Восприятия звуков начинается с отлавливания звуковой энергии наружным ухом. Звук переносится в виде механической вибрации черех среднее ухо в прогрессивно уменьшающиеся структуры внутреннего уха, где она, наконец, вызывает осциллирующие силы в механически чувствительных ионных каналах волосковых клеток. Сенсорная трансдукция - процесс превращения физических стимулов в нервные сигналы - начинается, когда силы открывают и закрываеют эти каналы, за циклом цикл, делая возможным пульсирующее течение ионных токов в рецепторные клетки.

Panel A

Поперечный разрез через слуховой аппарат человека (image reproduced with permission from A. Greene and N. Kiang, Eaton-Peabody Laboratory, Massachusetts Eye & Ear Infirmary). Наружное ухо (the pinna) улавливает звук и передаёт его в слуховой канал, где он вызывает вибрацию барабанной перепонки (tympanic membrane). Барабанная перепонка передаёт вибрацию трём косточкам среднего уха: молоточка (прикреплен к барабанной перепонке), наковальни и стремени. Обратная сторона стремени управляет овальным окошечком, эластичной мембраной, отделяющей заполненное воздухом среднее ухо от жидкости внутри улитки. Косточки осуществляют impedance-matching функцию, превращая вибрацию воздуха высокой амплитуды и низкой силы в вибрацию низкой амплитуды и высокой силы в жидкости улитки.Внутреннее ухо представляет собой орган, состоящий из двух сенсорных систем: вестибулярного органа (saccule, utricle и трёх полукрцжных каналов) воспринимающих наклоны и движения головы, служа сенсорному балансу. Улитко-образная cochlea (с тремя спиральными оборотами у олюдей) воспринимает вибрацию звука и служит слуховому восприятию.

Panel B

Поперечный срез одного витка улитки. Каждый виток имеет три пространства с жидкостью, отличающейся ионным составом: если перилимфа в scala tympani и scala vestibuli (ST и SV) более всего похожа на нормальную внеклеточную жидкость, то эндолимфа в scala media (SM) имеет высокий уровень K⁺, низкий Na⁺ и нижкий Ca²⁺, т.е. состав сходный с внутриклеточной жидкостью, и постоянное напряжение около +80 mV. Базилярная мембрана, гибкая структура похожая на очень длинную drumhead, отделяет scala tympani от scala media. Овальное окошечко соединяется со scala vestibuli, так что фаза сжатия каждого цикла увеличивает давление в scala vestibuli и scala tympani, оказывая давление на базилярную мембрану. Фаза разряжения всё возвращает назад. Сидащий на базилярной мембране орган Corti соджержит сенсорные рецепторные клетки — одну внутреннюю волосковую клетку (IHC) и три наружных волосковых клетки (OHC) в каждом поперечном срезе — и соседние поддерживающие клетки. Соседние клетки секретируют tectorial membrane (MT), филаментозную внеклеточную структуру, которая располагается поверх органа Корти и касается верхушек волосковых клеток. [Reprinted with permission from the American Association for the Advancement for Science (Core and Garcia-Anoveros, 1996).]

Panel C

Микрофотография с помощью сканирующего микроскопа Кориевого органа с tectorial membrane (TM), отогнутой назад и разрезом, чтобы сделать видимыми клеточные тела (красным). И IH и ОH клетки обладают пучками cilia (пучками волосков), исходящими из апикальной поверхности [image reproduced with permission from Butterworths NexisLexis (Hunter-Duvar, 1984)

Panel D

Вибрация базилярной мембраны связана со стимуляцией волосковых клеток. Т.к. текториальная мембрана закреплена в месте, удаленном от инсерции базилярной мембраны, то то вызыванная звуком вибрация базилярной мембраны вызывает стригущие (shearing) движения между текториальной мембраной и органом Корти. Текториальная мембрана прикасается в первую очередь к кончикам стереоцилий, так что при upwards движении органа Корти образуется сдвиг (shear), который отклоняет стреоцилии вправо. М.б. и более сложные способы вибрации.

Panel E

SEM пучка волосков от 4-х наружных волосковых клеток (image reproduced with permission from B. Kachar, National Institute of Deafness and Other Communication Disorders, National Institutes of Health, Bethesda, MD). В зрелых волосковых клетках улитки млекопитающих все cilia являются стереоцилиями и имеют внутреннюю структуру из упорядоченных, поперечно связанных актиновых филамент, что делает стереоцилии негнущимися и прямыми. У всех позвоночных волосковые клетки увеличивают длину стереоцилий униформно от одного ряда к слеюущему. Однако средняя высота, толщина и форма пучков варьирует между оргнами и видами; как здесь видно наружные волосковые клетки млекопитающих имеют V- или W-образную форму пучков.

Panel F

SEM трёх пучков волосков из bullfrog saccule. Эти пучки волосков из вестибулярных пучков имеют циркулярное расположение стереоцилий, но снова обнаруживают лестнице-подобное увеличение в высоту. Общим для большинства волосковых клеток то, что они имеют одиночный kinocilium, соседствующий с с самой высокой стероцилией. Пучок слева — ориентирован противоположно по сравнению с тем, что наверху справа — показывает более извилистый kinocilium, который имеет внутреннюю структуру из микротрубочек, подобно тем, что имеются в подвижных cilia. Они заканчиваются утолщением в данном пучке, но имеют униформный диаметр в др. (Image reproduced with permission from J. Assad and D. Corey, Harvard Medical School, Boston, MA)

Panel G

SEM кончиков стереоцилий в saccular волосяных клетках [image reproduced with permission from Elsevier Science (Assad et al., 1991]. Расширение между кончиком каждого сереоциллиума и его более высоким соседом представлено тонкой внеклеточной филаментой, наз. верхушечной связкой (tip link), которая идет вдоль оси от короткого к боее длинному, но не бок-в-бок. Волосковые клетки отвечают физиологически на отклонения пучка вдоль этой оси (panel I), но не в боковые стороны. Химический разрыв верхушечных связей устраняет физиологическую реакцию, но чувствительность возвращается, когда верхушечные связи регенерируютс спустя 5-10 ч.

Panel H

Transmission электронная микрофотография двух стереоцилий и верхушечной связки между ними [Image reproduced with permission from Elsevier Science (Assad et al., 1991]. Верхушечные связки обычно ~150 nm в длину и 8-11 nm в толщину и выглядят в виде спирали из двух филамент. Внутриклеточная osmiophilic плотность присутствует между клеточной мембраной и ближайшими актиновыми филаментами ка каждом конце верхушечной связки. Плотный стержень актиновых филамент виден также и в этих стереоцилиях.

Panel I

Модель механической трансдукции [Image reproduced with permission from Science (Corey and Garcia-Anoveros, 1996]. Электрофизиологические записи показали, что отклонения пучков волосков открывают — в течение миллисекунд — трансдукционные каналы, которые располагаются вблизи кончиков стереоцилий. Скорость реакции указывает на то, что механические стимулы непосредственно передаются белкам ионных каналов. Благодаря лестнице-образной геометрии пучков такие изгибы имеют тенденцию натягивать верхушечные связки. Особенно привлекательной гипотезой трансдукции является та, согласно которой верхушечные связи соединены на каждом из концов с трансдукционными каналами в мембране стереоцилий. Они д.б. закреплены в свою очередь на актиновом цитоскелете, так что натяжение должно оказывать давление на белки каналов и тем самым способстовать конформационным изменениям, открывающим пору канала. Распремления, которые ослабляют натяжение верхушечных связей будут способствовать закрытию каналов. Пучки волосков в улитке осциллируют с частотой звука (при 100 kHz или более у некоторых животных), а скорость будет позволять каналам окрываться и закрываться с каждым циклеом звука. Механизм трансдукции также очень чувствителен: отклонение менее чем 1 nm м. служить порогом восприятия, a полностью границы чувствительности соостветствуют изгибу на 100-1000 nm или натяжению верхушечных связей в 10-100 nm. Молекулярная основа ни трансдукционных каналов, ни верхушечных связо неизвестна.

Panel J

Схема аппарата трансдукции с моторым комплексом [Image reproduced with permission from Elsevier (Gillespie and Corey, 1997]. Из-за незначительных статических отклонений пучки м. открывать или закрывать все трансдукционные каналы, делая волосковые клетки нечувствительными к небольшим вибрационным стимулам, волосковые клетки имеют также несколько механизмов регуляции или смещения open probability трансдукционных каналов. Одним из таких механизмов, по-видимому, является вовлечение кластера миозиновых молекул, которые прикрепляют каналы к актиновому стержню. Считается, что этот моторный комплекс на верхнем конце каждой верхушечной связки постоянно действует, чтобы взбираться на актин своей стероцилии. При некотором натяжении мотор скользит столь же быстро, как и взбирается и силы, останвливюащей движение, достаточно для удержания открытым канала 10-15% времени. Изгибание, которое увеличивает натяжение и открывает каналы (спава на panel I), вызывает также соскальзывание мотора в течение 10-100 миллисекунд, это позволяет каналами закрыться вновь и т.о. действует как адаптационный механизм. Уклонение влево, которое ослабляет натяжение и закрывает каналы позволяет мотору взбираться вверх и восстанавливать натяжение покоя.Моторный белок известен: это myosin-1c, небольшой миозин из семейства type I, который, по-видимому, регулируется путём связывания calcium-calmodulin в его шеечной области. Соединения с др. миозинами и каналами, показанные здесь, чисто спекулятивны.

Sensory transduction in the earDavid Corey (dcorey@hms.harvard.edu)J.Cell.Sci.V.116, No 1, 2003

Sensory transduction in the ear
David Corey (dcorey@hms.harvard.edu)
J.Cell.Sci.V.116, No 1, 2003