蝸牛増幅器

蝸牛増幅器は、哺乳類の聴覚系に鋭敏な感度を提供する蝸牛内の正のフィードバック機構である。 [ 1 ]蝸牛増幅器の主要構成要素は外有毛細胞（OHC）であり、電気機械的フィードバックを用いて音の振動の振幅と周波数選択性を高める。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

発見

蝸牛増幅器は1948年にゴールドによって初めて提案されました。[ 5 ]これはゲオルク・フォン・ベケシーが死んだ蝸牛における受動進行波の伝播を観察した論文を発表した頃でした。

30年後、ケンプは耳からの放射音の最初の録音に成功しました。[ 6 ]これは、耳にそのような能動的なメカニズムが存在することを証明するものでした。これらの放射音は現在、耳音響放射と呼ばれ、蝸牛増幅器によって生成されます。

蝸牛増幅器を定義するための最初のモデル化は、ゲオルク・フォン・ベケシーの受動進行波に能動要素を単純に付加するものでした。このモデルでは、コルチ器官周辺の不均一な圧力が受動進行波に能動的に加わり、能動進行波を形成すると仮定されています。このようなモデルの初期の例は、ニーリーとキムによって定義されました。[ 7 ]耳音響放射の存在は、シェラとギナンによって提唱されたように、蝸牛内で前方進行波だけでなく後方進行波も生成されることを示唆していると解釈されています。[ 8 ]

アクティブ進行波の存在とそのメカニズムについては、依然として論争が続いています。2006年の実験研究[ 9 ]では、耳からの放射は非常に高速な応答で発生するため、ゆっくりと伝播するアクティブ進行波では説明できないことが示されています。この高速放射伝播の説明は、アクティブ進行波の双対であるアクティブ圧縮波によって行われます。アクティブ圧縮波は、古い実験データに基づいて、1980年にウィルソン[ 10 ]によって提唱されました。アクティブ圧縮波（圧力波）のモデル例は、2011年にフラックスとホームズによって定義されています[ 11 ]。

内耳における能動的なプロセスについては他の理論も存在する。[ 12 ]

関数

音波が蝸牛に与える影響

哺乳類の蝸牛では、音波の増幅は外有毛細胞（OHC）によって起こる。これらの細胞は、周波数の違いに非常に敏感な構造である基底膜（BM）の真上、蓋膜（TM）の真下に位置する。音波が前庭階に入り、そこを通過すると、BM と TM の両方に圧力がかかり、異なる周波数の音波に反応して振動する。これらの膜が振動して上方に偏向すると（音波の希薄化段階）、 OHC の不動毛は最も高い不動毛の方向に偏向する。これにより、 OHC の毛束の先端リンクが開き、Na +イオンと K +イオンが流入して OHC が脱分極する。脱分極すると、OHC は有毛細胞モーターによって生成された力を通じて増幅プロセスを開始できる。

体性運動

体性モーターはOHC細胞体と、膜電位の変化に応じて縦方向に伸縮する能力である。この機能は、コルチ器内のOHC構造と密接に関連している。走査型電子顕微鏡写真で見ると、OHCの頂端側は網状板に機械的に結合しており、基底側はデイター細胞クプラに結合している。[ 13 ]細胞体はいかなる構造とも直接接触しておらず、液体状の外リンパに囲まれているため、OHCは動的であり、電気運動をサポートできると考えられている。

プレスチンは、OHCの伸長と収縮の能力を支える膜貫通タンパク質であり、OHCの電気運動に不可欠なプロセスです。このタンパク質は電圧感受性です。これまでの研究とは異なり、プレスチンは陰イオン輸送も行うことが示されています。体細胞モーターにおける陰イオン輸送の正確な役割は、現在も研究中です。[ 14 ]

安静状態では、塩化物はプレスチンのアロステリック部位に結合していると考えられている。基底膜（BM）が上方に撓み、続いて毛束が最も高い不動毛の方へ撓むと、不動毛内のチャネルが開き、イオンが流入してOHCの脱分極が生じる。細胞内塩化物はプレスチンのアロステリック結合部位から解離し、プレスチンの収縮を引き起こす。BMが下方に撓むとOHCの過分極​​が生じ、細胞内塩化物イオンがアロステリックに結合してプレスチンの膨張を引き起こす。[ 15 ]塩化物の結合または解離は、プレスチンの膜容量の変化を引き起こす。非線形容量（NLC）が生じ、これが前述のように電圧誘導によるプレスチンの機械的変位を伸長または収縮状態に導く。電圧非線形性が大きいほど、プレスチンの応答は大きくなり、これはプレスチンの濃度特異的な電圧感受性を示している。

プレスチンは外耳道の有毛細胞膜の脂質二重層を密に覆っている。 [ 14 ] [ 15 ]そのため、凝集しやすい多くのプレスチンタンパク質の形状変化は、最終的に外耳道上皮細胞（OHC）の形状変化につながる。プレスチンが長くなると有毛細胞は長くなり、プレスチンが収縮するとOHCの長さは減少する。[ 15 ] OHCは網様板およびデイター細胞と密接に関連しているため、OHCの形状変化はこれらの上部膜および下部膜の移動につながり、蝸牛仕切りで検出される振動の変化を引き起こす。外耳道上皮細胞（BM）の最初の偏向によって毛束が正に偏向すると、網様板が下方に押し下げられ、毛束が負に偏向する。これによりステレオシリアチャネルが閉じ、過分極およびOHCの伸長につながる。[ 16 ]

毛束の下にはアクチンを豊富に含むクチクラ板がある。[ 13 ]アクチンの脱重合は蝸牛増幅器の制御に不可欠であるという仮説が立てられている。アクチンが重合すると、電気運動の振幅とOHC長が増加する。[ 1 ]アクチン重合におけるこれらの変化はNLCを変化させないことから、蝸牛増幅器におけるアクチンの役割はプレスチンの役割とは別であることが示唆される。

毛束モーター

毛束モーターは、機械的刺激によって発生する力です。これは、Na +、K +、Ca 2+の通過を可能にする機械電気変換（MET）チャネルを介して行われます。[ 17 ]毛束モーターは、毛束を正方向に偏向させ、基底膜に正のフィードバックを与えることで作動します。これにより、基底膜の動きが増加し、信号への応答が増加します。このモーターには、高速適応（チャネル再閉鎖）と低速適応の2つのメカニズムが提唱されています。

素早い適応

このモデルは、METチャネルの開閉によって生成されるカルシウム勾配を利用しています。先端リンクが正に偏向すると、最も高い不動毛の方向に伸ばされ、METチャネルが開きます。これにより、Na +、K +、Ca 2+が通過できます。[ 18 ]さらに、Ca 2+ は、チャネル孔からわずか5 nmと推定されるMETチャネルの細胞質部位に短時間結合します。チャネル開口部に近接しているため、Ca 2+結合親和性が比較的低いと考えられています。カルシウムがこの部位に結合すると、METチャネルは閉じ始めます。チャネルが閉じると、変換電流が停止し、先端リンクの張力が増加して、刺激の負の方向に戻されます。METチャネルは追加の増幅サイクルに参加する必要があるため、カルシウムの結合は短命です。カルシウムが結合部位から解離すると、カルシウムレベルは急速に低下します。カルシウムがMETチャネルに結合する際と解離する際に、細胞質結合部位におけるカルシウム濃度の差によりカルシウム勾配が形成され、化学エネルギーが発生します。カルシウム濃度と力の発生の振動が増幅に寄与します。[ 18 ] [ 19 ]このメカニズムの時間経過は数百マイクロ秒オーダーであり、これは高周波増幅に必要な速度を反映しています。

ゆっくりとした適応

高速適応モデルとは対照的に、低速適応はミオシンモーターによって先端リンクの剛性を変化させ、チャネル電流の変化をもたらす。まず、ステレオシリアが正の方向に偏向してMETチャネルを開き、Na +、K +、Ca 2+の流入を可能にする。流入電流はまず増加するが、ミオシンが先端リンクの張力を解放し、続いてチャネルが閉じるため、急速に減少する。[ 20 ]先端リンクはアクチンフィラメントに沿って移動するミオシンモーターに付着しているという仮説がある。[ 21 ]ここでも、OHC電気運動と同様に、アクチンの重合が、このメカニズムにおいて重要な役割を果たしている可能性がある。

カルシウムもこのメカニズムにおいて重要な役割を果たすことが示されています。実験では、細胞外カルシウムが減少するとミオシンモーターが緊張し、より多くのチャネルが開くことが示されています。そして、追加のチャネルが開くと、カルシウムの流入がミオシンモーターを弛緩させるように作用し、先端リンクが休止状態に戻り、チャネルが閉じます。[ 20 ]これは、ミオシンモーターへのカルシウムの結合を介して起こると仮定されています。このイベントの時間経過は10～20ミリ秒です。この時間スケールは、低周波を増幅するために必要な時間を反映しています。[ 19 ]適応の遅延に最も大きく寄与するのは張力依存性ですが、カルシウム依存性は有用なフィードバック機構として機能します。

毛束の偏向に対するミオシンの反応のこのメカニズムは、毛束の位置の小さな変化に対する感度を与えます。

電気運動性と毛束ダイナミクスの統合

プレスチン調節によるOHCの電気運動は、毛束の偏向によって生じる力よりもはるかに大きな力を生み出す。ある実験では、体性モーターは毛束モーターよりも頂端膜で40倍、基底膜で6倍の力を生み出すことが示された。これら2つのモーターの違いは、それぞれのモーターの毛束偏向の極性が異なることである。毛束モーターは正の偏向を利用して力を生み出すのに対し、体性モーターは負の偏向を利用して力を生み出す。しかし、体性モーターと毛束モーターはどちらも基底膜に大きな変位を生み出す。これが今度は毛束の動きの増大と信号の増幅につながる。[ 16 ]

これらのメカニズムによって発生する機械的な力は、基底膜の動きを増大させます。これは、内耳感覚細胞の毛束の偏向に影響を与えます。これらの細胞は、脳への信号伝達を担う 求心性線維と接触しています。

参考文献

  1. ^ a b松本 暢; 木谷 亮; マリクル A; ミュラー M; カリネック F. (2010). 「蝸牛外有毛細胞の運動制御におけるアクチン脱重合の重要な役割」 .生物物理学ジャーナル. 99 (7): 2067– 2076. Bibcode : 2010BpJ....99.2067M . doi : 10.1016/j.bpj.2010.08.015 . PMC  3042570. PMID  20923640 .
  2. ^アシュモア、ジョナサン・フェリックス(1987). 「モルモット外耳道細胞における迅速な運動反応：蝸牛増幅器の細胞基盤」. The Journal of Physiology . 388 (1): 323– 347. doi : 10.1113/jphysiol.1987.sp016617 . ISSN 1469-7793 . PMC 1192551. PMID 3656195 .   オープンアクセスアイコン
  3. ^アシュモア、ジョナサン(2008). 「蝸牛外有毛細胞の運動性」.生理学レビュー. 88 (1): 173– 210. doi : 10.1152/physrev.00044.2006 . ISSN 0031-9333 . PMID 18195086. S2CID 17722638 .   オープンアクセスアイコン
  4. ^ Dallos, P. (1992). 「活動蝸牛」 . The Journal of Neuroscience . 12 (12 ) : 4575– 4585. doi : 10.1523/JNEUROSCI.12-12-04575.1992 . PMC 6575778. PMID 1464757 .  
  5. ^ T.ゴールド 1948：聴覚. II. 蝸牛の働きの物理的基礎
  6. ^ DT Kemp 1978 : 人間の聴覚系からの刺激音響放出
  7. ^ Neely, STとKim, DO, 1986. 蝸牛バイオメカニクスにおける能動要素のモデル.アメリカ音響学会誌, 79(5), pp. 1472–1480.
  8. ^ Shera, CA and Guinan, JJ Jr., 1999. 誘発耳音響放射は2つの根本的に異なるメカニズムによって発生する：哺乳類OAEの分類.アメリカ音響学会誌, 105(2), pp. 782–798.
  9. ^ Ren, T., He, W., Scott, M. and Nuttall, AL, 2006.「耳における音響放射の群遅延」神経生理学ジャーナル、96(5)、pp.2785–2791。
  10. ^ Wilson, JP, 1980. 音響再放射、閾値微細構造、音性耳鳴りの蝸牛起源の証拠.聴覚研究, 2(3–4), pp. 233–252.
  11. ^ Flax, MR, & Holmes, WH (2011年11月). 神経フィードバックを含む混合モード蝸牛増幅器. AIP Conference Proceedings (Vol. 1403, No. 1, pp. 611-617). アメリカ物理学会.
  12. ^例：Bell, A. and Fletcher, NH, 2004. 「定在波としての蝸牛増幅器：外耳道の有毛細胞列間の「噴出」波？」アメリカ音響学会誌、116(2)、pp. 1016–1024。
  13. ^ a b Frolenkov, GI (2006). 「蝸牛外有毛細胞における電気運動の制御」 . The Journal of Physiology . 576 (Pt 1): 43– 48. doi : 10.1113/jphysiol.2006.114975 . PMC 1995623. PMID 16887876 .  
  14. ^ a bバイ、日本;スルグチェフ、A.モントーヤ、S.アロンソン、PS;サントス・サッキ、J.ナバラトナム、D. (2009)。「Prestin の陰イオン輸送能力と電圧感知能力は独立しています。 」生物物理学ジャーナル。96 (8): 3179–3186。ビブコード: 2009BpJ....96.3179B。土井：10.1016/j.bpj.2008.12.3948。PMC 2718310。PMID 19383462。  
  15. ^ a b c Santos-Sacchi, J. (1993). 「外耳道有毛細胞運動の高調波」 . Biophysical Journal . 65 (5): 2217– 2227. Bibcode : 1993BpJ....65.2217S . doi : 10.1016/S0006-3495(93) 81247-5 . PMC 1225953. PMID 8298045 .  
  16. ^ a b Nam, JH; Fettiplace, R. (2010). 「コルチ器官マイクロマシンにおける力伝達」 . Biophysical Journal . 98 (12): 2813– 2821. Bibcode : 2010BpJ....98.2813N . doi : 10.1016 / j.bpj.2010.03.052 . PMC 2884234. PMID 20550893 .  
  17. ^ Sul, B.; Iwasa, KH (2009). 「蝸牛増幅器としての毛束運動の有効性」 . Biophysical Journal . 97 (10): 2653– 2663. Bibcode : 2009BpJ....97.2653S . doi : 10.1016 / j.bpj.2009.08.039 . PMC 2776295. PMID 19917218 .  
  18. ^ a b Choe, Y.; Magnasco, MO; Hudspeth, AJ (1998). 「Ca2+の機械電気変換チャネルへの周期的結合による毛束運動の増幅モデル」 . Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 95 (26): 15321– 15326. Bibcode : 1998PNAS...9515321C . doi : 10.1073 / pnas.95.26.15321 . PMC 28041. PMID 9860967 .  
  19. ^ a b Chan, DK; Hudspeth, AJ (2005). 「in vitroにおける哺乳類蝸牛によるCa2+電流駆動型非線形増幅」 . Nature Neuroscience . 8 (2): 149– 155. doi : 10.1038/nn1385 . PMC 2151387. PMID 15643426 .  
  20. ^ a b Hacohen, N.; Assad, JA; Smith, WJ; Corey, DP (1989). 「有毛細胞伝達チャネルにおける張力制御：変位とカルシウム依存性」 . The Journal of Neuroscience . 9 (11): 3988– 3997. doi : 10.1523/JNEUROSCI.09-11-03988.1989 . PMC 6569946. PMID 2555460 .  
  21. ^ Howard, J.; Hudspeth, AJ (1987). 「毛束の機械的弛緩はウシガエルの嚢状有毛細胞による機械電気変換の適応を媒介する」. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 84 (9): 3064– 3068. Bibcode : 1987PNAS...84.3064H . doi : 10.1073/pnas.84.9.3064 . PMC 304803. PMID 3495007 .  
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