Кохлеарный усилитель
Улитковый усилитель представляет собой механизм положительной обратной связи внутри улитки , который обеспечивает острую чувствительность слуховой системы млекопитающих. [1] Основным компонентом кохлеарного усилителя является внешняя волосковая клетка (ВК), которая увеличивает амплитуду и частотную избирательность звуковых колебаний с помощью электромеханической обратной связи. [2] [3] [4]
Открытие
[ редактировать ]Кохлеарный усилитель был впервые предложен в 1948 году Голдом . [5] Это было примерно в то время, когда Георг фон Бекеши публиковал статьи, наблюдавшие за распространением пассивных бегущих волн в мертвой улитке .
Тридцать лет спустя первые записи выбросов из уха были сделаны Кемпом. [6] Это было подтверждением того, что такой активный механизм присутствует в ухе. Эти излучения теперь называются отоакустической эмиссией и производятся кохлеарным усилителем.
Первой попыткой моделирования для определения кохлеарного усилителя было простое дополнение пассивной бегущей волны Георга фон Бекеши активным компонентом. В такой модели предполагается одностороннее давление на кортиев орган , которое активно добавляется к пассивной бегущей волне, образуя активную бегущую волну. Ранний пример такой модели был определен Нили и Кимом. [7] Существование отоакустической эмиссии интерпретируется как подразумевающее как обратные, так и прямые бегущие волны, генерируемые в улитке, как предположили Шера и Гинан. [8]
Разногласия по-прежнему возникают вокруг существования и механизма активной бегущей волны. Недавние эксперименты [9] показывают, что выбросы из уха происходят с такой быстрой реакцией, что медленно распространяющиеся активные бегущие волны не могут их объяснить. Их объяснение быстрого распространения излучения — это двойная активная бегущая волна — активная волна сжатия. Активные волны сжатия были предложены Уилсоном еще в 1980 году. [10] из-за более старых экспериментальных данных. Пример модели активной волны сжатия (волны давления) определен Флаксом и Холмсом. [11]
Существуют и другие объяснения активных процессов во внутреннем ухе. [12]
Функция
[ редактировать ]Влияние звуковых волн на улитку
[ редактировать ]В улитке млекопитающих усиление волн происходит за счет наружных волосковых клеток кортиева органа. Эти клетки расположены непосредственно над базилярной мембраной (БМ), которая обладает высокой чувствительностью к различиям в частоте. Звуковые волны входят в лестницу преддверия 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 различной частоты. Когда эти мембраны вибрируют и отклоняются вверх ( фаза разрежения звуковой волны), стереоцилии НГК отклоняются в сторону самых высоких стереоцилий. Это приводит к тому, что кончики пучка волос OHC открываются, обеспечивая приток Na. + и К + которые деполяризуют OHC. После деполяризации OHC может начать процесс усиления за счет силы, создаваемой моторами волосковых клеток.
Соматический мотор
[ редактировать ]Соматический мотор — это тело клетки OHC и его способность удлиняться или сжиматься в продольном направлении из-за изменений мембранного потенциала . Эта функция удачно связана со структурой OHC внутри кортиева органа. Как видно на изображениях сканирующей электронной микрофотографии, апикальная сторона OHC механически соединена с ретикулярной пластинкой, а базальная сторона OHC соединена с купулой клеток Дейтера. [13] Поскольку тело клетки не находится в прямом контакте с какой-либо структурой и окружено жидкоподобной перилимфой, OHC считается динамичным и способным поддерживать электромобильность .
Престин — это трансмембранный белок, лежащий в основе способности OHC удлиняться и сжиматься, процесса, необходимого для электромобильности OHC. Этот белок чувствителен к напряжению. Вопреки предыдущим исследованиям было показано, что престин также транспортирует анионы; точная роль транспорта анионов в соматическом моторе все еще исследуется. [14]
Считается, что в условиях покоя хлорид связан с аллостерическими участками престина. При отклонении базилярной мембраны (BM) вверх и последующем отклонении пучков волос в сторону самых высоких стереоцилий каналы внутри стереоцилий открываются, обеспечивая приток ионов и деполяризуя результаты OHC. Внутриклеточный хлорид диссоциирует от аллостерических сайтов связывания престина, вызывая сокращение престина. При отклонении BM вниз возникает гиперполяризация OHC, и внутриклеточные ионы хлорида связываются аллостерически, вызывая расширение престина. [15] Связывание или диссоциация хлорида вызывает сдвиг емкости мембраны престина. В результате возникает нелинейная емкость (NLC), которая приводит к механическому смещению престина под действием напряжения в удлиненное или сжатое состояние, как описано выше. Чем больше нелинейность напряжения, тем сильнее отклик престина; это показывает специфичную для концентрации чувствительность престина к напряжению.
Престин плотно выстилает липидный бислой наружных мембран волосковых клеток. [14] [15] Следовательно, изменение формы многих белков-престинов, имеющих тенденцию к конгломерации вместе, в конечном итоге приведет к изменению формы OHC. Удлинение престина удлиняет волосковую клетку, тогда как сокращение престина приводит к уменьшению длины OHC. [15] Поскольку OHC тесно связан с ретикулярной пластинкой и клеткой Дейтера, изменение формы OHC приводит к движению этих верхних и нижних мембран, вызывая изменения вибраций, обнаруживаемых в перегородке улитки. При первоначальном отклонении BM, вызывающем положительное отклонение пучка волос, ретикулярная пластинка смещается вниз, что приводит к отрицательному отклонению пучков волос. Это вызывает закрытие канала стереоцилий, что приводит к гиперполяризации и удлинению OHC. [16]
Под пучком волос находится богатая актином кутикулярная пластинка. [13] Было высказано предположение, что роль деполимеризации актина имеет решающее значение для регуляции кохлеарного усилителя. При полимеризации актина амплитуда электродвижения и длина OHC увеличиваются. [1] Эти изменения в полимеризации актина не изменяют NLC, показывая, что роль актина в улитковом усилителе отличается от роли престина.
Мотор пучка волос
[ редактировать ]Двигатель пучка волос — это сила, создаваемая механическим раздражителем. Это достигается за счет использования канала механоэлектрической трансдукции (МЕТ), который обеспечивает прохождение Na. + , К + и Ка 2+ . [17] Двигатель пучков волос работает, отклоняя пучки волос в положительном направлении и обеспечивая положительную обратную связь базилярной мембраны, увеличивая движение базилярной мембраны, что увеличивает реакцию на сигнал. Для этого мотора были предложены два механизма: быстрая адаптация или повторное закрытие канала и медленная адаптация.
Быстрая адаптация
[ редактировать ]Эта модель основана на градиенте кальция, создаваемом открытием и закрытием канала МЕТ. Положительное отклонение кончиковых звеньев растягивает их в направлении самых высоких стереоцилий, вызывая открытие МЕТ-канала. Это позволяет проходить Na + , К + и Ка 2+ . [18] Кроме того, Са 2+ на короткое время связывается с цитостолическим участком канала МЕТ, который, по оценкам, находится всего в 5 нм от поры канала. Из-за непосредственной близости к отверстию канала предполагается, что Ca 2+ аффинность связывания может быть относительно низкой. Когда кальций связывается с этим сайтом, каналы МЕТ начинают закрываться. Закрытие канала прекращает ток трансдукции и увеличивает напряжение в кончиковых звеньях, заставляя их вернуться в отрицательное направление стимула. Связывание кальция кратковременно, поскольку канал МЕТ должен участвовать в дополнительных циклах амплификации. Когда кальций диссоциирует из места связывания, уровень кальция быстро падает. Из-за различий в концентрации кальция в цитостолическом сайте связывания, когда кальций связан с каналом МЕТ, и когда кальций диссоциирует, создается градиент кальция, генерирующий химическую энергию. Колебания концентрации кальция и генерации силы способствуют усилению. [18] [19] Время работы этого механизма составляет порядка сотен микросекунд, что отражает скорость, необходимую для усиления высоких частот.
Медленная адаптация
[ редактировать ]В отличие от модели быстрой адаптации, медленная адаптация основана на том, что миозиновый двигатель изменяет жесткость кончиковых связей, что приводит к изменениям тока в канале. Во-первых, стереоцилии отклоняются в положительном направлении, открывая каналы МЕТ и обеспечивая приток Na. + , К + и Ка 2+ . Входящий ток сначала увеличивается, а затем быстро уменьшается за счет снятия миозином напряжения верхушечного звена и последующего закрытия каналов. [20] Предполагается, что кончиковое звено прикреплено к миозиновому мотору, который движется по актиновым нитям. [21] Опять же, полимеризация актина может играть решающую роль в этом механизме, как и в электроподвижности OHC.
Также было показано, что кальций играет решающую роль в этом механизме. Эксперименты показали, что при снижении внеклеточного кальция мотор миозина напрягается, что приводит к увеличению количества открытых каналов. Затем, когда открываются дополнительные каналы, приток кальция расслабляет миозиновый двигатель, который возвращает верхушечные звенья в состояние покоя, вызывая закрытие каналов. [20] Предполагается, что это происходит за счет связывания кальция с миозиновым мотором. Время этого события составляет 10-20 миллисекунд. Эта временная шкала отражает время, необходимое для усиления низких частот. [19] 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 электроподвижности и динамики волосяных пучков
[ редактировать ]Электромобильность OHC за счет престиновой модуляции создает значительно большие силы, чем силы, возникающие при отклонении пучка волос. Один эксперимент показал, что соматический двигатель производит в 40 раз большую силу на апикальную мембрану и в шесть раз большую силу на базилярную мембрану, чем двигатель пучка волос. Разница между этими двумя моторами заключается в том, что у каждого мотора имеется разная полярность отклонения пучка волос. Двигатель пучка волос использует положительное отклонение, приводящее к созданию силы, тогда как соматический двигатель использует отрицательное отклонение для создания силы. Однако как соматический мотор, так и мотор пучка волос вызывают значительные смещения базилярной мембраны. Это, в свою очередь, приводит к усилению движения пучка и усилению сигнала. [16]
Механическая сила, создаваемая этими механизмами, увеличивает движение базилярной мембраны. Это, в свою очередь, влияет на отклонение волосяных пучков внутренних волосковых клеток. Эти клетки контактируют с афферентными волокнами , которые отвечают за передачу сигналов в мозг.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Мацумото, Н.; Китани, Р.; Марикл, А.; Мюллер, М.; Калинец, Ф. (2010). «Основная роль деполимеризации актина в регуляции подвижности наружных волосковых клеток улитки» . Биофизический журнал . 99 (7): 2067–2076. Бибкод : 2010BpJ....99.2067M . дои : 10.1016/j.bpj.2010.08.015 . ПМК 3042570 . ПМИД 20923640 .
- ^ Эшмор, Джонатан Феликс (1987). «Быстрая подвижная реакция в наружных волосковых клетках морской свинки: клеточная основа улиткового усилителя» . Журнал физиологии . 388 (1): 323–347. doi : 10.1113/jphysicalol.1987.sp016617 . ISSN 1469-7793 . ПМЦ 1192551 . ПМИД 3656195 .
- ^ Эшмор, Джонатан (2008). «Подвижность наружных волосковых клеток улитки». Физиологические обзоры . 88 (1): 173–210. doi : 10.1152/physrev.00044.2006 . ISSN 0031-9333 . ПМИД 18195086 . S2CID 17722638 .
- ^ Даллос, П. (1992). «Активная улитка» . Журнал неврологии . 12 (12): 4575–4585. doi : 10.1523/JNEUROSCI.12-12-04575.1992 . ПМК 6575778 . ПМИД 1464757 .
- ^ Т. Голд 1948: Слух. II. Физическая основа действия улитки
- ^ DT Kemp 1978: Стимулированная акустическая эмиссия изнутри слуховой системы человека.
- ^ Нили, С.Т. и Ким, Д.О., 1986. Модель активных элементов в биомеханике улитки. Журнал Акустического общества Америки , 79 (5), стр. 1472–1480.
- ^ Шера, Калифорния и Гинан, Джей-Джей-младший, 1999. Вызванная отоакустическая эмиссия возникает по двум принципиально различным механизмам: таксономия ОАЭ у млекопитающих. Журнал Акустического общества Америки , 105 (2), стр. 782–798.
- ^ Рен, Т., Хе, В., Скотт, М. и Наттолл, А.Л., 2006. Групповая задержка акустической эмиссии в ухе. Журнал нейрофизиологии , 96 (5), стр. 2785–2791.
- ^ Wilson, JP, 1980. Доказательства кохлеарного происхождения акустических повторных излучений, пороговой тонкой структуры и тонального шума в ушах. Исследования слуха , 2 (3–4), стр. 233–252.
- ^ Флакс, MR, и Холмс, WH (ноябрь 2011 г.). Кохлеарный усилитель смешанного режима, включающий нейронную обратную связь. В материалах конференции AIP (том 1403, № 1, стр. 611-617). Американский институт физики.
- ^ например: Белл, А. и Флетчер, Н.Х., 2004. Улитковый усилитель как стоячая волна: «брызги» волн между рядами внешних волосковых клеток? Журнал Акустического общества Америки , 116 (2), стр. 1016–1024.
- ^ Перейти обратно: а б Фроленков, Г.И. (2006). «Регуляция электромобильности в наружных волосковых клетках улитки» . Журнал физиологии . 576 (Часть 1): 43–48. дои : 10.1113/jphysicalol.2006.114975 . ЧВК 1995623 . ПМИД 16887876 .
- ^ Перейти обратно: а б Бай, Япония; Сургучев А.; Монтойя, С.; Аронсон, PS; Сантос-Сакки, Дж.; Наваратнам, Д. (2009). «Способности Престина к транспорту анионов и чувствительности к напряжению независимы» . Биофизический журнал . 96 (8): 3179–3186. Бибкод : 2009BpJ....96.3179B . дои : 10.1016/j.bpj.2008.12.3948 . ПМК 2718310 . ПМИД 19383462 .
- ^ Перейти обратно: а б с Сантос-Сакки, Дж. (1993). «Гармоники подвижности наружных волосковых клеток» . Биофизический журнал . 65 (5): 2217–2227. Бибкод : 1993BpJ....65.2217S . дои : 10.1016/S0006-3495(93)81247-5 . ПМЦ 1225953 . ПМИД 8298045 .
- ^ Перейти обратно: а б Нам, Дж. Х.; Феттиплейс, Р. (2010). «Передача силы в кортиевом органе микромашины» . Биофизический журнал . 98 (12): 2813–2821. Бибкод : 2010BpJ....98.2813N . дои : 10.1016/j.bpj.2010.03.052 . ПМЦ 2884234 . ПМИД 20550893 .
- ^ Сул, Б.; Иваса, К.Х. (2009). «Эффективность подвижности пучков волос как усилителя улитки» . Биофизический журнал . 97 (10): 2653–2663. Бибкод : 2009BpJ....97.2653S . дои : 10.1016/j.bpj.2009.08.039 . ПМК 2776295 . ПМИД 19917218 .
- ^ Перейти обратно: а б Чой, Ю.; Маньяско, Миссури; Хадспет, Эй Джей (1998). «Модель усиления движения пучков волос за счет циклического связывания Ca2+ с каналами механоэлектрической трансдукции» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (26): 15321–15326. Бибкод : 1998PNAS...9515321C . дои : 10.1073/pnas.95.26.15321 . ПМК 28041 . ПМИД 9860967 .
- ^ Перейти обратно: а б Чан, ДК; Хадспет, Эй Джей (2005). «Нелинейная амплификация улитки млекопитающих, управляемая током Ca2+ in vitro» . Природная неврология . 8 (2): 149–155. дои : 10.1038/nn1385 . ПМК 2151387 . ПМИД 15643426 .
- ^ Перейти обратно: а б Хакоэн, Н.; Асад, Дж.А.; Смит, У.Дж.; Кори, ДП (1989). «Регуляция напряжения в каналах трансдукции волосковых клеток: смещение и зависимость от кальция» . Журнал неврологии . 9 (11): 3988–3997. doi : 10.1523/JNEUROSCI.09-11-03988.1989 . ПМК 6569946 . ПМИД 2555460 .
- ^ Ховард, Дж.; Хадспет, Эй Джей (1987). «Механическое расслабление пучка волос опосредует адаптацию при механоэлектрической трансдукции мешотчатой волосковой клетки лягушки-быка» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 84 (9): 3064–3068. Бибкод : 1987PNAS...84.3064H . дои : 10.1073/pnas.84.9.3064 . ПМК 304803 . ПМИД 3495007 .
