有毛細胞
有毛細胞
コルチ器の断面。拡大図。（上部近くに「外有毛細胞」、中央近くに「内有毛細胞」と表示）。
蝸牛の断面。内有毛細胞は「内有毛神経」の終末部に位置し、外有毛細胞は「外有毛神経」の終末部に位置する。
詳細
位置蝸牛
形ユニーク（本文参照）
関数音波を増幅し、聴覚情報を脳幹に伝える
神経伝達物質グルタミン酸
シナプス前結合なし
シナプス後結合聴神経を経由して前庭蝸牛神経を経て下丘に至る
識別子
ニューロレックスIDsao1582628662、sao429277527
神経解剖学の解剖用語
音が音源から脳に届くまでの流れ

有毛細胞は、あらゆる脊椎動物の耳、そして魚類の側線器官において、聴覚系と前庭系の両方の感覚受容器として機能しています。有毛細胞は、メカノトランスダクションを介して、周囲の動きを感知します。[ 1 ]

哺乳類では、聴毛細胞は内耳の蝸牛にある薄い基底膜上のコルチ器官内に位置しています。その名称は、細胞の頂端面から蝸牛管へと突出する毛束と呼ばれる不動毛の束に由来しています。不動毛は各細胞に50～100本存在し、密集して配置されています[ 2 ]。不動毛は運動毛から遠ざかるほど小さくなります[ 3 ]。

哺乳類の蝸牛有毛細胞には、解剖学的にも機能的にも異なる2種類、外有毛細胞と内有毛細胞があります。これらの有毛細胞が損傷すると聴覚感度が低下し、内耳の有毛細胞は再生できないため、この損傷は永続的です。[ 4 ]有毛細胞の損傷は前庭系に損傷を与え、平衡感覚の維持に支障をきたす可能性があります。しかし、よく研究されているゼブラフィッシュや鳥類など、他の脊椎動物には再生可能な有毛細胞があります。[ 5 ] [ 6 ] ヒトの蝸牛には、出生時に約3,500個の内有毛細胞と約12,000個の外有毛細胞が含まれています。[ 7 ]

外有毛細胞は、蝸牛に入る低レベルの音を機械的に増幅する。[ 8 ] [ 9 ]この増幅は、毛束の動き、あるいは細胞体の電気的運動によって行われる。このいわゆる体性電気運動は、すべての四肢動物において音を増幅する。これは、毛束の先端にある機械的感覚イオンチャネルの閉鎖機構によって影響を受ける。

内有毛細胞は蝸牛の液体内の音の振動を電気信号に変換し、その後聴神経を介して聴脳幹と聴覚皮質に伝達されます。

内有毛細胞 – 音から神経信号へ

コルチ器の断面。内有毛細胞と外有毛細胞を示している。

有毛細胞の不動毛が偏向すると、機械的に制御されるイオンチャネルが開き、小さな正に帯電したイオン（主にカリウムとカルシウム）が細胞内に入ることができる。[ 10 ]他の多くの電気的に活性な細胞とは異なり、有毛細胞自体は活動電位を発しない。その代わりに、中央階の内リンパからの正イオンの流入が細胞を脱分極させ、受容体電位を引き起こす。この受容体電位が電位依存性カルシウムチャネルを開き、カルシウムイオンが細胞内に入り、細胞の基底端で神経伝達物質の放出を誘発する。神経伝達物質は、有毛細胞と神経終末の間の狭い空間を拡散し、そこで受容体に結合して神経内で活動電位を誘発する。このようにして、機械的な音信号が電気的な神経信号に変換される。有毛細胞の再分極は特殊な方法で行われる。鼓室階の外リンパには、非常に低濃度の正イオンが含まれている。電気化学的勾配により、陽イオンはチャネルを通って外リンパへと流れます。

有毛細胞は慢性的にCa2 +を漏出する。この漏出は、シナプスへの神経伝達物質の持続的な放出を引き起こす。この持続的な放出こそが、有毛細胞が機械的刺激に素早く反応できる理由であると考えられている。有毛細胞の反応の速さは、膜電位のわずか100μVの変化にも反応して神経伝達物質の放出量を増加させることができるという事実にも起因している可能性がある。[ 11 ]

有毛細胞は、2つの方法のいずれかによって音の周波数を区別することができます。最初の方法は、哺乳類以外の動物にのみ見られ、有毛細胞の基底外側膜における電気共鳴を利用します。この方法における電気共鳴は、印加電流パルスに応答する膜電位の減衰振動として現れます。2つ目の方法は、基底膜の音調的差異を利用します。この差異は、有毛細胞の位置の違いに起因します。高周波共鳴を持つ有毛細胞は基底端に位置し、それよりもはるかに低い周波数共鳴を持つ有毛細胞は上皮の頂端に位置します。[ 12 ]

外有毛細胞 – 音響前置増幅器

哺乳類の外有毛細胞では、変化する受容器電位が細胞体の能動的な振動に変換されます。この電気信号に対する機械的応答は体性電気運動性と呼ばれています。[ 13 ] この電気運動性は、入力される音信号に同期して細胞の長さを変化させ、進行波へのフィードバックによって機械的増幅をもたらします。[ 14 ]

外有毛細胞は哺乳類にのみ存在します。哺乳類の聴覚感度は他の脊椎動物と同程度ですが、外有毛細胞が機能しなくなると、感度は約50dB低下します。[ 15 ]外有毛細胞は、一部の海洋哺乳類において可聴範囲を約200kHzまで拡張します。[ 16 ]また、外有毛細胞は周波数選択性（周波数弁別性）も向上させており、これは人間にとって特に有益であり、高度な音声や音楽を可能にします。外有毛細胞は、細胞内のATPが枯渇した後でも機能します。[ 13 ]

このシステムの効果は、大きな音よりも静かな音を非線形に増幅することであり、これにより、広範囲の音圧をはるかに小さな毛の変位範囲にまで低減することができます。[ 17 ]この増幅特性は蝸牛増幅器と呼ばれています。

有毛細胞の分子生物学は近年、外有毛細胞の体細胞電気運動の基盤となるモータータンパク質（プレスチン）の同定により、大きな進歩を遂げました。プレスチンの機能は塩素イオンチャネルシグナルに依存しており、一般的な海洋殺虫剤であるトリブチルスズによって阻害されることが示されています。この種の汚染物質は食物連鎖の上位で生物濃縮されるため、シャチやハクジラなどの海洋の頂点捕食者においてその影響は顕著です。[ 18 ]

有毛細胞の信号適応

カルシウムイオンの流入は、有毛細胞が信号の増幅に適応する上で重要な役割を果たします。これにより、人間はもはや目新しいものではない一定の音を無視し、周囲の他の変化に敏感になることができます。重要な適応メカニズムは、モータータンパク質であるミオシン1cに由来します。ミオシン1cは、緩やかな適応を可能にし、伝達チャネルを感作するための張力を提供し、シグナル伝達装置にも関与します。[ 19 ] [ 20 ]最近の研究では、カルシウム感受性のカルモジュリンとミオシン1cの結合が、適応モーターと伝達装置の他の構成要素との相互作用を実際に調節する可能性があることが示されています。[ 21 ] [ 22 ]

速やかな適応：速やかな適応においては、開口したMETチャネルを通って不動毛に侵入したCa 2+イオンがチャネル上またはその近傍の部位に急速に結合し、チャネルの閉鎖を誘導する。チャネルが閉鎖すると、先端リンクの張力が増加し、束を反対方向に引っ張る。[ 19 ]速やかな適応は、前庭細胞よりも、音や聴覚を感知する有毛細胞においてより顕著である。

緩やかな適応：支配的なモデルは、緩やかな適応は、束の移動中に張力の上昇に反応してミオシン1cがステレオ繊毛を滑り落ちることで起こると示唆している。[ 19 ]結果として先端リンクの張力が低下し、束は反対方向にさらに移動できるようになる。張力が低下するとチャネルが閉じ、伝達電流が減少する。[ 19 ]緩やかな適応は、空間移動を感知する前庭有毛細胞で最も顕著であり、聴覚信号を検出する蝸牛有毛細胞ではそれほど顕著ではない。[ 20 ]

神経接続

聴神経（前庭蝸牛神経、第8脳神経）のニューロンは、蝸牛と前庭の有毛細胞を支配しています。[ 23 ]有毛細胞から放出され、求心性（脳に向かう）ニューロン の末梢軸索の終末神経突起を刺激する神経伝達物質は、グルタミン酸であると考えられています。シナプス前接合部には、明瞭なシナプス前緻密体またはリボンが存在します。この緻密体はシナプス小胞に囲まれており、神経伝達物質の急速な放出を助けると考えられています。

内耳感覚細胞は外耳感覚細胞よりも神経線維の支配がはるかに密です。1つの内耳感覚細胞は多数の神経線維によって支配されますが、1つの神経線維は多数の外耳感覚細胞を支配します。内耳感覚細胞の神経線維は非常に高度に髄鞘化されており、これは髄鞘のない外耳感覚細胞の神経線維とは対照的です。特定の求心性神経線維への入力を供給する基底膜の領域は、その受容野と考えることができます。

脳から蝸牛への遠心性投射も音知覚に関与しています。遠心性シナプスは外有毛細胞と内有毛細胞の下の求心性軸索に存在します。シナプス前終末部は、アセチルコリンとカルシトニン遺伝子関連ペプチドと呼ばれる神経ペプチドを含む小胞で満たされています。これらの化合物の作用は様々で、一部の有毛細胞ではアセチルコリンが細胞を過分極させ、蝸牛の感度を局所的に低下させます。

再生

蝸牛細胞の再生に関する研究は、聴力を回復させる医療につながる可能性がある。鳥類や魚類とは異なり、人間などの哺乳類は、音を神経信号に変換する内耳の細胞が加齢や病気によって損傷した場合、一般的にその細胞を再生することができない。[ 6 ] [ 24 ]研究者らは 、損傷した細胞の再生を可能にする可能性のある遺伝子治療や幹細胞治療の進歩を遂げている。鳥類や魚類の聴覚系および前庭系の有毛細胞は再生することがわかっているため、その能力は長らく研究されてきた。[ 6 ] [ 25 ]さらに、機械伝達機能を持ち、無羊膜類に見られる側線有毛細胞は、ゼブラフィッシュなどの種で再生することが示されている。[ 26 ]

研究者らは、成人の蝸牛有毛細胞の再生を阻害する分子スイッチとして機能する哺乳類遺伝子を特定した。 [ 27 ] Rb1遺伝子は、腫瘍抑制因子である網膜芽細胞腫タンパク質をコードしている。Rbは細胞周期からの離脱を促すことで細胞の分裂を阻止する。[ 28 ] [ 29 ] Rb1遺伝子を欠失させると培養皿内の有毛細胞が再生するだけでなく、Rb1遺伝子を欠損させたマウスは、遺伝子を持つ対照マウスよりも多くの有毛細胞を増殖させる。さらに、ソニックヘッジホッグタンパク質は網膜芽細胞腫タンパク質の活性を阻害し、それによって細胞周期の再突入と新しい細胞の再生を誘導することが示された。[ 30 ]

ガンマセクレターゼ阻害剤LY3056480を含むいくつかのNotchシグナル伝達経路阻害剤は、蝸牛の有毛細胞を再生する可能性のある能力について研究されています。[ 31 ] [ 32 ]

TBX2（Tボックス転写因子2）は、内耳と外耳の有毛細胞の分化におけるマスター制御因子であることが示されています。 [ 33 ]この発見により、研究者は有毛細胞を内耳または外耳の有毛細胞のいずれかに分化するように指示することができ、死滅した有毛細胞の置き換えや難聴の予防または回復に役立つ可能性があります。[ 34 ] [ 35 ]

細胞周期阻害剤p27 Kip1（CDKN1B）も、遺伝子の欠失またはp27を標的としたsiRNAによるノックダウン後にマウスの蝸牛有毛細胞の再生を促進することがわかっています。[ 36 ] [ 37 ]有毛細胞の再生に関する研究は、有毛細胞の損傷または死滅によって引き起こされるヒトの難聴の臨床治療に近づく可能性があります。

参照

追加画像

  • 網状板とその下の構造。
    網状板とその下の構造。
  • カエルの内耳の立体毛
    カエルの内耳の立体毛

参考文献

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参考文献

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