不知道大家會不會像我一樣，在最近一次的耳鼻喉考試中，唸到半規管支配的眼外肌，或是在聽到Caloric test的COWS口訣時，完全是一個頭兩個大。到底我們的前庭系統和眼球的轉動有什麼關聯？又為什麼耳朵被吹冷風眼睛就會往反邊轉？被吹熱風又會往同側轉？這一篇文章主要想幫大家整理Vestibulo-ocular reflex（以下簡稱VOR）的重要機制，期待大家看完之後，會對老師耳鼻喉上課時所提到的各種知識更有概念！
Vestibulo-ocular reflex（VOR）
VOR是一種眼睛為了在頭部轉動時固定視野的重要反射機制。舉例來說，如果今天你眼睛注視前方，接著把頭往右轉，你的眼球會為了讓前方的景象停留在視網膜上的相同位置，而往反方向（左邊）轉動。如下方的影片，不管頭如何轉動，眼球的位置都會維持在身體的正前方注視著相同景象。
這件事為什麼這麼重要呢？因為我們的身體，包括頭部，並不是隨時都固定在同一個地方，如果沒有了VOR，我們的眼球將無法順利地讓視線保持穩定，有點像是少了防手震的相機一樣，視野就會抖來抖去的。
目前所知道的VOR大概有兩種，一種是rotational VOR，另一種則是translational VOR。這兩種VOR分別透過內耳中的不同部位來控制眼球的運動，rotational VOR比較好理解，就是半規管的內淋巴液偵測頭部轉動 (rotation) 的訊號而讓眼球能夠固定視野方向 ；translation則有平移的意思，因此 translational VOR 則是透過Utricle或Saccule內耳石的流動來偵測身體的移動（頭部未轉動)，而同樣讓視野固定在同一個位置。
以下我們將主要介紹廣為人知的rotational VOR，看看半規管如何影響我們的眼球運動。
半規管與毛細胞的生理機制
在介紹rotational VOR之前，先讓我簡單介紹一下半規管中的毛細胞會如何偵測頭部的旋轉。
人的左右內耳當中有三個方向的半規管：前（上）半規管、後半規管、側半規管。每一個半規管的底部皆有膨大的crista ampullaris， crista ampullaris 裡面有膠狀的cupula包著許多同方向的毛細胞(hair cells)。
毛細胞上有著許多的纖毛，其中每一個毛細胞上一定會有一根最長的纖毛，我們稱之動纖毛 (kinocilium)；其他比較短的纖毛稱之為靜纖毛 (stereocilia)。纖毛們之間有著像彈簧一樣的跨膜蛋白Tip link相連，當內淋巴液因為頭部轉動的關係產生同動纖毛方向的流動（由纖毛短到長），Tip link因為結構的關係就會把纖毛上的離子通道打開，讓鈣離子和鉀離子流入【下右圖】，並使得毛細胞被去極化，被去極化的毛細胞則會繼續傳遞刺激訊號給下游的神經；相反地，當內淋巴液的流動與動纖毛方向相反（由纖毛長到短），則會使得纖毛上的離子通道關閉，毛細胞過極化，下游的神經訊號也因此被抑制【下左圖】。
半規管如何導致眼球反射
接下來是重頭戲了！相信大家可能都有看過下面這張表：
| 後半規管 | 同側上斜肌 | 眼球向下、向外 |
| 異側下直肌 | 眼球向下、向內 | |
| 前（上）半規管 | 同側上直肌 | 眼球向上、向內 |
| 異側下斜肌 | 眼球向上、向外 | |
| 水平半規管 | 同側內直肌 | 眼球內旋 |
| 異側外直肌 | 眼球外旋 |
沒錯，每個半規管都有其支配的眼外肌群，大家甚至也都背得滾瓜爛熟了。我們也都知道VOR就是透過半規管內淋巴液的流動讓眼球轉動，不過為什麼後半規管非得要支配下直肌，上半規管非得要支配上直肌，這或許是大家心中長久以來的疑問，現在就讓我把這其中的機制整理得更清楚吧！（我並沒有特別把神經傳導的路徑抓出來講喔，所以想理解神解的人們可能會失望ＱＱ）
首先要理解上面那張表，我覺得大家可以用以下四個流程：
- 知道半規管在頭部的解剖方向與位置。
- 頭往哪裡轉，哪裡的半規管就會被活化。
- 頭往不同方向轉的時候，眼睛應該往哪裡轉？
- 哪條眼外肌正在作用？
接下來我也將用上面的流程一一解釋半規管與眼球轉動的關係～
知道半規管在頭部的解剖方向與位置
其實前、後、水平半規管的解剖位置，一直是我心中的一團迷霧，直到這次查了資料才有些心得。前、後半規管皆垂直於水平面，以直立方向坐落在內耳之中，但是這兩個半規管所形成的平面皆和頭的Sagittal section夾了大約4、50度角（前半規管又稱上半規管，但查完資料後覺得＂上＂半規管這個詞真的超級誤導，因為它的位置一點也不＂上＂啊，應該是比較在偏頭的＂前＂方。）；水平半規管正如其名也很好理解，就是在平躺頭的橫切面上，只是這個橫切面並不是一個水平面，而是和水平面夾了30度的平面。
而且奇妙的是，左耳的前半規管和右耳的後半規管正好會形成兩個平行的平面 (P1、P2) ；左耳的後半規管也會和右耳的前半規管形成兩個平行的平面 (P3、P4) ，先把這件事情放在心上，待會會用到喔！
頭往哪裡轉，哪裡的半規管就會被活化
剛剛已經看過了半規管的解剖位置，我們也知道半規管當中有毛細胞偵側頭轉動時的角加速度，因此我們可以想像得到，頭往某半規管平行方向擺動時，該半規管的內淋巴液會流動的最激烈，也會讓該半規管底下的前庭神經訊號來到最大值(Maximally excited)或最小值(Maximally inhibited)，問題就是，哪個方向是最大值，哪個方向是最小值呢？
這個問題其實基本上可以從半規管的位置來記憶，前半規管就是頭往前轉的時候神經細胞會被活化到最大值，後半規管則是往後轉；水平半規管則要看是左耳還是右耳，左水平半規管會在頭左轉的時候活化到最大值，右水平半規管會在頭右轉時刺激訊號最大。
值得注意的是，這邊敘述頭部轉動方向時有點簡化，就像前面說的前半規管並沒有真的平行於頭往前擺動時的方向（和Sagittal section的平面夾了40幾度角），因此如果想要讓左右耳前半規管引發的神經訊號達到最大值，必須把頭往＂前外下＂方向擺動。同理如果要讓後半規管引發的神經訊號達到最大值，頭也不是要往正後方擺，而是往＂後外下＂方向擺動。
以下整理出各半規管被活化到最大程度時，頭要如何擺動：
| 半規管 | 頭轉動的方向 |
| 左耳前半規管 | 左前外下 |
| 左耳後半規管 | 左後外下 |
| 左耳水平半規管 | 左轉（同時低頭約30度） |
| 右耳前半規管 | 右前外下 |
| 右耳後半規管 | 右後外下 |
| 右耳水平半規管 | 右轉（同時低頭約30度） |
繼續深入探討，我們也可以想出以下結論：
- 如果依照上述方向的反方向轉頭，半規管底下的前庭神經就會被抑制到最大程度。(Maximally inhibited)
- 如果把單純把頭往正前方擺動，應該會同時活化兩耳前半規管的前庭神經。
- 前面提過，4個前後半規管構成了兩組平面。正巧的是，每個平面當中的兩個半規管分別負責相反方向的頭轉動，比如說左耳前半規管負責左前外下的頭轉動，右耳後半規管則負責右後外下的頭轉動，因此我們把頭擺向其中一個方向時，相同平面的另一個半規管前庭神經就會被抑制；更巧的是，它們負責的眼外肌也是相反的（可以對照眼外肌的表格），所以當某一方向的眼外肌收縮，相反方向的眼外肌則會舒張，整個眼球的轉動會更順暢協調；另外左右水平半規管構成的平面也是平行的，因此也是一樣道理，當左耳被活化，右耳會被抑制，反之亦然。
頭往不同方向轉的時候，眼睛應該往哪裡轉
這件事情應該不用我特別解釋，如果我們要讓眼球固定在正前方，那麼只要頭往哪裡轉，眼球就得往反方向轉動，比如說頭往下擺，眼球就得往上轉；頭往左擺，眼球就會往右轉。
哪條眼外肌正在作用？
在這裡為大家複習一下各眼外肌會把眼睛轉向什麼位置：
| 眼外肌 | 眼球轉動 |
| 上直肌 | 上內 |
| 下直肌 | 下內 |
| 內直肌 | 內旋 |
| 外直肌 | 外旋 |
| 上斜肌 | 下外 |
| 下斜肌 | 上外 |
其中＂直肌＂們應該很好記，叫＂什麼＂直肌，就會把眼球轉向＂什麼＂方向。比較困難的可能是兩條斜肌，不過仔細這兩條肌肉的解剖位置應該也是可以理解的喔，就不再贅述了。
總結以上，我們的眼外肌就會依據不同前庭神經訊號的刺激，引導眼球往不同方向轉動。如果我們能判斷頭往不同方向擺的時候會刺激哪些半規管的前庭神經，又知道眼球應該要往哪裡擺才能維持視野，再加上大家早就知道各眼外肌會讓眼球轉往什麼方向，我們就能把半規管和眼外肌連結在一起了！
上面的流程有些複雜，我們就依上述流程舉例來說好了：水平半規管為什麼負責的是同側的內直肌和異側的外直肌呢？
- 知道半規管在頭部的解剖方向與位置：
先在腦海中浮現半規管們的解剖方向及位置。 - 頭往哪裡轉，哪裡的半規管就會被活化：
水平半規管與頭左右的擺動最有關，假設今天頭往右邊轉動，則右耳的水平半規管的前庭神經就會被活化到最大值。 - 頭往不同方向轉的時候，眼睛應該往哪裡轉：
根據判斷，我們知道當頭往右轉時，眼球應該要往左轉。 - 哪條眼外肌正在作用？
眼球往左轉時，收縮的應該是左眼的外直肌和右眼的內直肌，回到最前面，我們活化的是右水平半規管，因此水平半規管負責的眼外肌就是異側的外直肌和同側的內直肌，這個結果完全符合眼外肌的表格，而且不需要特別背誦。
進一步我們還可以推論右耳水平半規管內的毛細胞排列方式：當頭往右轉，右耳水平半規管內的淋巴液因為慣性的原因會往逆時針方向流動，由於我們已經知道右耳水平半規管的毛細胞是會被去極化的，因此內淋巴液流動的方向應該要是朝向動纖毛的（由纖毛短往長），由此便可以推得右耳水平半規管的毛細胞排列（如下圖）。
再舉一個例子：為什麼前半規管會支配同側的上直肌和異側的下斜肌？
- 知道半規管在頭部的解剖方向與位置：
先在腦海中浮現半規管們的解剖方向及位置。 - 頭往哪裡轉，哪裡的半規管就會被活化：
前半規管與頭往前外下的擺動最有相關，因此當頭往右外下轉，右耳的前半規管就會被活化到最大值。 - 頭往不同方向轉的時候，眼睛應該往哪裡轉：
根據判斷，我們會知道頭往前外下的擺動時，兩眼這時候應該都要往左上轉才能回復到原本的視野位置。 - 哪條眼外肌正在作用？
兩眼同時往左上轉時，收縮的應該是左眼的下斜肌和右眼的上直肌， 回到最前面，我們活化的是右邊的前半規管，因此推論前半規管負責的就是同側的上直肌和異側的下斜肌，亦符合眼外肌的表格，最重要的是可以用推的，不需要背表格！
然而，還是有例外QQ如果大家推看看後半規管支配的眼外肌的話就會發現， 結果會和你想的不一樣，這是為什麼呢？（其實這方面的資料並沒有找到適當的佐證，但是個人的推論如下：
舉刺激右後半規管的例子好了，其實頭往右後外下擺的時候，除了刺激右後半規管，應該同時會刺激水平半規管，這時候原本倒臥在水平面的水平半規管會突然往右後方站起來，此時應該會對其中的內淋巴液產生一個逆時針的流動(從頭正上方看)，是刺激訊號，因此眼睛會往反方向左轉。這件事情告訴了我們甚麼?
斜肌最大的功能其實不是垂直方向的眼球運動，而是torsion movement(有點像是眼球原地轉動)，但torsion movement對VOR沒有幫助，因此身體會設法讓oblique m.的vertical movement功能發揮到最大，但是該怎麼做？
事實上在眼睛往內旋的時候斜肌的走向就會和眼軸方向平行，因此收縮時就能將垂直方向的眼球運動功能發揮到最大，此時斜肌把眼球往上or下拉的能力甚至比直肌們更厲害(這和解剖構造有關，下方有說明圖喔！)。
用上面的舉例來看，右眼往左轉就是內旋，因此這時候能將上斜肌的eye depression功能發揮到最大；相反的，直肌也會因解剖構造的關係，會在眼睛外旋的時候發揮最大的vertical movement功能，對左眼來說，由於往左轉所以是外旋，選擇下直肌來造成眼球的depression正是最棒的組合。
那前半規管是不是也應該這樣解釋更好呢？依本人小小淺見，或許是的，不過這樣不太方便記憶就是 XD
舉例來說，如果看看頭往右前外下轉的例子，這時除了會刺激前半規管，也會讓倒臥在水平面的水平半規管突然往右前方站起來，內淋巴液順時針流(從頭正上方看)，對右水平半規管產生抑制訊號，因此眼睛會往右轉，對右眼來說，眼睛外旋了所以選擇上直肌造成elevation，左眼則是內旋，因此選擇下斜肌造成elevation。
Neural Integrator
另外有一個延伸的問題，我們都知道半規管活化和頭部轉動形成的角加速度有很大的關係，換言之，當轉頭之後停在某個位置時，前庭神經的訊號就應該要回到原本的baseline，眼外肌理論上就會失去了收縮訊號的刺激，會使眼球回復到原位。可是這樣聽起來很奇怪，原本用來穩定視野的VOR，怎麼可以一下子就讓眼珠子跑回原位？因此，除了由半規管直接活化促進的direct pathway，身體內還有另外兩個indirect pathway，分別由腦幹當中的nucleus prepositus hypoglossi和the interstitial nucleus of Cajal兩個核區負責，它們是重要的gaze control system，會整合訊號，讓眼外肌持續收縮，把眼球穩定在VOR反射之後的位置上喔！
而原本的direct pathway加上另外兩條轉頭之後穩定視野的indirect pathway就合稱neural integrator！
VOR的應用：Caloric Test
如果已經修過耳鼻喉科的醫學生，應該也會對Caloric test這個名詞感到相當熟悉，基本上它就是用來檢測VOR的路徑是否出現了問題。
Caloric test主要測試的是水平半規管的VOR反射，進行測試的病患會躺平並讓頭部抬高30度，此時再從耳朵灌進熱水或冷水（熱空氣或冷空氣），就會因為密度改變的原理使得內淋巴液開始流動，模擬頭部轉動產生的VOR，以下就來詳細講解它的機制：
首先，讓測試的病患躺平並抬高頭部30度，是為了讓水平半規管垂直於地面。當熱水或冷水灌入耳朵後，溫度的改變就會使得內淋巴液的密度改變，由於剛剛的水平半規管已經垂直於地面，淋巴液就會因為密度改變再加上重力影響，在半規管內產生流動。舉冷水灌入右耳為例【下左圖】，冷水使得右耳水平半規管最靠近外耳道的內淋巴液密度上升，循著重力下降並產生一個順時針的流動，此順時針的流動會促使毛細胞下游的神經訊號被抑制（因為是由纖毛長往短的方向流動，纖毛排列方向就像文章上面示範的，可由半規管與眼外肌的關係推得）。相較之下，左耳水平半規管產生的神經訊號就會變得比較優勢，使得前庭神經核以為頭往左邊轉，眼睛就會往右偏。（慢相。慢相才是VOR產生的反射動作，快相成因則與意識有關，暫不討論）如果你是COWS口訣的愛好者，要注意COWS背誦的是快相，和慢相是相反方向喔！
【下右圖】反之，今天如果把熱水灌入右耳，熱水會使得右耳水平半規管最靠近外耳道的內淋巴液密度下降，形成逆時針的流動，此方向的流動會在右耳水平半規管產生促進的訊號，使得前庭神經核以為頭往右邊轉了，眼睛就會往左偏（慢相）。
透過兩耳Caloric test的測試，我們可以得到兩耳眼震程度的比較，也能知道兩耳眼震的絕對強度。此處的眼震是由溫度引發的正常反應，所以透過兩耳的眼震程度比較，眼震強度太小的一邊就代表那邊的前庭反射路徑出現了問題。另外透過眼震的絕對強度，也能知道是否有前庭神經過度被活化或抑制的問題。
其實這次的文章寫了滿久的，但最後發現竟然只能解決一個好像滿冷門的問題，聰明的大家儘管沒有真正想過眼外肌表格的意涵，一定還是能如魚得水地把它記起來，並在臨床上完美地應用它，我也承認自己常常是這樣囫圇吞棗地度過考試。雖然如此，還是把自己某些想過的邏輯提供給大家，希望大家能在被知識轟炸的醫學教育裡保有一點對真理的渴求 XD
參考資料
- Squire, L., Berg, D., Bloom, F. E., Du Lac, S., Ghosh, A., & Spitzer, N. C. (Eds.). (2013). Fundamental neuroscience Fourth Edition. Academic Press.
- Handouts by Dr. Tutis Vilis. http://www.tutis.ca/Senses/ ； http://www.tutis.ca/NeuroMD/index.htm
- University of Minnesota Medical School Duluth. https://www.d.umn.edu/~jfitzake/Lectures/DMED/InnerEar/VestibPhysiol/CanalOrientation.html
- Gonçalves, D. U., Felipe, L., & Lima, T. M. A. (2008). Interpretation and use of caloric testing. Brazilian journal of otorhinolaryngology, 74(3), 440-446.
- Michigan Medicine Kresge Hearing Research Institute. https://medicine.umich.edu/dept/khri/faculty-labs/labs/king-lab/research-projects/neurophysiology-translational-vestibulo-ocular-reflex-vor
- 陽明大學生理學李怡萱老師上課講義與共筆
- 陽明大學耳鼻喉科黃啟原、杜宗陽老師上課講義與共筆
- McGraw-Hill Medical： https://accessmedicine.mhmedical.com/content.aspx?bookid=381§ionid=40140026
- Youtube 影片： https://www.youtube.com/embed/j_R0LcPnZ_w?start=17
- Dr. Danielle Tate, PT, DPT. The Light Cupula. Vestibular Today. ：http://www.vestibular.today/blog/the-light-cupula
- 封面圖片：Image by adege from Pixabay
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