Волосковые клетки внутреннего уха: структура и функция.

Введение

Слуховые сенсорные рецепторные нервные клетки

Волосяные клетки являются сенсорными рецепторами как слуховой системы, так и вестибулярной системы в ушах всех позвоночных, а также в боковой линии рыб. Благодаря механической трансдукции волосковые клетки обнаруживают движение в окружающей среде. У млекопитающих слуховые волосковые клетки расположены внутри спирального органа Корти на тонкой базилярной мембране в кохлее внутреннего уха. Они получили свое название от пучков стереоцилий, называемых пучками волос, которые выступают из апикальной поверхности клетки в заполненный жидкостью кохлеарный проток. Количество стереоцилий в каждой клетке варьируется от пятидесяти до ста, они плотно упакованы друг с другом и уменьшаются в размере по мере удаления от киноцилия. Кохлеарные волосковые клетки млекопитающих представлены двумя анатомически и функционально различными типами, известными как наружные и внутренние волосковые клетки. Повреждение этих волосковых клеток приводит к снижению чувствительности слуха, и поскольку волосковые клетки внутреннего уха не способны к регенерации, это повреждение является необратимым. Повреждение волосковых клеток может вызвать нарушение работы вестибулярной системы и, как следствие, проблемы с равновесием. Однако у других организмов, таких как широко изучаемая рыба-зебра и птицы, волосковые клетки способны к регенерации. Человеческая кохлеа содержит около 3500 внутренних волосковых клеток и 12000 наружных волосковых клеток при рождении. Наружные волосковые клетки механически усиливают слабые звуки, поступающие в кохлею. Усиление может быть обусловлено движением их пучков волос или электрически управляемой подвижностью их клеточных тел. Эта так называемая соматическая электромоторика усиливает звук у всех наземных позвоночных. На нее влияет механизм закрытия механических сенсорных ионных каналов на кончиках пучков волос. Внутренние волосковые клетки преобразуют звуковые колебания в жидкостях кохлеи в электрические сигналы, которые затем передаются по слуховому нерву в слуховой ствол мозга и слуховую кору.

Внутренние волосковые клетки от звука к нервному сигналу

Отклонение стереоцилий волосковой клетки открывает механически-зависимые ионные каналы, которые позволяют любым мелким положительно заряженным ионам (преимущественно калию и кальцию) проникать в клетку. В отличие от многих других электрически активных клеток, сама волосковая клетка не генерирует потенциал действия. Вместо этого, приток положительных ионов из эндолимфы в среднем ухе деполяризует клетку, что приводит к возникновению рецепторного потенциала. Этот рецепторный потенциал открывает кальций-зависимые каналы; ионы кальция затем входят в клетку и запускают высвобождение нейротрансмиттеров в базальном конце клетки. Нейротрансмиттеры диффундируют через узкое пространство между волосковой клеткой и нервным окончанием, где они связываются с рецепторами и, таким образом, запускают потенциалы действия в нерве. Таким образом, механический звуковой сигнал преобразуется в электрический нервный сигнал. Реполяризация волосковых клеток происходит особым образом. Перилимфа в барабанной лестнице имеет очень низкую концентрацию положительных ионов. Электрохимический градиент заставляет положительные ионы перемещаться по каналам в перилимфу. В волосковых клетках постоянно происходит утечка Ca2+. Эта утечка вызывает тоническое высвобождение нейротрансмиттера в синапсы. Считается, что именно это тоническое высвобождение позволяет волосковым клеткам так быстро реагировать на механические стимулы. Быстрота ответа волосковых клеток также может быть связана с тем, что они могут увеличивать количество высвобождаемого нейротрансмиттера в ответ на изменение всего лишь на 100 мкВ потенциала мембраны. Волосяные клетки также способны различать частоты тонов двумя способами. Первый способ, встречающийся только у не млекопитающих, использует электрический резонанс в базалатеральной мембране волосковой клетки. Электрический резонанс в этом случае проявляется в виде затухающих колебаний потенциала мембраны в ответ на приложенный импульс тока. Второй способ использует тонотопические различия базилярной мембраны. Это различие обусловлено различным расположением волосковых клеток. Волосяные клетки с высокой частотой резонанса расположены в базальном конце, а волосковые клетки с значительно более низкой частотой резонанса – в апикальном конце эпителия.

The deflection of the hair cell stereocilia opens mechanically gated ion channels that allow any small, positively charged ions (primarily potassium and calcium) to enter the cell. Unlike many other electrically active cells, the hair cell itself does not fire an action potential. Instead, the influx of positive ions from the endolymph in the scala media depolarizes the cell, resulting in a receptor potential. This receptor potential opens voltage gated calcium channels; calcium ions then enter the cell and trigger the release of neurotransmitters at the basal end of the cell. The neurotransmitters diffuse across the narrow space between the hair cell and a nerve terminal, where they then bind to receptors and thus trigger action potentials in the nerve. In this way, the mechanical sound signal is converted into an electrical nerve signal. Repolarization of hair cells is done in a special manner. The perilymph in the scala tympani has a very low concentration of positive ions. The electrochemical gradient makes the positive ions flow through channels to the perilymph. Hair cells chronically leak Ca2+. This leakage causes a tonic release of neurotransmitter to the synapses. It is thought that this tonic release is what allows the hair cells to respond so quickly in response to mechanical stimuli. The quickness of the hair cell response may also be due to the fact that it can increase the amount of neurotransmitter release in response to a change of as little as 100 μV in membrane potential. Hair cells are also able to distinguish tone frequencies through one of two methods. The first method, found only in non mammals, uses electrical resonance in the basolateral membrane of the hair cell. The electrical resonance for this method appears as a damped oscillation of membrane potential responding to an applied current pulse. The second method uses tonotopic differences of the basilar membrane. This difference comes from the different locations of the hair cells. Hair cells that have high frequency resonance are located at the basal end while hair cells that have significantly lower frequency resonance are found at the apical end of the epithelium.

Внешние волосковые ячейки акустические предварительные усилители

В клетках внешних волосков млекопитающих изменяющийся потенциал рецептора преобразуется в активные вибрации тела клетки. Этот механический ответ на электрические сигналы называется соматической электромобильностью; он вызывает изменения в длине клетки, синхронизированные с поступающим звуковым сигналом, и обеспечивает механическое усиление посредством обратной связи с бегущей волной. Внешние волосковые клетки встречаются только у млекопитающих. Хотя слуховая чувствительность млекопитающих сопоставима с чувствительностью других классов позвоночных, без функционирующих внешних волосковых клеток чувствительность снижается примерно на 50 дБ. Внешние волосковые клетки расширяют диапазон слуха до 200 кГц у некоторых морских млекопитающих. Они также улучшают частотную селективность (различение частот), что особенно важно для человека, поскольку позволило развиться сложной речи и музыке. Внешние волосковые клетки остаются функциональными даже после истощения клеточных запасов АТФ. Эта способность к усилению называется кохлеарным усилителем. В последние годы молекулярная биология волосковых клеток достигла значительного прогресса, в частности, с идентификацией моторного белка (престина), лежащего в основе соматической электромобильности внешних волосковых клеток. Показано, что функция престина зависит от сигнализации хлоридных каналов и нарушается под воздействием распространенного морского пестицида трибутилтина. Поскольку этот класс загрязняющих веществ биоаккумулируется по пищевой цепи, эффект особенно выражен у высших морских хищников, таких как косатки и зубатые киты.

Адаптация сигналов волосковых клеток

Приток ионов кальция играет важную роль в адаптации волосковых клеток к усилению сигнала. Это позволяет людям игнорировать постоянные звуки, которые больше не являются новыми, и быть восприимчивыми к другим изменениям в окружающей среде. Ключевой механизм адаптации обеспечивается моторным белком миозином 1c, который обеспечивает медленную адаптацию, создает напряжение для повышения чувствительности каналов трансдукции, а также участвует в аппарате трансдукции сигнала. Более поздние исследования показывают, что кальций-зависимое связывание кальмодулина с миозином 1c может модулировать взаимодействие адаптационного мотора с другими компонентами аппарата трансдукции. Быстрая адаптация: во время быстрой адаптации ионы Ca2+, входящие в стереоцилию через открытый MET-канал, быстро связываются с участком на самом канале или рядом с ним, вызывая его закрытие. При закрытии каналов напряжение в кончиковой связке увеличивается, что приводит к смещению пучка в противоположном направлении. Нейротрансмиттером, выделяемым волосковыми клетками и стимулирующим терминальные нейриты периферических аксонов афферентных (направленных к мозгу) нейронов, считается глутамат. На пресинаптическом контакте присутствует отчетливое пресинаптическое плотное тело или лента. Это плотное тело окружено синаптическими везикулами и, как полагают, способствует быстрому высвобождению нейротрансмиттера. Иннервация нервных волокон значительно плотнее для внутренних волосковых клеток, чем для внешних. Одна внутренняя волосковая клетка иннервируется множеством нервных волокон, в то время как одно нервное волокно иннервирует множество внешних волосковых клеток. Нервные волокна внутренних волосковых клеток также обильно миелинизированы, в отличие от немиелинизированных нервных волокон внешних волосковых клеток. Область базилярной мембраны, обеспечивающая входные сигналы для конкретного афферентного нервного волокна, может рассматриваться как его рецептивное поле. Эфферентные проекции от мозга к кохлее также играют роль в восприятии звука. Эфферентные синапсы образуются на внешних волосковых клетках и на афферентных аксонах под внутренними волосковыми клетками. Пресинаптический терминальный бутон заполнен везикулами, содержащими ацетилхолин и нейропептид, называемый пептидом, связанным с геном кальцитонина. Эффекты этих соединений различны: в некоторых волосковых клетках ацетилхолин гиперполяризует клетку, что локально снижает чувствительность кохлеи.

Calcium ion influx plays an important role for the hair cells to adapt to the amplification of the signal. This allows humans to ignore constant sounds that are no longer new and allow us to be acute to other changes in our surrounding. The key adaptation mechanism comes from a motor protein myosin 1c that allows slow adaptation, provides tension to sensitize transduction channels, and also participate in signal transduction apparatus. More recent research now shows that the calcium sensitive binding of calmodulin to myosin 1c could actually modulate the interaction of the adaptation motor with other components of the transduction apparatus as well. Fast Adaptation: During fast adaptation, Ca2+ ions that enter a stereocilium through an open MET channel bind rapidly to a site on or near the channel and induce channel closure. When channels close, tension increases in the tip link, pulling the bundle in the opposite direction. The neurotransmitter released by hair cells that stimulates the terminal neurites of peripheral axons of the afferent (towards the brain) neurons is thought to be glutamate. At the presynaptic juncture, there is a distinct presynaptic dense body or ribbon. This dense body is surrounded by synaptic vesicles and is thought to aid in the fast release of neurotransmitter. Nerve fiber innervation is much denser for inner hair cells than for outer hair cells. A single inner hair cell is innervated by numerous nerve fibers, whereas a single nerve fiber innervates many outer hair cells. Inner hair cell nerve fibers are also very heavily myelinated, which is in contrast to the unmyelinated outer hair cell nerve fibers. The region of the basilar membrane supplying the inputs to a particular afferent nerve fibre can be considered to be its receptive field. Efferent projections from the brain to the cochlea also play a role in the perception of sound. Efferent synapses occur on outer hair cells and on afferent axons under inner hair cells. The presynaptic terminal bouton is filled with vesicles containing acetylcholine and a neuropeptide called calcitonin gene related peptide. The effects of these compounds vary; in some hair cells the acetylcholine hyperpolarizes the cell, which reduces the sensitivity of the cochlea locally.

Восстановление

Исследования, направленные на восстановление клеток кохлеы, могут привести к разработке методов лечения, восстанавливающих слух. В отличие от птиц и рыб, люди и другие млекопитающие, как правило, не способны к восстановлению клеток внутреннего уха, преобразующих звук в нервные сигналы, после их повреждения в результате старения или болезни. Исследователи добиваются прогресса в области генной терапии и терапии стволовыми клетками, которые могут позволить регенерировать поврежденные клетки. Поскольку волосковые клетки слуховой и вестибулярной систем у птиц и рыб обладают способностью к регенерации, их возможности были тщательно изучены. Кроме того, было показано, что волосковые клетки боковой линии, выполняющие функцию механотрансдукции, восстанавливаются в организмах, таких как данио рерио (рыба-зебра). Исследователи выявили ген млекопитающих, который обычно действует как молекулярный переключатель, блокирующий восстановление волосковых клеток кохлеы у взрослых. Ген Rb1 кодирует белок ретинобластому, являющийся супрессором опухолей. Rb останавливает деление клеток, стимулируя их выход из клеточного цикла. Не только волосковые клетки в культуре регенерируют при удалении гена Rb1, но и мыши, у которых отсутствует этот ген, развивают больше волосковых клеток, чем контрольные мыши, имеющие ген. Кроме того, было показано, что белок Sonic Hedgehog блокирует активность белка ретинобластомы, тем самым индуцируя повторный вход в клеточный цикл и восстановление роста новых клеток. Несколько ингибиторов сигнального пути Notch, включая ингибитор гамма-секретазы LY3056480, изучаются на предмет их потенциальной способности к регенерации волосковых клеток в кохлее. TBX2 (транскрипционный фактор T-box 2) был показан как главный регулятор дифференцировки внутренних и внешних волосковых клеток. Это открытие позволило исследователям направлять развитие волосковых клеток в внутренние или внешние, что может помочь в замене погибших клеток и предотвращении или обращении потери слуха. Ингибитор клеточного цикла p27kip1 (CDKN1B) также способствует восстановлению волосковых клеток кохлеы у мышей после генетической делеции или подавления с помощью siRNA, нацеленного на p27. Исследования регенерации волосковых клеток могут приблизить нас к клиническому лечению потери слуха у людей, вызванной повреждением или гибелью волосковых клеток.

Research on the regrowth of cochlear cells may lead to medical treatments that restore hearing. Unlike birds and fish, humans and other mammals are generally incapable of regrowing the cells of the inner ear that convert sound into neural signals when those cells are damaged by age or disease. Researchers are making progress in gene therapy and stem cell therapy that may allow the damaged cells to be regenerated. Because hair cells of auditory and vestibular systems in birds and fish have been found to regenerate, their ability has been studied at length. In addition, lateral line hair cells, which have a mechanotransduction function, have been shown to regrow in organisms, such as the zebrafish. Researchers have identified a mammalian gene that normally acts as a molecular switch to block the regrowth of cochlear hair cells in adults. The Rb1 gene encodes the retinoblastoma protein, which is a tumor suppressor. Rb stops cells from dividing by encouraging their exit from the cell cycle. Not only do hair cells in a culture dish regenerate when the Rb1 gene is deleted, but mice bred to be missing the gene grow more hair cells than control mice that have the gene. Additionally, the sonic hedgehog protein has been shown to block activity of the retinoblastoma protein, thereby inducing cell cycle re entry and the regrowth of new cells. Several Notch signaling pathway inhibitors, including the gamma secretase inhibitor LY3056480, are being studied for their potential ability to regenerate hair cells in the cochlea. TBX2 (T box transcription factor 2) has been shown to be a master regulator in the differentiation of inner and outer hair cells. This discovery has allowed researchers to direct hair cells to develop into either inner or outer hair cells, which could help in replacing hair cells that have died and prevent or reverse hearing loss. The cell cycle inhibitor p27kip1 (CDKN1B) has also been found to encourage regrowth of cochlear hair cells in mice following genetic deletion or knock down with siRNA targeting p27. Research on hair cell regeneration may bring us closer to clinical treatment for human hearing loss caused by hair cell damage or death.