Волосковые клетки являются сенсорными рецепторами как слуховой , так и вестибулярной системы в ушах всех позвоночных животных , а также в органе боковой линии рыб. Посредством механотрансдукции волосковые клетки обнаруживают движение в окружающей среде. [1]
У млекопитающих слуховые волосковые клетки расположены внутри спирального кортиева органа на тонкой базилярной мембране улитки внутреннего уха . Свое название они получили от пучков стереоцилий , называемых пучками волос , которые выступают из апикальной поверхности клетки в заполненный жидкостью улитковый проток . Стереоцилии насчитывают от пятидесяти до ста в каждой клетке, при этом они плотно упакованы вместе [2] и уменьшаются в размерах по мере удаления от киноцилии . [3] Пучки волос устроены как жесткие колонны, которые движутся у основания в ответ на раздражители, приложенные к кончикам. [4]
Волосковые клетки улитки млекопитающих делятся на два анатомически и функционально различных типа: наружные и внутренние волосковые клетки. Повреждение этих волосковых клеток приводит к снижению слуховой чувствительности , а поскольку волосковые клетки внутреннего уха не могут регенерировать , это повреждение является постоянным. [5] Повреждение волосковых клеток может привести к повреждению вестибулярной системы и, следовательно, вызвать трудности с балансировкой. Однако у других организмов, таких как часто изучаемые рыбки данио и птицы , есть волосковые клетки, которые могут регенерировать. [6] [7] Улитка человека при рождении содержит порядка 3500 внутренних волосковых клеток и 12 000 наружных волосковых клеток. [8]
Наружные волосковые клетки механически усиливают звук низкого уровня, попадающий в улитку . [9] [10] Усиление может осуществляться за счет движения пучков волос или за счет электрической подвижности их клеточных тел. Эта так называемая соматическая электромобильность усиливает звук у всех наземных позвоночных. На это влияет механизм закрытия механических сенсорных ионных каналов на кончиках пучков волос. [ нужна цитата ]
Внутренние волосковые клетки преобразуют звуковые вибрации в жидкостях улитки в электрические сигналы, которые затем передаются через слуховой нерв в слуховой ствол мозга и в слуховую кору .
Отклонение стереоцилий волосковых клеток открывает механически закрытые ионные каналы , которые позволяют любым небольшим положительно заряженным ионам (в первую очередь калию и кальцию ) проникать в клетку. [11] В отличие от многих других электрически активных клеток, волосковая клетка сама по себе не генерирует потенциал действия . Вместо этого приток положительных ионов из эндолимфы в среднюю лестницу деполяризует клетку, что приводит к возникновению рецепторного потенциала . Этот рецепторный потенциал открывает потенциалзависимые кальциевые каналы ; ионы кальция затем проникают в клетку и вызывают высвобождение нейротрансмиттеров на базальном конце клетки. Нейромедиаторы диффундируют через узкое пространство между волосковой клеткой и нервным окончанием, где они затем связываются с рецепторами и, таким образом, запускают потенциалы действия в нерве. Таким образом механический звуковой сигнал преобразуется в электрический нервный сигнал. Реполяризация волосковых клеток осуществляется особым образом. Перилимфа барабанной лестницы имеет очень низкую концентрацию положительных ионов . Электрохимический градиент заставляет положительные ионы течь по каналам в перилимфу.
Волосковые клетки хронически теряют Ca 2+ . Эта утечка вызывает тонизирующее высвобождение нейромедиатора в синапсах. Считается, что именно этот тонизирующий эффект позволяет волосковым клеткам так быстро реагировать на механические раздражители. Быстрота реакции волосковых клеток также может быть связана с тем, что они могут увеличивать количество высвобождаемого нейротрансмиттера в ответ на изменение мембранного потенциала всего на 100 мкВ. [12]
Волосковые клетки также способны различать частоты тонов одним из двух методов. Первый метод, обнаруженный только у немлекопитающих, использует электрический резонанс в базолатеральной мембране волосковой клетки. Электрический резонанс в этом методе проявляется как затухающие колебания мембранного потенциала в ответ на приложенный импульс тока. Второй метод использует тонотопические различия базилярной мембраны. Эта разница возникает из-за разного расположения волосковых клеток. Волосковые клетки, обладающие высокочастотным резонансом, расположены на базальном конце, тогда как волосковые клетки, обладающие значительно более низким частотным резонансом, находятся на апикальном конце эпителия . [13]
В наружных волосковых клетках млекопитающих изменяющийся рецепторный потенциал преобразуется в активные вибрации тела клетки. Эта механическая реакция на электрические сигналы называется соматической электромобильностью; [14] он вызывает изменения длины ячейки, синхронизируется с входящим звуковым сигналом и обеспечивает механическое усиление за счет обратной связи с бегущей волной. [15]
Наружные волосковые клетки встречаются только у млекопитающих. Хотя слуховая чувствительность млекопитающих аналогична таковой у других классов позвоночных, без функционирующих наружных волосковых клеток чувствительность снижается примерно на 50 дБ. [16] Наружные волосковые клетки расширяют диапазон слуха примерно до 200 кГц у некоторых морских млекопитающих. [17] Они также улучшили частотную избирательность (частотную дискриминацию), что особенно полезно для людей, поскольку позволяет создавать сложные речи и музыку. Наружные волосковые клетки функционируют даже после того, как клеточные запасы АТФ истощены. [14]
Эффект этой системы заключается в нелинейном усилении тихих звуков в большей степени, чем громких, так что широкий диапазон звукового давления может быть уменьшен до гораздо меньшего диапазона смещения волос. [18] Это свойство усиления называется кохлеарным усилителем .
Молекулярная биология волосковых клеток в последние годы добилась значительного прогресса благодаря идентификации моторного белка ( престина ), который лежит в основе соматической электромобильности во внешних волосковых клетках. Было показано, что функция престина зависит от передачи сигналов хлоридных каналов и что она нарушается обычным морским пестицидом трибутилотином . Поскольку этот класс загрязнителей биоконцентрируется вверх по пищевой цепи, эффект выражен у высших морских хищников, таких как косатки и зубатые киты . [19]
Приток ионов кальция играет важную роль в адаптации волосковых клеток к усилению сигнала. Это позволяет людям игнорировать постоянные звуки, которые уже не новы, и позволяет нам остро реагировать на другие изменения в нашем окружении. Ключевой механизм адаптации исходит от моторного белка миозина-1c, который обеспечивает медленную адаптацию, обеспечивает напряжение для сенсибилизации каналов трансдукции, а также участвует в аппарате передачи сигналов. [20] [21] Более поздние исследования теперь показывают, что чувствительное к кальцию связывание кальмодулина с миозином-1c может фактически модулировать взаимодействие адаптационного мотора с другими компонентами аппарата трансдукции. [22] [23]
Быстрая адаптация: во время быстрой адаптации ионы Ca 2+ , которые попадают в стереоцилию через открытый MET-канал, быстро связываются с участком на канале или рядом с ним и вызывают закрытие канала. Когда каналы закрываются, напряжение в кончике звена увеличивается , тяня пучок в противоположном направлении. [20] Быстрая адаптация более заметна в волосковых клетках, распознающих звук и слух, а не в вестибулярных клетках.
Медленная адаптация: доминирующая модель предполагает, что медленная адаптация происходит, когда миозин-1c скользит вниз по стереоцилии в ответ на повышенное напряжение во время смещения пучка. [20] Результирующее снижение напряжения в наконечнике звена позволяет пучку двигаться дальше в противоположном направлении. Когда напряжение уменьшается, каналы закрываются, что приводит к снижению тока трансдукции. [20] Медленная адаптация наиболее заметна в вестибулярных волосковых клетках, которые чувствуют пространственное движение, и в меньшей степени в волосковых клетках улитки, которые обнаруживают слуховые сигналы. [21]
Нейроны слухового или вестибулокохлеарного нерва (восьмой черепной нерв ) иннервируют волосковые клетки улитки и вестибулярного нерва. [24] Нейромедиатором, высвобождаемым волосковыми клетками и стимулирующим концевые нейриты периферических аксонов афферентных ( по направлению к мозгу) нейронов, считается глутамат . В пресинаптическом соединении имеется отчетливое пресинаптическое плотное тело или лента . Это плотное тело окружено синаптическими пузырьками и, как полагают, способствует быстрому высвобождению нейромедиатора.
Иннервация нервных волокон внутренних волосковых клеток гораздо плотнее, чем наружных волосковых клеток. Одна внутренняя волосковая клетка иннервируется многочисленными нервными волокнами, тогда как одно нервное волокно иннервирует множество наружных волосковых клеток. Внутренние нервные волокна волосковых клеток также очень сильно миелинизированы, в отличие от немиелинизированных наружных нервных волокон волосковых клеток. Рецептивным полем можно считать участок базилярной мембраны, подающий входы к определенному афферентному нервному волокну .
Эфферентные проекции мозга на улитку также играют роль в восприятии звука. Эфферентные синапсы возникают на внешних волосковых клетках и на афферентных аксонах под внутренними волосковыми клетками. Пресинаптический терминальный бутон заполнен пузырьками, содержащими ацетилхолин и нейропептид, называемый пептидом, родственным гену кальцитонина . Эффекты этих соединений различаются; в некоторых волосковых клетках ацетилхолин гиперполяризует клетку, что локально снижает чувствительность улитки.
Исследования возобновления роста клеток улитки могут привести к разработке методов лечения, восстанавливающих слух. В отличие от птиц и рыб, люди и другие млекопитающие, как правило, не способны вырастить заново клетки внутреннего уха, преобразующие звук в нервные сигналы, когда эти клетки повреждены возрастом или болезнью. [7] [25] Исследователи добиваются прогресса в генной терапии и терапии стволовыми клетками , которые могут позволить регенерировать поврежденные клетки. Поскольку было обнаружено, что волосковые клетки слуховой и вестибулярной систем у птиц и рыб способны к регенерации, их способность изучалась длительное время. [7] [26] Кроме того, было показано, что волосковые клетки боковой линии , выполняющие функцию механотрансдукции , снова растут в таких организмах, как рыбки данио . [27]
Исследователи идентифицировали ген млекопитающих, который обычно действует как молекулярный переключатель , блокируя повторный рост волосковых клеток улитки у взрослых. [28] Ген Rb1 кодирует белок ретинобластомы , который является супрессором опухоли . Rb останавливает деление клеток, стимулируя их выход из клеточного цикла. [29] [30] Волосковые клетки в культуральной чашке не только регенерируют при удалении гена Rb1, но и у мышей, выведенных с отсутствием этого гена, вырастает больше волосковых клеток, чем у контрольных мышей, у которых есть этот ген. Кроме того, было показано, что белок sonic hedgehog блокирует активность белка ретинобластомы , тем самым индуцируя повторный вход в клеточный цикл и повторный рост новых клеток. [31]
Несколько ингибиторов сигнального пути Notch , включая ингибитор гамма-секретазы LY3056480, изучаются на предмет их потенциальной способности регенерировать волосковые клетки в улитке. [32] [33]
Было показано, что TBX2 (транскрипционный фактор 2 T-box) является главным регулятором дифференцировки внутренних и внешних волосковых клеток. [34] Это открытие позволило исследователям направить волосковые клетки на развитие во внутренние или внешние волосковые клетки, что может помочь заменить отмершие волосковые клетки и предотвратить или обратить вспять потерю слуха. [35] [36]
Также было обнаружено , что ингибитор клеточного цикла p27kip1 ( CDKN1B ) стимулирует повторный рост волосковых клеток улитки у мышей после генетической делеции или нокдауна с помощью siRNA, нацеленной на p27. [37] [38] Исследования регенерации волосковых клеток могут приблизить нас к клиническому лечению потери слуха у человека , вызванной повреждением или смертью волосковых клеток.