Cochlea förstärkare

Cochlea -förstärkaren är en positiv återkopplingsmekanism inom snäckan som ger akut känslighet i däggdjurets hörselsystem. Huvudkomponenten i cochleaförstärkaren är den yttre hårcellen (OHC) som ökar amplituden och frekvensselektiviteten för ljudvibrationer med hjälp av elektromekanisk återkoppling.

Upptäckt

Cochlea-förstärkaren föreslogs första gången 1948 av Gold . Detta var runt den tid då Georg von Békésy publicerade artiklar som observerade utbredningen av passiva resande vågor i den döda snäckan .

Trettio år senare fångades de första inspelningarna av emissioner från örat av Kemp. Detta var en bekräftelse på att en sådan aktiv mekanism fanns i örat. Dessa emissioner kallas nu för otoakustiska emissioner och produceras av cochlea-förstärkaren.

Det första modelleringsarbetet för att definiera cochleaförstärkaren var en enkel förstärkning av Georg von Békésys passiva resande våg med en aktiv komponent. I en sådan modell antas ett skevt tryck kring Cortis organ som aktivt lägger till den passiva resande vågen för att bilda den aktiva resande vågen. Ett tidigt exempel på en sådan modell definierades av Neely och Kim. Förekomsten av otoakustiska emissioner tolkas som att de innebär bakåtgående såväl som framåtgående vågor som genereras i snäckan, som föreslagits av Shera och Guinan.

Striden omger fortfarande existensen och mekanismen för den aktiva resande vågen. Nyligen genomförda experiment visar att emissioner från örat sker med en så snabb respons att de långsamt fortplantande aktiva vandringsvågorna inte kan förklara dem. Deras förklaring till snabb emissionsutbredning är dualen av den aktiva resande vågen, den aktiva kompressionsvågen. Aktiva kompressionsvågor föreslogs så tidigt som 1980 av Wilson på grund av äldre experimentella data. En exempelmodell av den aktiva kompressionsvågen (tryckvåg) definieras av Flax och Holmes.

Andra förklaringar till de aktiva processerna i innerörat finns.

Fungera

Effekt av ljudvågor på snäckan

I däggdjurssnäckan sker vågförstärkning via de yttre hårcellerna i Cortis organ. Dessa celler sitter direkt ovanför ett basilärt membran (BM) som har hög känslighet för skillnader i frekvens. Ljudvågor kommer in i snäckans scala vestibuli och färdas genom den och bär med sig olika ljudfrekvenser. Dessa vågor utövar ett tryck på snäckans basilar- och tektoriska membran som vibrerar som svar på ljudvågor med olika frekvenser. När dessa membran vibrerar och böjs uppåt (rarefaktionsfas av ljudvåg), avleds stereocilierna hos OHC:erna mot de högsta stereocilierna. Detta gör att spetslänkarna på OHC-hårbunten öppnas och tillåter inflöde av Na ⁺ och K ⁺ som depolariserar OHC. Vid depolarisering kan OHC sedan påbörja sin förstärkningsprocess genom kraft som genereras av hårcellsmotorerna.

Den somatiska motorn

Den somatiska motorn är OHC-cellkroppen och dess förmåga att förlänga eller dra ihop sig i längdriktningen på grund av förändringar i membranpotential . Denna funktion är träffande associerad med OHC-strukturen i Cortis organ. Som ses genom svepelektronmikrofotografier, är den apikala sidan av OHC mekaniskt kopplad till den retikulära lamina medan den basala sidan av OHC är kopplad till Deiters cellcupula. Eftersom cellkroppen inte är i direkt kontakt med någon struktur och är omgiven av den vätskeliknande perilymfen, anses OHC vara dynamisk och kan stödja elektromotilitet .

Prestin är det transmembrana proteinet som ligger bakom OHC:s förmåga att förlänga och dra ihop sig, en process som är väsentlig för OHC:s elektromotilitet. Detta protein är spänningskänsligt. I motsats till tidigare forskning har prestin också visat sig transportera anjoner; den exakta rollen av anjontransport i den somatiska motorn är fortfarande under utredning.

Under vilande förhållanden tros det att klorid är bundet till allosteriska platser i prestin. Vid avböjning av basilarmembranet (BM) uppåt och efterföljande avböjning av hårknippena mot de högsta stereocilierna, öppnas kanaler i stereocilierna, vilket tillåter inflöde av joner och depolariserar OHC-resultaten. Intracellulär klorid dissocierar från de allosteriska bindningsställena i prestin, vilket orsakar kontraktion av prestin. Vid BM-böjning nedåt resulterar hyperpolarisering av OHC, och intracellulära kloridjoner binder allosteriskt vilket orsakar prestinexpansion. Bindningen eller dissociationen av klorid orsakar en förskjutning i prestins membrankapacitans. En icke-linjär kapacitans (NLC) resulterar som leder till en spänningsinducerad mekanisk förskjutning av prestin till ett förlängt eller sammandraget tillstånd såsom beskrivits ovan. Ju större spänningsolinjäritet, desto större prestins svar; detta visar en koncentrationsspecifik spänningskänslighet för prestin.

Prestin fodrar tätt lipiddubbelskiktet i de yttre hårcellmembranen. Därför kommer en förändring i formen av många prestinproteiner, som tenderar att konglomerera tillsammans, i slutändan leda till en förändring i form av OHC. En förlängning av prestin förlänger hårcellen medan prestinkontraktion leder till en minskning av OHC-längden. Eftersom OHC är tätt associerad med retikulär lamina och Deiters cell, leder formförändring av OHC till rörelse av dessa övre och nedre membran, vilket orsakar förändringar i vibrationer som detekteras i cochlea-partitionen. Vid initial avböjning av BM, vilket orsakar positiv avböjning av hårknippen, skjuts det retikulära skiktet nedåt, vilket resulterar i en negativ avböjning av hårknippena. Detta orsakar stereociliakanalstängning vilket leder till hyperpolarisering och OHC-förlängning.

Under hårknippet finns en aktinrik kutikulär platta. Det har antagits att rollen av aktin-depolymerisation är avgörande för reglering av cochleaförstärkaren. Vid aktinpolymerisation ökar elektromotil amplitud och OHC-längd. Dessa förändringar i aktinpolymerisation förändrar inte NLC, vilket visar att aktinets roll i cochleaförstärkaren är separat från prestins roll.

Hårbuntsmotorn

Hårbuntsmotorn är den kraft som genereras från en mekanisk stimulans. Detta görs genom att använda den mekanoelektriska transduktionskanalen (MET), som möjliggör passage av Na ⁺ , K ⁺ och Ca2 ⁺ . Hårbuntsmotorn fungerar genom att avleda hårbuntar i positiv riktning och ge positiv återkoppling av basilarmembranet, vilket ökar basilarmembranets rörelse vilket ökar svaret på en signal. Två mekanismer har föreslagits för denna motor: snabb anpassning, eller kanalåterslutning, och långsam anpassning.

Snabb anpassning

Denna modell förlitar sig på en kalciumgradient som genereras av öppning och stängning av MET-kanalen. Positiv avböjning av spetslänkarna sträcker dem i riktning mot de högsta stereocilierna, vilket orsakar MET-kanalöppning. Detta tillåter passage av Na ⁺ , K ⁺ och Ca ²⁺ . Dessutom binder Ca ²⁺ kortvarigt till ett cytostoliskt ställe på MET-kanalen som uppskattas vara endast 5 nm från kanalporen. På grund av närhet till kanalöppningen misstänks det att Ca2 ⁺ -bindningsaffiniteten kan vara relativt låg. När kalcium binder till denna plats börjar MET-kanalerna stängas. Kanalstängning upphör transduktionsströmmen och ökar spänningen i spetslänkarna, vilket tvingar dem tillbaka i stimulans negativa riktning. Bindning av kalcium är kortlivad, eftersom MET-kanalen måste delta i ytterligare amplifieringscykler. När kalcium dissocierar från bindningsstället faller kalciumnivåerna snabbt. På grund av skillnaderna i kalciumkoncentration vid det cytostoliska bindningsstället när kalcium binds till MET-kanalen kontra när kalcium dissocierar, skapas en kalciumgradient som genererar kemisk energi. Svängningen av kalciumkoncentration och kraftgenerering bidrar till amplifiering. Tidsförloppet för denna mekanism är i storleksordningen hundratals mikrosekunder, vilket återspeglar den hastighet som är nödvändig för förstärkning av höga frekvenser.

Långsam anpassning

Till skillnad från den snabba anpassningsmodellen är långsam anpassning beroende av myosinmotorn för att ändra styvheten hos spetslänkarna, vilket leder till förändringar av kanalströmmen. Först avböjs stereocilierna i positiv riktning och öppnar MET-kanalerna och tillåter inflöde av Na ⁺ , K ⁺ och Ca2 ⁺ . Ingångsströmmen ökar först och minskar sedan snabbt på grund av myosins frigörande av spänningar i spetslänken och efterföljande stängning av kanaler. Det antas att spetslänken är fäst vid myosinmotorn som rör sig längs aktinfilament . Återigen kan polymerisationen av aktin spela en avgörande roll i denna mekanism, som den gör i OHC-elektromotilitet.

Kalcium har också visat sig spela en avgörande roll i denna mekanism. Experiment har visat att i reducerat extracellulärt kalcium dras myosinmotorn åt, vilket resulterar i öppnare kanaler. Sedan, när ytterligare kanaler öppnas, verkar inflödet av kalcium för att slappna av myosinmotorn, som återställer spetslänkarna till sitt viloläge, vilket gör att kanalerna stängs. Detta antas ske genom bindning av kalcium till myosinmotorn. Tidsförloppet för denna händelse är 10-20 millisekunder. Denna tidsskalan speglar den tid som behövs för att förstärka låga frekvenser. Även om den största bidragsgivaren till långsam anpassning är spänningsberoendet, fungerar kalciumberoende som en användbar återkopplingsmekanism.

Denna mekanism för myosinets reaktion på hårbuntsavböjning ger känslighet för små förändringar i hårbuntens position.

Integration av elektromotilitet och hårbuntsdynamik

Elektromotilitet hos OHC genom prestinmodulering producerar betydligt större krafter än de krafter som genereras av avböjning av hårbunten. Ett experiment visade att den somatiska motorn producerade en 40 gånger större kraft vid det apikala membranet och en sex gånger större kraft vid basilarmembranet än hårbuntsmotorn. Skillnaden mellan dessa två motorer är att det finns olika polariteter för hårbuntens avböjning för varje motor. Hårbuntsmotorn använder en positiv avböjning som leder till en kraftgenerering, medan den somatiska motorn använder negativ avböjning för att generera kraft. Men både den somatiska motorn och hårbuntsmotorn producerar betydande förskjutningar av basilarmembranet. Detta leder i sin tur till förstärkning av buntrörelse och signalförstärkning.

Den mekaniska kraften som genereras av dessa mekanismer ökar basilarmembranets rörelse. Detta påverkar i sin tur avböjningen av hårknippena i de inre hårcellerna. Dessa celler är i kontakt med afferenta fibrer som är ansvariga för att överföra signaler till hjärnan.