Кохлеарный усилитель - Cochlear amplifier

В кохлеарный усилитель это механизм положительной обратной связи внутри улитка что обеспечивает острую чувствительность слуховой системы млекопитающих.[1] Основным компонентом кохлеарного усилителя является внешняя волосковая клетка (OHC), который увеличивает амплитудную и частотную избирательность звуковых колебаний с помощью электромеханической обратной связи.[2][3][4]

Открытие

Кохлеарный усилитель был впервые предложен в 1948 г. Золото.[5] Это было примерно в то время, когда Георг фон Бекеси публиковал статьи, наблюдающие распространение пассивных бегущих волн в мертвых улитка.

Тридцать лет спустя Кемп сделал первые записи выбросов из уха.[6] Это было подтверждением наличия в ухе такого активного механизма. Эти выбросы теперь называют отоакустическая эмиссия и производятся тем, что мы называем кохлеарным усилителем.

Первой попыткой моделирования кохлеарного усилителя было простое увеличение Георг фон Бекеси Пассивная бегущая волна с активным компонентом. В такой модели однобокое давление на орган Корти выдвинута гипотеза, которая активно добавляет к пассивной бегущей волне, чтобы сформировать активную бегущую волну. Ранний пример такой модели был определен Нили и Ким.[7] Существование отоакустическая эмиссия интерпретируется как подразумевающая как обратные, так и прямые бегущие волны, генерируемые в улитке, как было предложено Шерой и Гинаном.[8]

Споры по-прежнему существуют вокруг существования и механизма активной бегущей волны. Недавние эксперименты показывают, что выбросы из уха происходят с такой быстрой реакцией, что медленно распространяющиеся активные бегущие волны не могут их объяснить.[9] Их объяснение быстрого распространения излучения - двойная активная бегущая волна, активная волна сжатия. Активные волны сжатия были предложены еще в 1980 году Вильсоном.[10] из-за более старых экспериментальных данных.

Существуют и другие объяснения активных процессов во внутреннем ухе.[11]

Функция

Влияние звуковых волн на улитку

В улитке млекопитающих усиление волн происходит через внешние волосковые клетки Кортиевского органа. Эти клетки расположены прямо над базилярная мембрана (BM), который имеет высокую чувствительность к разнице частот. Звуковые волны входят в вестибульную лестницу улитки и распространяются по ней, неся с собой различные звуковые частоты. Эти волны оказывают давление на базилярную и текториальную мембраны улитки, которые вибрируют в ответ на звуковые волны разных частот. Когда эти мембраны вибрируют и отклоняются вверх (фаза разрежения звуковой волны), стереоцилии OHC отклонены в сторону самых высоких стереоцилий. Это вызывает советы ссылки пучка волос OHC, чтобы открыть, позволяя притоку Na+ и K+ которые деполяризуют OHC. После деполяризации OHC может начать процесс усиления посредством положительной обратной связи.

Этот механизм положительной обратной связи достигается с помощью соматического двигателя и двигателя пучка волос, которые работают независимо друг от друга.

Соматический мотор

Соматический мотор - это тело клетки OHC и его способность удлиняться или сокращаться в продольном направлении из-за изменений мембранный потенциал. Эта функция удачно связана со структурой OHC в кортиевом органе. Как видно на снимках, сделанных с помощью сканирующей электронной микрофотографии, апикальная сторона OHC механически связана с ретикулярной пластиной, а базальная сторона OHC связана с купулой клеток Дейтера.[12] Поскольку тело клетки не находится в прямом контакте с какой-либо структурой и окружено жидкообразной перилимфой, OHC считается динамичным и способным поддерживать электромобильность.

Престин представляет собой трансмембранный белок, лежащий в основе способности OHC удлиняться и сокращаться, процесса, необходимого для электромобильности OHC. Этот белок чувствителен к напряжению. В отличие от предыдущих исследований, было показано, что престин переносит анионы; Точная роль транспорта анионов в соматическом двигателе все еще исследуется.[13]

Считается, что в условиях покоя хлорид связывается с аллостерическими участками в престине. При отклонении базилярная мембрана вверх и последующее отклонение пучков волос в сторону самых высоких стероцилий, каналы внутри стереоцилий открываются, обеспечивая приток ионов и деполяризацию результатов OHC. Внутриклеточный хлорид диссоциирует от аллостерических участков связывания в престине, вызывая сокращение prestin. При отклонении BM вниз происходит гиперполяризация OHC, и внутриклеточные ионы хлорида связываются аллостерически, вызывая экспансию престина.[14] Связывание или диссоциация хлорида вызывает сдвиг в емкости мембраны престина. А нелинейная емкость (NLC), что приводит к индуцированному напряжением механическому смещению prestin в удлиненное или сжатое состояние, как описано выше. Чем больше нелинейность напряжения, тем больше отклик prestin; это показывает чувствительность к напряжению prestin удельной концентрации.

Престин плотно выстилает липидный бислой наружных мембран волосковых клеток.[13][14] Следовательно, изменение формы многих белков prestin, которые имеют тенденцию к конгломерации вместе, в конечном итоге приведет к изменению формы OHC. Удлинение prestin удлиняет волосковую клетку, в то время как сокращение prestin приводит к уменьшению длины OHC.[14] Поскольку OHC тесно связан с ретикулярной пластиной и клеткой Дейтера, изменение формы OHC приводит к движению этих верхней и нижней мембран, вызывая изменения вибраций, обнаруживаемых в перегородке улитки. После первоначального отклонения BM, вызывающего положительное отклонение пучка волос, ретикулярная пластинка сдвигается вниз, что приводит к отрицательному отклонению пучков волос. Это вызывает закрытие каналов стереоцилий, что приводит к гиперполяризации и удлинению OHC.[15]

Под пучком волос находится кутикулярная пластинка, богатая актином.[12] Было высказано предположение, что роль деполимеризации актина является критической для регуляции кохлеарного усилителя. При полимеризации актина амплитуда электромотора и длина OHC увеличиваются.[1] Эти изменения в полимеризации актина не изменяют NLC, показывая, что роль актина в кохлеарном усилителе отличается от роли престина.

Мотор пучка волос

Двигатель пучка волос - это сила, создаваемая механическим стимулом. Это достигается за счет использования канала механоэлектрической трансдукции (МЭП), который позволяет пропускать Na+, К+, а Са2+.[16] Двигатель пучка волос работает, отклоняя пучки волос в положительном направлении и обеспечивая положительную обратную связь базилярной мембраны, увеличивая движение базилярной мембраны, что увеличивает ответ на сигнал. Для этого двигателя были предложены два механизма: быстрая адаптация или повторное закрытие канала и медленная адаптация.

Быстрая адаптация

Эта модель основана на градиенте кальция, создаваемом открытием и закрытием канала MET. Положительное отклонение концевых звеньев растягивает их в направлении самых высоких стереоцилий, вызывая открытие канала MET. Это позволяет прохождение Na+, К+, а Са2+.[17] Кроме того, Ca2+ кратковременно связывается с цитостолическим сайтом на канале МЕТ, который, по оценкам, находится всего в 5 нм от поры канала. Из-за непосредственной близости к открытию канала предполагается, что Ca2+ Аффинность связывания может быть относительно низкой. Когда кальций связывается с этим сайтом, каналы MET начинают закрываться. Закрытие канала прекращает ток трансдукции и увеличивает натяжение звеньев кончика, заставляя их возвращаться в отрицательном направлении стимула. Связывание кальция недолговечно, поскольку канал MET должен участвовать в дополнительных циклах амплификации. Когда кальций отделяется от места связывания, уровень кальция быстро падает. Из-за различий в концентрации кальция в цитостолическом сайте связывания, когда кальций связывается с МЕТ-каналом, и когда кальций диссоциирует, создается градиент кальция, генерирующий химическую энергию. Колебания концентрации кальция и генерации силы способствуют усилению.[17][18] Время действия этого механизма составляет порядка сотен микросекунд, что отражает скорость, необходимую для усиления высоких частот.

Медленная адаптация

В отличие от модели быстрой адаптации, медленная адаптация опирается на миозин двигатель, чтобы изменить жесткость звеньев наконечника, что приведет к изменению тока в канале. Во-первых, стереоцилии отклоняются в положительном направлении, открывая каналы MET и позволяя поступать Na+, К+, а Са2+. Входящий ток сначала увеличивается, а затем быстро уменьшается из-за снятия миозином напряжения концевого звена и последующего закрытия каналов.[19] Предполагается, что концевое звено прикреплено к двигателю миозина, который движется вдоль актин нити.[20] Опять же, полимеризация актина может играть решающую роль в этом механизме, как и в электромобильности OHC.

Также было показано, что кальций играет решающую роль в этом механизме. Эксперименты показали, что при пониженном содержании внеклеточного кальция мотор миозина сжимается, что приводит к увеличению количества открытых каналов. Затем, когда открываются дополнительные каналы, приток кальция расслабляет миозиновый двигатель, который возвращает концевые звенья в их состояние покоя, вызывая закрытие каналов.[19] Предполагается, что это происходит за счет связывания кальция с двигателем миозина. Продолжительность этого события 10-20 миллисекунд. Эта шкала времени отражает время, необходимое для усиления низких частот.[18] Хотя наибольший вклад в медленную адаптацию вносит зависимость от напряжения, зависимость от кальция действует как полезный механизм обратной связи.

Этот механизм реакции миозина на отклонение пучка волос придает чувствительность к небольшим изменениям положения пучка волос.

Интеграция электромобильности и динамики пучков волос

Электроподвижность OHC за счет модуляции prestin создает значительно большие силы, чем силы, возникающие при отклонении пучка волос. Один эксперимент показал, что соматический двигатель создает в 40 раз большую силу на апикальной мембране и в шесть раз большую силу на базилярной мембране, чем двигатель пучка волос. Разница между этими двумя двигателями заключается в том, что для каждого двигателя существует разная полярность отклонения пучка волос. Двигатель пучка волос использует положительное отклонение, приводящее к возникновению силы, в то время как соматический двигатель использует отрицательное отклонение для создания силы. Однако и соматический двигатель, и двигатель пучка волос производят значительные смещения базилярной мембраны. Это, в свою очередь, приводит к увеличению движения пучка и усилению сигнала.[15]

Механическая сила, создаваемая этими механизмами, увеличивает движение базилярной мембраны. Это, в свою очередь, влияет на отклонение пучков волос внутренних волосковых клеток. Эти клетки контактируют с афферентные волокна которые отвечают за передачу сигналов в мозг.

Рекомендации

  1. ^ а б Matsumoto, N .; Kitani, R .; Maricle, A .; Мюллер, М .; Калинец, Ф. (2010). «Ключевая роль деполимеризации актина в регуляции подвижности клеток наружного волоса улитки». Биофизический журнал. 99 (7): 2067–2076. Bibcode:2010BpJ .... 99.2067M. Дои:10.1016 / j.bpj.2010.08.015. ЧВК  3042570. PMID  20923640.
  2. ^ Эшмор, Джонатан Феликс (1987). «Быстрый подвижный ответ в наружных волосковых клетках морских свинок: клеточная основа кохлеарного усилителя». Журнал физиологии. 388 (1): 323–347. Дои:10.1113 / jphysiol.1987.sp016617. ISSN  1469-7793. ЧВК  1192551. PMID  3656195. открытый доступ
  3. ^ Эшмор, Джонатан (2008). «Подвижность наружных волосковых клеток улитки». Физиологические обзоры. 88 (1): 173–210. Дои:10.1152 / физрев.00044.2006. ISSN  0031-9333. PMID  18195086. S2CID  17722638. открытый доступ
  4. ^ Даллос, П. (1992). «Активная улитка». Журнал неврологии. 12 (12): 4575–4585. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.12-12-04575.1992. ЧВК  6575778. PMID  1464757.
  5. ^ Т. Голд 1948: Слух. II. Физическая основа действия улитки
  6. ^ Д. Т. Кемп 1978: Стимулированная акустическая эмиссия из слуховой системы человека
  7. ^ Нили, С. Т. и Ким, Д. О., 1986. Модель активных элементов в биомеханике улитки. Журнал акустического общества Америки, 79 (5), стр. 1472–1480.
  8. ^ Shera, C. A. и Guinan, J. J. Jr., 1999. Вызванная отоакустическая эмиссия возникает в результате двух принципиально разных механизмов: таксономии OAE млекопитающих. Журнал акустического общества Америки, 105 (2), стр. 782–798.
  9. ^ Рен Т., Хе В., Скотт М. и Наттолл А. Л., 2006. Групповая задержка акустической эмиссии в ухе. Журнал нейрофизиологии- 96 (5). - С. 2785–2791.
  10. ^ Wilson, J.P., 1980. Доказательства кохлеарного происхождения акустических переизлучений, пороговой тонкой структуры и тонального тиннитуса. Слуховые исследования, 2 (3–4), с. 233–252.
  11. ^ например: Белл, А. и Флетчер, Н. Х., 2004. Улитковый усилитель как стоячая волна: «брызгающие» волны между рядами наружных волосковых клеток ?. Журнал акустического общества Америки, 116 (2), с. 1016–1024.
  12. ^ а б Фроленков, Г. И. (2006). «Регулирование электродвижущей силы в наружной волосковой клетке улитки». Журнал физиологии. 576 (Пт 1): 43–48. Дои:10.1113 / jphysiol.2006.114975. ЧВК  1995623. PMID  16887876.
  13. ^ а б Bai, J. P .; Сургучев А .; Монтойя, С .; Aronson, P. S .; Santos-Sacchi, J .; Наваратнам, Д. (2009). «Возможности Престина по переносу анионов и измерению напряжения независимы». Биофизический журнал. 96 (8): 3179–3186. Bibcode:2009BpJ .... 96.3179B. Дои:10.1016 / j.bpj.2008.12.3948. ЧВК  2718310. PMID  19383462.
  14. ^ а б c Сантос-Сакки Дж. (1993). «Гармоники подвижности наружных волосковых клеток». Биофизический журнал. 65 (5): 2217–2227. Bibcode:1993BpJ .... 65.2217S. Дои:10.1016 / S0006-3495 (93) 81247-5. ЧВК  1225953. PMID  8298045.
  15. ^ а б Nam, J. H .; Феттиплейс, Р. (2010). "Передача силы в органе микромашины Корти". Биофизический журнал. 98 (12): 2813–2821. Bibcode:2010BpJ .... 98.2813N. Дои:10.1016 / j.bpj.2010.03.052. ЧВК  2884234. PMID  20550893.
  16. ^ Сул, Б .; Иваса, К. Х. (2009). «Эффективность подвижности пучков волос как кохлеарного усилителя». Биофизический журнал. 97 (10): 2653–2663. Bibcode:2009BpJ .... 97.2653S. Дои:10.1016 / j.bpj.2009.08.039. ЧВК  2776295. PMID  19917218.
  17. ^ а б Choe, Y .; Magnasco, M.O .; Хадспет, А. Дж. (1998). «Модель для усиления движения пучка волос путем циклического связывания Ca2 + с каналами механоэлектрической трансдукции». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 95 (26): 15321–15326. Bibcode:1998PNAS ... 9515321C. Дои:10.1073 / пнас.95.26.15321. ЧВК  28041. PMID  9860967.
  18. ^ а б Чан, Д. К .; Хадспет, А. Дж. (2005). «Нелинейное усиление под действием тока Са2 + в улитке млекопитающих in vitro». Природа Неврология. 8 (2): 149–155. Дои:10.1038 / nn1385. ЧВК  2151387. PMID  15643426.
  19. ^ а б Hacohen, N .; Асад, Дж. А .; Smith, W. J .; Кори, Д. П. (1989). «Регулирование напряжения каналов трансдукции волосковых клеток: смещение и кальциевая зависимость». Журнал неврологии. 9 (11): 3988–3997. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.09-11-03988.1989. ЧВК  6569946. PMID  2555460.
  20. ^ Howard, J .; Хадспет, А. Дж. (1987). «Механическое расслабление пучка волос опосредует адаптацию механоэлектрической трансдукции мешочковой волосковой клеткой лягушки-быка». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 84 (9): 3064–3068. Bibcode:1987PNAS ... 84.3064H. Дои:10.1073 / pnas.84.9.3064. ЧВК  304803. PMID  3495007.