Wzmacniacz ślimakowy
Wzmacniacz ślimakowy to mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego w ślimaku , który zapewnia ostrą wrażliwość w układzie słuchowym ssaków. Głównym elementem wzmacniacza ślimakowego jest zewnętrzna komórka włoskowata (OHC), która zwiększa selektywność amplitudy i częstotliwości drgań dźwiękowych za pomocą elektromechanicznego sprzężenia zwrotnego.
Odkrycie
Wzmacniacz ślimakowy został po raz pierwszy zaproponowany w 1948 roku przez Golda . Było to mniej więcej w czasie, gdy Georg von Békésy publikował artykuły, w których obserwował propagację pasywnych fal biegnących w martwym ślimaku .
Trzydzieści lat później Kemp zarejestrował pierwsze zapisy emisji z ucha. Było to potwierdzeniem obecności takiego aktywnego mechanizmu w uchu. Emisje te nazywane są obecnie emisjami otoakustycznymi i są wytwarzane przez wzmacniacz ślimakowy.
Pierwszą próbą modelowania mającą na celu zdefiniowanie wzmacniacza ślimakowego było proste rozszerzenie pasywnej fali wędrującej Georga von Békésy'ego za pomocą składnika aktywnego. W takim modelu zakłada się , że skośne ciśnienie wokół narządu Cortiego aktywnie dodaje się do pasywnej fali wędrującej, tworząc aktywną falę wędrującą. Wczesny przykład takiego modelu został zdefiniowany przez Neely'ego i Kima. Istnienie otoemisji akustycznych jest interpretowane jako sugerujące fale przemieszczające się do tyłu i do przodu generowane w ślimaku, jak zaproponowali Shera i Guinan.
Spór wciąż dotyczy istnienia i mechanizmu aktywnej fali wędrującej. Ostatnie eksperymenty pokazują, że emisje z ucha zachodzą z tak szybką reakcją, że wolno propagujące się aktywne fale biegnące nie mogą ich wyjaśnić. Ich wyjaśnieniem dla szybkiej propagacji emisji jest podwójna aktywna fala biegnąca, aktywna fala kompresji. Aktywne fale kompresji zostały zaproponowane już w 1980 roku przez Wilsona ze względu na starsze dane eksperymentalne. Przykładowy model aktywnej fali kompresji (fala ciśnienia) został zdefiniowany przez Flaxa i Holmesa.
Istnieją inne wyjaśnienia aktywnych procesów w uchu wewnętrznym.
Funkcjonować
Wpływ fal dźwiękowych na ślimak
W ślimaku ssaków wzmocnienie fali następuje poprzez zewnętrzne komórki rzęsate narządu Cortiego. Komórki te znajdują się bezpośrednio nad błoną podstawną (BM), która ma wysoką czułość na różnice częstotliwości. Fale dźwiękowe wchodzą do scala vestibuli ślimaka i przemieszczają się po nim, niosąc ze sobą różne częstotliwości dźwięku. Fale te wywierają nacisk na błonę podstawną i nakrywkową ślimaka, które wibrują w odpowiedzi na fale dźwiękowe o różnych częstotliwościach. Kiedy te membrany wibrują i są odchylane w górę (faza rozrzedzenia fali dźwiękowej), stereocilia OHC są odchylane w kierunku najwyższych stereocilii. To powoduje, że końcówki wiązek włosów OHC otwierają się, umożliwiając napływ Na + i K + , które depolaryzują OHC. Po depolaryzacji OHC może następnie rozpocząć proces wzmacniania poprzez siłę generowaną przez silniki komórek rzęsatych.
Silnik somatyczny
Motorem somatycznym jest ciało komórki OHC i jej zdolność do wydłużania się lub kurczenia wzdłużnego w wyniku zmian potencjału błonowego . Ta funkcja jest trafnie związana ze strukturą OHC w narządzie Cortiego. Jak widać na obrazach ze skaningowego mikroskopu elektronowego, wierzchołkowa strona OHC jest mechanicznie połączona z blaszką siatkowatą, podczas gdy podstawna strona OHC jest połączona z kopułą komórkową Deitera. Ponieważ ciało komórki nie styka się bezpośrednio z żadną strukturą i jest otoczone płynną przychłonką, OHC jest uważane za dynamiczne i zdolne do podtrzymywania elektromotoryki .
Prestin jest białkiem transbłonowym leżącym u podstaw zdolności OHC do wydłużania się i kurczenia, procesu niezbędnego dla elektromotoryki OHC. Białko to jest wrażliwe na napięcie. W przeciwieństwie do poprzednich badań wykazano również, że prestin transportuje aniony; dokładna rola transportu anionów w motorze somatycznym jest nadal badana.
Uważa się, że w warunkach spoczynku chlorek jest związany z miejscami allosterycznymi w prestynie. Po odchyleniu błony podstawnej (BM) w górę, a następnie odchyleniu wiązek włosów w kierunku najwyższych rzęsek, kanały w obrębie rzęsek otwierają się, umożliwiając napływ jonów i depolaryzację wyników OHC. Chlorek wewnątrzkomórkowy dysocjuje z allosterycznych miejsc wiązania w prestynie, powodując skurcz prestyny. Po odchyleniu BM w dół następuje hiperpolaryzacja OHC i wewnątrzkomórkowe jony chlorkowe wiążą się allosterycznie, powodując ekspansję prestyny. Wiązanie lub dysocjacja chlorków powoduje zmianę pojemności błony prestina. Powstaje nieliniowa pojemność (NLC), która prowadzi do indukowanego napięciem mechanicznego przemieszczenia prestyny do stanu wydłużonego lub skurczonego, jak opisano powyżej. Im większa nieliniowość napięcia, tym większa odpowiedź prestina; pokazuje to specyficzną dla stężenia wrażliwość napięciową prestyny.
Prestin gęsto wyściela dwuwarstwę lipidową zewnętrznych błon komórkowych włosów. Dlatego zmiana kształtu wielu białek prestyny, które mają tendencję do konglomerowania się, ostatecznie doprowadzi do zmiany kształtu OHC. Wydłużenie prestyny wydłuża komórkę słuchową, podczas gdy skurcz prestyny prowadzi do zmniejszenia długości OHC. Ponieważ OHC jest ściśle związany z blaszką siatkowatą i komórką Deitera, zmiana kształtu OHC prowadzi do ruchu tych górnych i dolnych błon, powodując zmiany w drganiach wykrywanych w przegrodzie ślimakowej. Po początkowym odchyleniu BM, powodując dodatnie odchylenie wiązek włosów, blaszka siatkowata jest popychana w dół, co powoduje ujemne odchylenie wiązek włosów. Powoduje to zamknięcie kanału stereocilia, co prowadzi do hiperpolaryzacji i wydłużenia OHC.
Pod wiązką włosów znajduje się bogata w aktynę płytka naskórkowa. Postawiono hipotezę, że rola depolimeryzacji aktyny jest kluczowa dla regulacji wzmacniacza ślimakowego. Po polimeryzacji aktyny zwiększa się amplituda elektromotoryczna i długość OHC. Te zmiany w polimeryzacji aktyny nie zmieniają NLC, co pokazuje, że rola aktyny we wzmacniaczu ślimakowym jest odrębna od roli prestyny.
Silnik wiązki włosów
Silnik wiązki włosów to siła generowana przez bodziec mechaniczny. Odbywa się to za pomocą kanału transdukcji mechanoelektrycznej (MET), który umożliwia przejście Na + , K + i Ca 2+ . Silnik wiązki włosów działa poprzez odchylanie wiązek włosów w kierunku dodatnim i zapewnia dodatnie sprzężenie zwrotne błony podstawnej, zwiększając ruch błony podstawnej, co zwiększa reakcję na sygnał. Dla tego silnika zaproponowano dwa mechanizmy: szybką adaptację lub ponowne zamknięcie kanału oraz powolną adaptację.
Szybka adaptacja
Model ten opiera się na gradiencie wapnia generowanym przez otwieranie i zamykanie kanału MET. Dodatnie ugięcie ogniw końcowych rozciąga je w kierunku najwyższych stereocilii, powodując otwarcie kanału MET. Pozwala to na przejście Na + , K + i Ca 2+ . Dodatkowo, Ca2 + krótko wiąże się z miejscem cytostolicznym na kanale MET, które, jak się szacuje, znajduje się zaledwie 5 nm od porów kanału. Ze względu na bliskość otworu kanału podejrzewa się, że powinowactwo wiązania Ca2 + może być stosunkowo niskie. Kiedy wapń wiąże się z tym miejscem, kanały MET zaczynają się zamykać. Zamknięcie kanału zatrzymuje prąd transdukcji i zwiększa napięcie w ogniwach końcówek, wypychając je z powrotem w ujemnym kierunku bodźca. Wiązanie wapnia jest krótkotrwałe, ponieważ kanał MET musi uczestniczyć w dodatkowych cyklach amplifikacji. Kiedy wapń dysocjuje z miejsca wiązania, poziom wapnia gwałtownie spada. Ze względu na różnice w stężeniu wapnia w cytostolicznym miejscu wiązania, gdy wapń jest związany z kanałem MET, w porównaniu z dysocjacją wapnia, powstaje gradient wapnia, generujący energię chemiczną. Oscylacja stężenia wapnia i generowanie siły przyczynia się do amplifikacji. Przebieg czasowy tego mechanizmu jest rzędu setek mikrosekund, co odzwierciedla szybkość niezbędną do wzmocnienia wysokich częstotliwości.
Powolna adaptacja
W przeciwieństwie do modelu szybkiej adaptacji, powolna adaptacja opiera się na silniku miozynowym , który zmienia sztywność ogniw końcowych, co prowadzi do zmian prądu w kanale. Najpierw stereocilia są odchylane w kierunku dodatnim, otwierając kanały MET i umożliwiając napływ Na + , K + i Ca 2+ . Prąd wejściowy najpierw wzrasta, a następnie szybko maleje z powodu zwolnienia przez miozynę napięcia łącznika końcówki i późniejszego zamknięcia kanałów. Przypuszcza się, że łącznik końcówki jest przymocowany do silnika miozyny, który porusza się wzdłuż aktynowych . Ponownie polimeryzacja aktyny może odgrywać kluczową rolę w tym mechanizmie, podobnie jak ma to miejsce w przypadku elektromotoryki OHC.
Wykazano również, że wapń odgrywa kluczową rolę w tym mechanizmie. Eksperymenty wykazały, że przy zmniejszonym wapniu pozakomórkowym silnik miozyny napina się, co powoduje bardziej otwarte kanały. Następnie, gdy otwierane są dodatkowe kanały, napływ wapnia rozluźnia silnik miozyny, który przywraca łączniki końcowe do stanu spoczynku, powodując zamknięcie kanałów. Przypuszcza się, że dzieje się to poprzez wiązanie wapnia z motorem miozyny. Przebieg czasowy tego zdarzenia wynosi 10-20 milisekund. Ta skala czasowa odzwierciedla czas potrzebny do wzmocnienia niskich częstotliwości. Chociaż największym czynnikiem przyczyniającym się do powolnej adaptacji jest zależność od napięcia, zależność od wapnia działa jako użyteczny mechanizm sprzężenia zwrotnego.
Ten mechanizm reakcji miozyny na odchylanie wiązki włosów nadaje wrażliwość na niewielkie zmiany położenia wiązki włosów.
Integracja elektromotoryki i dynamiki wiązek włosów
Elektroruchliwość OHC przez modulację prestyny wytwarza znacznie większe siły niż siły generowane przez ugięcie wiązki włosów. Jeden eksperyment wykazał, że silnik somatyczny wytwarzał 40-krotnie większą siłę na błonie wierzchołkowej i sześciokrotnie większą siłę na błonie podstawnej niż silnik wiązki włosów. Różnica w tych dwóch silnikach polega na tym, że dla każdego silnika istnieją różne polaryzacje odchylenia wiązki włosów. Silnik wiązki włosów wykorzystuje dodatnie odchylenie prowadzące do generowania siły, podczas gdy silnik somatyczny wykorzystuje odchylenie ujemne do generowania siły. Jednak zarówno silnik somatyczny, jak i silnik wiązki włosów powodują znaczne przemieszczenia błony podstawnej. To z kolei prowadzi do zwiększenia ruchu wiązki i wzmocnienia sygnału.
Siła mechaniczna generowana przez te mechanizmy zwiększa ruch błony podstawnej. To z kolei wpływa na odchylenie wiązek włosów wewnętrznych komórek rzęsatych. Komórki te stykają się z włóknami doprowadzającymi , które są odpowiedzialne za przekazywanie sygnałów do mózgu.