stringtranslate.com

Волосковая клетка

Как звуки проникают от источника в ваш мозг

Волосковые клетки являются сенсорными рецепторами как слуховой системы , так и вестибулярной системы в ушах всех позвоночных , а также в органе боковой линии рыб. С помощью механотрансдукции волосковые клетки обнаруживают движение в окружающей среде. [1]

У млекопитающих слуховые волосковые клетки расположены в спиральном органе Корти на тонкой базилярной мембране в улитке внутреннего уха . Они получили свое название от пучков стереоцилий, называемых волосковыми пучками , которые выступают из апикальной поверхности клетки в заполненный жидкостью кохлеарный канал . Стереоцилии насчитывают от пятидесяти до ста в каждой клетке, при этом они плотно упакованы вместе [2] и уменьшаются в размере по мере удаления от киноцилии . [ 3]

Волосковые клетки улитки млекопитающих бывают двух анатомически и функционально различных типов, известных как внешние и внутренние волосковые клетки. Повреждение этих волосковых клеток приводит к снижению слуховой чувствительности , и поскольку волосковые клетки внутреннего уха не могут регенерироваться , это повреждение является постоянным. [4] Повреждение волосковых клеток может привести к повреждению вестибулярной системы и, следовательно, вызвать трудности в поддержании равновесия. Однако у других позвоночных, таких как часто изучаемые данио-рерио и птицы , есть волосковые клетки, которые могут регенерироваться. [5] [6] Улитка человека содержит порядка 3500 внутренних волосковых клеток и 12 000 внешних волосковых клеток при рождении. [7]

Внешние волосковые клетки механически усиливают звук низкого уровня, который входит в улитку . [8] [9] Усиление может быть вызвано движением их волосяных пучков или электрически управляемой подвижностью их клеточных тел. Эта так называемая соматическая электроподвижность усиливает звук у всех четвероногих . На нее влияет механизм закрытия механических сенсорных ионных каналов на кончиках волосяных пучков. [ необходима цитата ]

Внутренние волосковые клетки преобразуют звуковые колебания в жидкостях улитки в электрические сигналы, которые затем передаются через слуховой нерв в слуховой ствол мозга и в слуховую кору .

Внутренние волосковые клетки – от звука к нервному сигналу

Разрез через кортиев орган , показывающий внутренние и наружные волосковые клетки.

Отклонение стереоцилий волосковых клеток открывает механически управляемые ионные каналы , которые позволяют любым небольшим положительно заряженным ионам (в первую очередь калию и кальцию ) проникать в клетку. [10] В отличие от многих других электрически активных клеток, сама волосковая клетка не запускает потенциал действия . Вместо этого приток положительных ионов из эндолимфы в средней лестнице деполяризует клетку, что приводит к рецепторному потенциалу . Этот рецепторный потенциал открывает потенциалзависимые кальциевые каналы ; затем ионы кальция проникают в клетку и вызывают высвобождение нейротрансмиттеров на базальном конце клетки. Нейротрансмиттеры диффундируют через узкое пространство между волосковой клеткой и нервным окончанием, где они затем связываются с рецепторами и, таким образом, вызывают потенциалы действия в нерве. Таким образом, механический звуковой сигнал преобразуется в электрический нервный сигнал. Реполяризация волосковых клеток осуществляется особым образом. Перилимфа в барабанной лестнице имеет очень низкую концентрацию положительных ионов. Электрохимический градиент заставляет положительные ионы течь по каналам в перилимфу.

Волосковые клетки хронически пропускают Ca 2+ . Эта утечка вызывает тоническое высвобождение нейротрансмиттера в синапсы. Считается, что именно это тоническое высвобождение позволяет волосковым клеткам так быстро реагировать на механические стимулы. Быстрота реакции волосковых клеток может также быть связана с тем, что они могут увеличивать количество высвобождения нейротрансмиттера в ответ на изменение мембранного потенциала всего на 100 мкВ. [11]

Волосковые клетки также способны различать частоты тонов одним из двух методов. Первый метод, обнаруженный только у не млекопитающих, использует электрический резонанс в базолатеральной мембране волосковой клетки. Электрический резонанс для этого метода выглядит как затухающие колебания мембранного потенциала, реагирующие на приложенный импульс тока. Второй метод использует тонотопические различия базилярной мембраны. Это различие возникает из-за разного расположения волосковых клеток. Волосковые клетки, которые имеют высокочастотный резонанс, расположены на базальном конце, в то время как волосковые клетки, которые имеют значительно более низкочастотный резонанс, находятся на апикальном конце эпителия . [ 12]

Наружные волосковые клетки – акустические предварительные усилители

В наружных волосковых клетках млекопитающих изменяющийся рецепторный потенциал преобразуется в активные колебания тела клетки. Этот механический ответ на электрические сигналы называется соматической электроподвижностью; [13] он управляет изменениями длины клетки, синхронизированными с входящим звуковым сигналом, и обеспечивает механическое усиление посредством обратной связи с бегущей волной. [14]

Внешние волосковые клетки встречаются только у млекопитающих. Хотя слуховая чувствительность млекопитающих аналогична слуховой чувствительности других классов позвоночных, без функционирующих внешних волосковых клеток чувствительность снижается примерно на 50 дБ. [15] Внешние волосковые клетки расширяют диапазон слышимости до примерно 200 кГц у некоторых морских млекопитающих. [16] Они также улучшили частотную селективность (частотную дискриминацию), что особенно полезно для людей, поскольку позволяет им воспроизводить сложную речь и музыку. Внешние волосковые клетки функционируют даже после того, как клеточные запасы АТФ истощены. [13]

Эффект этой системы заключается в нелинейном усилении тихих звуков больше, чем громких, так что широкий диапазон звукового давления может быть сведен к гораздо меньшему диапазону смещений волос. [17] Это свойство усиления называется кохлеарным усилителем .

Молекулярная биология волосковых клеток достигла значительного прогресса в последние годы, с идентификацией моторного белка ( престина ), который лежит в основе соматической электроподвижности в наружных волосковых клетках. Было показано, что функция престина зависит от сигнализации хлоридного канала и что она нарушается распространенным морским пестицидом трибутилтином . Поскольку этот класс загрязняющих веществ биоконцентрируется вверх по пищевой цепи, эффект выражен у высших морских хищников, таких как косатки и зубатые киты . [18]

Адаптация сигнала волосковых клеток

Приток ионов кальция играет важную роль в адаптации волосковых клеток к усилению сигнала. Это позволяет людям игнорировать постоянные звуки, которые уже не являются новыми, и позволяет нам быть острыми к другим изменениям 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 сигнала. [19] [20] Более поздние исследования теперь показывают, что чувствительное к кальцию связывание кальмодулина с миозином-1c может фактически модулировать взаимодействие мотора адаптации с другими компонентами аппарата трансдукции. [21] [22]

Быстрая адаптация: Во время быстрой адаптации ионы Ca2 + , которые попадают в стереоцилию через открытый канал MET, быстро связываются с участком на канале или около него и вызывают закрытие канала. Когда каналы закрываются, напряжение в концевой связи увеличивается , тянув пучок в противоположном направлении. [19] Быстрая адаптация более выражена в волосковых клетках, обнаруживающих звук и слух, чем в вестибулярных клетках.

Медленная адаптация: доминирующая модель предполагает, что медленная адаптация происходит, когда миозин-1c скользит вниз по стереоцилии в ответ на повышенное натяжение во время смещения пучка. [19] Результирующее уменьшение натяжения в концевой связи позволяет пучку двигаться дальше в противоположном направлении. По мере уменьшения натяжения каналы закрываются, вызывая снижение тока трансдукции. [19] Медленная адаптация наиболее выражена в вестибулярных волосковых клетках, которые ощущают пространственное движение, и в меньшей степени в кохлеарных волосковых клетках, которые обнаруживают слуховые сигналы. [20]

Нейронная связь

Нейроны слухового или вестибулокохлеарного нерва (восьмой черепной нерв ) иннервируют кохлеарные и вестибулярные волосковые клетки. [23] Нейротрансмиттер, выделяемый волосковыми клетками, который стимулирует конечные отростки периферических аксонов афферентных (по направлению к мозгу) нейронов, как полагают, является глутаматом . В пресинаптическом соединении имеется отчетливое пресинаптическое плотное тело или лента . Это плотное тело окружено синаптическими пузырьками и, как полагают, способствует быстрому высвобождению нейротрансмиттера.

Иннервация нервных волокон гораздо плотнее для внутренних волосковых клеток, чем для наружных волосковых клеток. Одна внутренняя волосковая клетка иннервируется многочисленными нервными волокнами, тогда как одно нервное волокно иннервирует много наружных волосковых клеток. Нервные волокна внутренних волосковых клеток также очень сильно миелинизированы, что контрастирует с немиелинизированными нервными волокнами наружных волосковых клеток. Область базилярной мембраны, поставляющая входы к определенному афферентному нервному волокну, можно считать его рецептивным полем .

Эфферентные проекции от мозга к улитке 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, связанным с геном кальцитонина . Эффекты этих соединений различаются; в некоторых волосковых клетках ацетилхолин гиперполяризует клетку, что локально снижает чувствительность улитки.

Отрастание

Исследования по восстановлению клеток улитки могут привести к медицинским методам лечения, которые восстанавливают слух. В отличие от птиц и рыб, люди и другие млекопитающие, как правило, не способны восстановить клетки внутреннего уха, которые преобразуют звук в нервные сигналы, когда эти клетки повреждены возрастом или болезнью. [6] [24] Исследователи добиваются прогресса в генной терапии и терапии стволовыми клетками , которые могут позволить восстановить поврежденные клетки. Поскольку было обнаружено, что волосковые клетки слуховой и вестибулярной систем у птиц и рыб регенерируют, их способность была подробно изучена. [6] [25] Кроме того, было показано, что волосковые клетки боковой линии , которые имеют функцию механотрансдукции и встречаются у анамниот , восстанавливаются у таких видов, как данио-рерио . [26]

Исследователи идентифицировали ген млекопитающих, который обычно действует как молекулярный переключатель , блокируя повторный рост волосковых клеток улитки у взрослых. [27] Ген Rb1 кодирует белок ретинобластомы , который является супрессором опухолей . Rb останавливает деление клеток, способствуя их выходу из клеточного цикла. [28] [29] Волосковые клетки в культуральной чашке не только регенерируют, когда ген Rb1 удаляется, но и мыши, выведенные с отсутствием гена, вырастают больше волосковых клеток, чем контрольные мыши, у которых есть ген. Кроме того, было показано, что белок Sonic Hedgehog блокирует активность белка ретинобластомы , тем самым вызывая повторный вход в клеточный цикл и повторный рост новых клеток. [30]

Несколько ингибиторов сигнального пути Notch , включая ингибитор гамма-секретазы LY3056480, изучаются на предмет их потенциальной способности регенерировать волосковые клетки в улитке. [31] [32]

Было показано, что TBX2 (фактор транскрипции T-box 2) является главным регулятором дифференциации внутренних и внешних волосковых клеток. [33] Это открытие позволило исследователям направить волосковые клетки на развитие либо внутренних, либо внешних волосковых клеток, что может помочь в замене погибших волосковых клеток и предотвратить или обратить вспять потерю слуха. [34] [35]

Также было обнаружено, что ингибитор клеточного цикла p27kip1 ( CDKN1B ) стимулирует повторный рост волосковых клеток улитки у мышей после генетической делеции или подавления с помощью siRNA, нацеленной на p27. [36] [37] Исследования регенерации волосковых клеток могут приблизить нас к клиническому лечению потери слуха у человека , вызванной повреждением или гибелью волосковых клеток.

Смотрите также

Дополнительные изображения

Ссылки

  1. ^ Лампкин, Эллен А.; Маршалл, Кара Л.; Нельсон, Эйслин М. (2010). «Клеточная биология осязания». Журнал клеточной биологии . 191 (2): 237–248. doi :10.1083/jcb.201006074. PMC  2958478. PMID  20956378 .
  2. ^ Макферсон, Дуэйн (18 июня 2018 г.). «Сенсорные волосковые клетки: введение в структуру и физиологию». Интегративная и сравнительная биология . 58 (2): 282–300. doi :10.1093/icb/icy064. PMC 6104712. PMID  29917041. 
  3. ^ Шлоссер, Герхард (1 июня 2018 г.). «Краткая история почти каждого чувства – эволюционная история типов сенсорных клеток позвоночных». Интегративная и сравнительная биология . 58 (2): 301–316. doi : 10.1093/icb/icy024 . PMID  29741623.
  4. ^ Надоль, Джозеф Б. (1993). «Потеря слуха». New England Journal of Medicine . 329 (15): 1092–1102. doi :10.1056/nejm199310073291507. PMID  8371732.
  5. ^ Lush, Mark E.; Piotrowski, Tatjana (2013). «Регенерация сенсорных волосковых клеток в боковой линии данио-рерио». Developmental Dynamics . 243 (10): 1187–1202. doi :10.1002/dvdy.24167. PMC 4177345. PMID 25045019  . 
  6. ^ abc Cotanche, Douglas A. (1994). «Регенерация волосковых клеток в улитке уха птиц после повреждения шумом или ототоксичными препаратами». Анатомия и эмбриология . 189 (1): 1–18. doi :10.1007/bf00193125. PMID  8192233. S2CID  25619337.
  7. ^ Реми Пужоль, Режис Нувиан, Марк Ленуар, «Волосковые клетки (cochlea.eu)
  8. ^ Эшмор, Джонатан Феликс (1987). «Быстрая подвижная реакция наружных волосковых клеток морской свинки: клеточная основа усилителя улитки». Журнал физиологии . 388 (1): 323–347. doi :10.1113/jphysiol.1987.sp016617. ISSN  1469-7793. PMC 1192551. PMID 3656195  . 
  9. ^ Эшмор, Джонатан (2008). «Подвижность наружных волосковых клеток улитки». Physiological Reviews . 88 (1): 173–210. doi :10.1152/physrev.00044.2006. ISSN  0031-9333. PMID  18195086. S2CID  17722638.
  10. ^ Мюллер, У (октябрь 2008 г.). «Кадгерины и механотрансдукция волосковыми клетками». Current Opinion in Cell Biology . 20 (5): 557–566. doi :10.1016/j.ceb.2008.06.004. PMC 2692626. PMID 18619539  . 
  11. ^ Чан ДК, Хадспет АДЖ (февраль 2005 г.). «Нелинейное усиление, вызванное током Ca2+ улиткой млекопитающих in vitro». Nature Neuroscience . 8 (2): 149–155. doi :10.1038/nn1385. PMC 2151387 . PMID  15643426. 
  12. ^ Макферсон, Дуэйн Р. (01.08.2018). «Сенсорные волосковые клетки: введение в структуру и физиологию». Интегративная и сравнительная биология . 58 (2): 282–300. doi : 10.1093/icb/icy064 . ISSN  1540-7063. PMC 6104712. PMID 29917041  . 
  13. ^ ab Brownell WE, Bader CR, Bertrand D, de Ribaupierre Y (11.01.1985). "Вызванные механические реакции изолированных наружных волосковых клеток улитки". Science . 227 (4683): ​​194–196. Bibcode :1985Sci...227..194B. doi :10.1126/science.3966153. PMID  3966153.
  14. ^ Видеоклип, показывающий изолированную внешнюю волосковую клетку, движущуюся в ответ на электрическую стимуляцию, можно посмотреть здесь (physiol.ox.ac.uk). Архивировано 2012-03-07 на Wayback Machine
  15. ^ Géléoc GS, Holt JR (2003). «Усиление слуха: наружные волосковые клетки представляют проблему». Trends Neurosci . 26 (3): 115–117. doi :10.1016/S0166-2236(03)00030-4. PMC 2724262 . PMID  12591210. 
  16. ^ Wartzog D, Ketten DR (1999). "Сенсорные системы морских млекопитающих" (PDF) . В Reynolds J, Rommel S (ред.). Биология морских млекопитающих . Smithsonian Institution Press . стр. 132. S2CID  48867300. Архивировано из оригинала (PDF) 2018-09-19.
  17. ^ Хадспет А.Дж. (28.08.2008). «Попытка послушать: механическое усиление в ухе». Neuron . 59 (4): 530–545. doi :10.1016/j.neuron.2008.07.012. PMC 2724262 . PMID  18760690. 
  18. ^ Сантос-Сакки Джозеф; Сонг Лэй; Чжэн Цзефу; Наттолл Альфред Л. (2006-04-12). «Контроль кохлеарной амплификации с помощью хлоридных анионов». Журнал нейронауки . 26 (15): 3992–3998. doi :10.1523/JNEUROSCI.4548-05.2006. PMC 6673883. PMID  16611815 . 
  19. ^ abcd Gillespie, PG; Cyr, JL (2004). «Миозин-1c, двигатель адаптации волосковых клеток». Annual Review of Physiology . 66 : 521–545. doi : 10.1146/annurev.physiol.66.032102.112842. PMID  14977412.
  20. ^ ab Stauffer, EA; Holt, JR (2007). «Сенсорная трансдукция и адаптация во внутренних и внешних волосковых клетках слуховой системы мыши». Журнал нейрофизиологии . 98 (6): 3360–3369. doi :10.1152/jn.00914.2007. PMC 2647849. PMID  17942617 . 
  21. ^ Cyr, JL; Dumont, RA; Gillespie, PG (2002). «Миозин-1c взаимодействует с рецепторами волосковых клеток через свои домены IQ, связывающие кальмодулин». The Journal of Neuroscience . 22 (7): 2487–2495. doi :10.1523/JNEUROSCI.22-07-02487.2002. PMC 6758312 . PMID  11923413. 
  22. ^ Хаусли, Г. Д.; Эшмор, Дж. Ф. (1992). «Ионные токи наружных волосковых клеток, выделенных из улитки морской свинки». Журнал физиологии . 448 (1): 73–98. doi :10.1113/jphysiol.1992.sp019030. ISSN  1469-7793. PMC 1176188. PMID 1593487  . 
  23. ^ "Черепной нерв VIII. Вестибулокохлеарный нерв". Meddean . Университет Лойолы в Чикаго . Получено 2008-06-04 .
  24. ^ Edge AS, Chen ZY (2008). «Регенерация волосковых клеток». Current Opinion in Neurobiology . 18 (4): 377–382. doi :10.1016/j.conb.2008.10.001. PMC 5653255. PMID  18929656 . 
  25. ^ Lombarte A, Yan HY, Popper AN, Chang JS, Platt C (январь 1993 г.). «Повреждение и регенерация пучков ресничек волосковых клеток в ухе рыбы после обработки гентамицином». Hear. Res . 64 (2): 166–174. doi :10.1016/0378-5955(93)90002-i. PMID  8432687. S2CID  4766481.
  26. ^ Уитфилд, TT (2002). «Рыба данио-рерио как модель слуха и глухоты». Журнал нейробиологии . 53 (2): 157–171. doi : 10.1002/neu.10123 . PMID  12382273.
  27. ^ Хендерсон М. (15.01.2005). «Ген, который больше не может быть глух к старости». Times Online .
  28. ^ Sage, Cyrille; Huang, Mingqian; Vollrath, Melissa A.; Brown, M. Christian; Hinds, Philip W.; Corey, David P.; Vetter, Douglas E.; Zheng-Yi, Chen (2005). «Важная роль белка ретинобластомы в развитии волосковых клеток млекопитающих и слухе». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (19): 7345–7350. Bibcode : 2006PNAS..103.7345S. doi : 10.1073/pnas.0510631103 . PMC 1450112. PMID  16648263 . 
  29. ^ Рафаэль Y, Мартин DM (июль 2005 г.). «Глухота: отсутствие регуляции стимулирует рост волосковых клеток». Gene Ther . 12 (13): 1021–1022. doi : 10.1038/sj.gt.3302523 . PMID  19202631. S2CID  28974038.
  30. ^ Лу, На; Чэнь, Янь; Ван, Чжэнминь; Чэнь, Гуолин; Линь, Цинь; Чэнь, Чжэн-И; Ли, Хуавей (2013). «Sonic hedgehog инициирует регенерацию волосковых клеток улитки посредством снижения регуляции белка ретинобластомы». Biochemical and Biophysical Research Communications . 430 (2). Elsevier: 700–705. doi :10.1016/j.bbrc.2012.11.088. PMC 3579567. PMID  23211596 . 
  31. ^ Эрни, Сильвия Т.; Гилл, Джон К.; Палаферри, Карлотта; Фернандес, Габриэлла; Бури, Мишель; Лазаридес, Кэтрин; Гранджирар, Денис; Эдж, Альберт СБ; Лейб, Стивен Л.; Роччио, Марта (13 августа 2021 г.). «Генерация волосковых клеток в моделях кохлеарной культуры, опосредованная новыми ингибиторами γ-секретазы». Frontiers in Cell and Developmental Biology . 9. Frontiers Media SA: 710159. doi : 10.3389/fcell.2021.710159 . ISSN  2296-634X. PMC 8414802. PMID 34485296  . 
  32. ^ Самараджива, Аншула; Жак, Бонни Э.; Дабдуб, Ален (8 мая 2019 г.). «Терапевтический потенциал сигнализации Wnt и Notch и эпигенетическая регуляция в регенерации сенсорных волосковых клеток млекопитающих». Молекулярная терапия . 27 (5). Elsevier BV: 904–911. doi :10.1016/j.ymthe.2019.03.017. ISSN  1525-0016. PMC 6520458. PMID 30982678  . 
  33. ^ Гарсия-Аньоверос, Хайме; Клэнси, Джон К.; Фу, Чуан Чжи; Гарсиа-Гомес, Игнасио; Чжоу, Инцзе; Хомма, Казуаки; Читэм, Мэри Энн; Дагган, Энн (4 мая 2022 г.). «Tbx2 является главным регулятором дифференциации внутренних и внешних волосковых клеток». Природа . 605 (7909): 298–303. Бибкод : 2022Natur.605..298G. дои : 10.1038/s41586-022-04668-3. ISSN  1476-4687. ПМЦ 9803360 . ПМИД  35508658. 
  34. ^ Пол, Марла (2022-05-04). "Новый инструмент для создания слуховых клеток, утраченных при старении". Northwestern Medicine News Center . Получено 2022-05-11 .
  35. ^ Handsley-Davis, Matilda (2022-05-05). «Генетическое открытие может помочь ученым обратить вспять потерю слуха». Cosmos . Королевский институт Австралии . Получено 2022-05-11 .
  36. ^ Löwenheim H, Furness DN, Kil J, Zinn C, Gültig K, Fero ML, Frost D, Gummer AW, Roberts JM, Rubel EW, Hackney CM, Zenner HP (1999-03-30). «Нарушение гена p27(Kip1) обеспечивает пролиферацию клеток в постнатальном и взрослом органе кортиева». Proc Natl Acad Sci USA . 96 (7): 4084–4088. Bibcode :1999PNAS...96.4084L. doi : 10.1073/pnas.96.7.4084 . PMC 22424 . PMID  10097167. (основной источник)
  37. ^ Оно К, Накагава Т, Кодзима К, Мацумото М, Каваучи Т, Хошино М, Ито Дж (декабрь 2009 г.). «Заглушение p27 меняет постмитотическое состояние поддерживающих клеток в улитках новорожденных мышей» (PDF) . Mol Cell Neurosci . 42 (4): 391–398. doi :10.1016/j.mcn.2009.08.011. hdl : 2433/87734 . PMID  19733668. S2CID  206831997.

Библиография

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Волосковые клетки .