或感覺耳膜快要爆炸了。然而，他們耳朵裡發生的事情遠非美妙。
如果在賽前和賽後立即進行聽力測試，可能會顯示出明顯的惡化。球迷在開球前可能聽到的最輕的聲音——比如耳語——可能在半場時就聽不見了。到終場哨響時，聽力閾值可能會上升20到30分貝。隨著球迷耳中的耳鳴在幾天內消退，聽力測試的輸出結果，即聽力圖，很可能會恢復到基線水平，因為聽到微弱聲音的能力恢復了。
科學家們長期以來認為，一旦閾值恢復正常，耳朵也一定恢復了正常。最近，我和我的同事們已經證明，這種假設是不正確的。即使只導致閾值暫時升高的暴露，也可能對聽覺神經中的纖維造成即時且不可逆轉的損害，而聽覺神經負責將聲音資訊傳遞到大腦。這種損害可能不會影響音調的檢測，正如聽力圖所示，但它會妨礙處理更復雜訊號的能力。這種新近被認識到的狀況被稱為隱匿性聽力損失，因為正常的聽力圖可以掩蓋神經損傷以及與之相關的聽力障礙。
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隨著一個人繼續濫用他們的耳朵，神經纖維的損失會不斷增加。事實上，這種損害可能導致中老年人辨別言語細微差別的能力逐漸下降。然而，隱匿性聽力損失絕不僅限於老年人。最新的研究表明，由於更多地暴露於響亮的聲音中，隱匿性聽力損失在工業社會中正以越來越年輕的年齡發生，其中一些是可以避免的，而另一些則無法避免。
感官奇蹟
耳朵的脆弱性源於其令人驚歎的靈敏度，這使其能夠在廣闊的聲音水平範圍內發揮作用。我們剛好能分辨出頻率接近每秒 1,000 次振盪，或 1,000 赫茲 (Hz) 的安靜聲音的能力——換句話說，我們能夠感知到該聲音的閾值——被定義為零分貝。使用這種對數測量方法，聲音水平每增加 20 分貝，聲波的振幅就會增加 10 倍。在 0 分貝時，中耳的骨骼（其振動驅動聽力過程）的移動距離小於氫原子的直徑。在另一個極端，例如在創紀錄的酋長隊比賽中超過 140 分貝的疼痛誘發水平，耳朵被迫處理振幅大 1000 萬倍的聲波。
聽力始於外耳將聲波透過耳道漏斗狀地傳遞到鼓膜，鼓膜振動並使中耳的骨骼運動起來。由此產生的振動然後到達內耳充滿液體的管狀結構，即耳蝸——毛細胞的位置，毛細胞佔據著一條螺旋形的組織帶，稱為柯蒂氏器。這些細胞的名字來源於從細胞一端伸出的毛髮狀突起，稱為纖毛束。對低頻最敏感的毛細胞位於耳蝸螺旋的一端，而對高頻最敏感的毛細胞位於另一端。當聲波彎曲“毛髮”時，這些細胞將振動轉化為化學訊號，在另一端釋放一種神經遞質分子——穀氨酸，毛細胞在那裡與聽覺神經的纖維形成突觸。
在突觸處，從毛細胞釋放的穀氨酸穿過狹窄的裂隙，與聽覺神經纖維末端或末梢上的受體結合。每個末梢都位於神經細胞的一端，神經細胞延伸出一根長纖維，即軸突，其另一端位於腦幹中。與神經纖維結合的穀氨酸會觸發電訊號，該訊號沿聽覺神經的整個長度傳播到腦幹。從那裡，訊號透過一系列平行的神經迴路移動，這些迴路穿過各個區域——從腦幹到中腦和丘腦——並在聽覺皮層結束它們的旅程。這種複雜的電路共同分析和組織我們的聲學環境，形成一組可識別的聲音，無論是熟悉的旋律還是警報器的尖叫聲。
毛細胞有兩種型別，分別稱為外毛細胞和內毛細胞。外毛細胞放大內耳中聲音引起的運動，而內毛細胞將這些運動轉化為化學訊號，從而激發聽覺神經。內毛細胞最直接地負責我們所認為的“聽力”，因為 95% 的聽覺神經纖維僅與內毛細胞形成突觸。為什麼只有極少的纖維將外毛細胞連線到大腦仍然是一個謎，但有一種理論認為，連線到外毛細胞的纖維可能負責當我們遭受接近 140 分貝的聲波響度時所遭受的疼痛。
從歷史上看，聽力損失主要透過聽力圖來評估。耳科醫生早就知道，將金屬板敲入鍋爐的工人通常會在中頻區域出現永久性聽力損失。聽力圖記錄了我們在八度音程頻率間隔檢測音調的能力：例如 250、500、1,000、2,000、4,000 和 8,000 赫茲。在噪聲引起的聽力損失的早期階段，聽力圖顯示出所謂的鍋爐工缺口，即無法檢測到人類聽力範圍的中頻聲音。
在 20 世紀 50 年代和 60 年代，對嘈雜工廠工人的流行病學研究表明，工作年限與聽力敏銳度下降之間存在明顯的聯絡。最初在 4,000 赫茲附近的缺陷隨著時間的推移趨於蔓延到其他頻率。許多老年工人完全喪失了 1,000 或 2,000 赫茲以上的聽力。這種高音損失會導致嚴重的聽力障礙，因為言語中的大部分資訊都位於已變得無反應的頻率範圍內。
諸如此類的人體研究啟發了聯邦政府在 20 世紀 70 年代制定噪聲指南，以限制工作場所的暴露。如今，包括國家職業安全與健康研究所和職業安全與健康管理局在內的多個聯邦機構監管工作場所的噪聲水平，不同的機構提出了不同的限制。缺乏精確的協議反映了評估噪聲損害風險的挑戰。問題是雙重的。首先，噪聲敏感性存在巨大的個體差異：可能存在所謂的“堅韌”的耳朵和“脆弱”的耳朵。這意味著監管機構必須選擇他們想要保護的人口百分比以及可接受的聽力損失水平。另一個問題是，噪聲對聽力的影響是人暴露於聲音的持續時間、強度和頻率的複雜組合的結果。
目前，職業安全與健康管理局規定，八小時工作日的聲級不得超過 90 分貝。90 分貝以上的噪聲損害風險大致與傳遞到耳朵的總能量（持續時間乘以強度）成正比。對於超過八小時標準以上的每增加 5 分貝，職業安全與健康管理局指南建議將暴露時間減半——換句話說，工人每天暴露於 95 分貝的時間不應超過四小時，或暴露於 100 分貝的時間不應超過兩小時。按照這些標準，爭奪吉尼斯噪聲記錄的足球迷的 142 分貝以上的暴露量將在大約 15 秒內超過職業安全與健康管理局的指南。當然，職業安全與健康管理局不監管足球比賽球迷的噪聲水平，甚至不監管美國農場的噪聲水平，在這些農場，青少年整天駕駛拖拉機和聯合收割機，面臨著嚴重的聽力損失風險。
在過去的 60 年裡，聽力專家一直認為聽力圖的常規讀數揭示了我們需要了解的關於噪聲引起的聽力損害的一切資訊。事實上，聽力圖將顯示內耳毛細胞是否受到損害，而 20 世紀 40 年代和 50 年代的調查顯示，毛細胞是內耳中最容易受到聲學過度暴露損害的細胞之一。
動物實驗，其中一些在我們實驗室進行，表明外毛細胞比內毛細胞更脆弱，耳蝸中檢測高頻音調的部分中的毛細胞比低頻區域中的毛細胞更脆弱，而且一旦丟失，毛細胞就永遠不會再生。即使在細胞退化之前，響亮的噪音也會損害細胞頂部的纖毛束，而且這種損害也是不可逆轉的。當毛細胞發生損傷或死亡時，聽力閾值會升高——必須調高收音機的音量，或者桌子對面的同事必須提高嗓門。
對人類耳蝸損害進行更深入的研究受到了阻礙，因為使用任何現有技術都無法安全地對活體個體的微小毛細胞進行活檢或成像。與噪聲引起的聽力損失相關的損害僅在死後捐獻耳朵用於科學研究的人身上進行了研究。
部分由於這些限制，聽力損失在衰老過程中是否不可避免——或者它是否是反覆暴露於現代生活喧囂的結果——這一問題繼續困擾著聽力科學家。一個誘人的暗示來自 20 世紀 60 年代的一項研究，研究人員在蘇丹沙漠中的馬班部落等獨特安靜的環境中尋找人群。與同年齡段的美國男性群體相比，70 至 79 歲的馬班男性聽力測試明顯更好。當然，這些研究無法區分普通美國人與典型馬班人之間的其他差異，例如與遺傳背景或飲食相關的差異。
深度損害
我和我的同事最近對噪聲對聽力的影響進行的調查，為我們理解聲學過度暴露的危險增加了一個令人警醒的新維度。科學家和臨床醫生早就知道，噪聲暴露引起的一些聽力障礙是可逆的，而另一些則不可逆。換句話說，有時聽力閾值在暴露後幾小時或幾天內恢復正常——有時恢復將是不完全的，並且較高的閾值將永遠持續存在。聽力科學家過去認為，如果閾值敏感度恢復，則耳朵已完全恢復。我們現在知道這不是真的。
7 月 4 日的鞭炮聲或足球比賽人群的咆哮聲不僅會影響毛細胞，還會損害聽覺神經纖維。我們和其他人在 20 世紀 80 年代表明，過大的噪音會導致神經纖維末梢受損，這些末梢與毛細胞形成突觸。末梢的腫脹和最終破裂可能是對過度刺激的毛細胞過度釋放訊號分子穀氨酸的反應。事實上，神經系統中任何地方穀氨酸釋放過多都是有毒的。傳統的觀點一直是，這些受噪聲損害的纖維必須在強烈的噪聲暴露後恢復或再生，因為在暴露後立即顯示出大量神經腫脹的耳朵中，聽覺閾值可以恢復正常。
在我的實驗室裡，我們懷疑如此嚴重受損的突觸是否會在成年人的耳朵中再生。我們還知道，噪聲引起的神經損傷不一定反映在標準測試中，因為早在 20 世紀 50 年代的動物研究表明，聽覺神經纖維的喪失，在沒有毛細胞喪失的情況下，不會影響聽力圖，直到喪失變得災難性，超過 80%。似乎你不需要密集的神經纖維群來檢測安靜測試室中音調的存在。透過類比，拍攝一組人的數字影像並反覆取樣，每次都以較低的解析度進行。隨著畫素密度的降低，影像的細節變得不太清晰。你仍然可以分辨出圖片中有人，但你無法分辨出他們是誰。同樣，我們假設，神經元的彌散性喪失不需要影響你檢測聲音的能力，但它很容易降低在嘈雜餐廳中理解言語的能力。
當我們在 20 世紀 80 年代開始研究噪聲引起的神經損傷時，計算聽覺神經纖維和內毛細胞之間突觸的唯一方法是使用一種稱為連續切片電子顯微鏡的技術，這是一種高度費力的過程，需要大約一年的工作時間才能分析來自一個耳蝸的幾個毛細胞上的神經突觸。
二十五年後，我在馬薩諸塞眼耳醫院的同事莎倫·G·庫加瓦和我試圖確定，幼鼠耳朵中的一次聲學過度刺激是否會加速年齡相關性聽力損失的發生。我們讓動物暴露於其中的噪聲旨在僅產生聽覺閾值的暫時升高，因此不會造成永久性毛細胞損傷。正如預期的那樣，齧齒動物的耳蝸在暴露後幾天看起來正常。但是，當我們檢查六個月到兩年後的動物時，我們看到了聽覺神經纖維的累積損失，儘管存在完整的毛細胞。
幸運的是，自 20 世紀 80 年代以來，人們對如何探索這些突觸的分子結構有了很多瞭解。抗體已經可用，可以與內毛細胞和聽覺神經纖維之間突觸每一側的結構結合並用不同的熒游標記進行標記。這些標記使我們能夠在光學顯微鏡下輕鬆計數突觸。我們迅速積累了資料，表明在噪聲暴露後幾天，當聽覺閾值恢復正常時，多達一半的聽覺神經突觸消失了，並且再也沒有再生。其餘神經元——細胞體和投射到腦幹的軸突——的損失在幾個月內變得明顯。到兩年時，一半的聽覺神經元完全消失了。一旦突觸被破壞，受影響的纖維就毫無用處，並且對任何強度的聲音都沒有反應。
在過去的幾年裡，我們記錄了小鼠、豚鼠和南美栗鼠以及死後人體組織中噪聲引起的突觸退化。我們在動物研究和人耳中表明，聽覺神經纖維和毛細胞之間連線的喪失發生在與毛細胞喪失相關的閾值升高之前。聽覺神經損傷會導致一種隱匿性聽力損失——噪聲引起和年齡相關性聽力障礙的一個重要組成部分——這一觀點現在已被廣泛接受，許多聽力科學家和臨床醫生正在努力開發測試方法，以確定該問題是否普遍存在，以及我們嘈雜的生活方式是否正在導致所有年齡段的人出現耳損傷的流行病。
修復神經
用最簡單的術語來說，聽力圖，聽力測試的黃金標準，測量聽覺閾值，並且是耳蝸毛細胞損傷的敏感指標。然而，它非常不能指示聽覺神經纖維的損傷。我們的研究表明，隱匿性聽力損失的神經損傷不會影響檢測聲音存在的能力，但它很可能會降低我們理解言語和其他複雜聲音的能力。事實上，它可能是老年人經典抱怨的重要原因：“我能聽到人們說話，但聽不清他們在說什麼。”
聽力學家早就知道，聽力圖相似的兩個人，在所謂的噪聲中言語測試中的表現可能非常不同，該測試測量隨著背景噪聲水平的增加而正確識別的單詞數量。以前，他們將這些差異歸因於大腦處理。我們的研究表明，其中大部分差異是由於倖存的聽覺神經纖維群體的差異造成的。
隱匿性聽力損失也可能有助於解釋其他常見的聽力相關症狀，包括耳鳴（耳朵中的鈴聲）和聽覺過敏（無法忍受甚至中等響度的聲音）。即使聽力圖沒有標記任何問題，這些症狀也經常持續存在。過去，科學家和臨床醫生指出耳鳴或聽覺過敏患者的正常聽力圖，並再次得出結論，問題一定出在大腦中。我們建議，損害可能發生在聽覺神經中。
我們的研究提出了關於在音樂會和俱樂部以及透過個人收聽裝置日常接觸響亮音樂的風險的問題。儘管噪聲引起的聽力損失顯然是專業音樂家（甚至演奏古典音樂的音樂家）中的一個問題，但對休閒聽眾的流行病學研究始終未能發現對其聽力圖的實質性影響。為最大限度地減少美國勞動力隊伍中的噪聲損害而制定的聯邦指南均基於以下假設：如果暴露後閾值恢復正常，則耳朵已完全恢復。正如我們已經瞭解到的，這種假設是錯誤的；因此，自然而然地，目前的噪聲法規可能不足以預防廣泛的噪聲引起的神經損傷及其引起的聽力障礙。
為了解決這個問題，我們需要更好的聽覺神經損傷診斷測試，而不是在死後組織中計數突觸。一種有希望的方法是基於對聽覺神經元電活動的現有測量，稱為聽覺腦幹反應 (ABR)。可以在清醒或睡眠的受試者身上測量 ABR，受試者配有頭皮電極，以測量對不同頻率和聲壓級的音調脈衝的呈現的電活動（腦電圖）。從歷史上看，ABR 測試主要以透過-失敗為基礎進行解釋：清晰的聲音誘發電反應的存在被解釋為聽力正常，而沒有反應則證明存在障礙。
在動物工作中，我們表明，高聲級下 ABR 的幅度非常具有資訊性：它與保留與內毛細胞可行連線的聽覺神經纖維的數量成正比增長。相應地，最近一項受我們研究啟發的流行病學研究對一群聽力圖正常的英國大學生使用了 ABR 測試的變體，發現那些報告曾反覆暴露於俱樂部和音樂會的喧囂中的學生的反應幅度較小。
為了尋找隱匿性聽力損失的潛在治療方法，我們現在正在詢問我們是否可以透過使用旨在使神經纖維再生、重建與內毛細胞連線的化學物質治療倖存的神經元來逆轉噪聲引起的退化。儘管突觸本身在噪聲暴露後立即被破壞，但神經其餘部分（其細胞體和軸突）的退化速度緩慢，使我們樂觀地認為，許多人類受試者的正常功能可以恢復。我們透過將神經營養因子（神經生長促進劑）直接輸送到內耳，在動物研究中取得了令人鼓舞的結果。
隱匿性聽力損失可能很快可以透過注射透過鼓膜的凝膠來治療，這些凝膠會在噪聲損傷後數月或數年緩慢釋放神經營養因子以恢復突觸。它們將在暴露於響亮噪音後立即施用，例如 2013 年波士頓馬拉松終點線的爆炸事件，該事件損害了 100 多名觀眾的聽力。有朝一日，耳科醫生或許能夠像眼科醫生透過角膜雷射手術矯正近視眼一樣，使用微創治療方法將藥物輸送到耳蝸，以治療噪聲引起的耳損傷。*
*編者注（2015 年 7 月 28 日）：雜誌文章的原始句子在釋出後在網上進行了更正。它錯誤地指出近視是透過晶狀體雷射手術矯正的。