Біофізика волоскових клітин равлика: загальні відомості.

Ми відзначали, що волоскові клітини равлики поділяються на два типи: зовнішні і внутрішні. Вони різняться в різних частинах равлики і за розмірами. У підстави равлика морської свинки зовнішні волоскові клітини мають довжину близько 20 мкм і короткі нееластичні стереоціліямі, тоді як на вершині – 80 мкм з більш довгими і гнучкими стереоціліямі. Ці відмінності в довжині позначаються не тільки на їх механічних, але і електричних властивостях. Показано, що на плазматичних мембранах волоскових клітин спостерігається спонтанна активність. Частота цих осциляцій варіює в різних частинах равлики. Поблизу від круглого вікна, біля основи завитки, в маленьких нееластичних зовнішніх волоскових клітинах короткі нееластичні зовнішні волоскові клітини демонструють швидкі спонтанні осциляції, далі в напрямку гелікотреми більш довгі клітини – повільніші. Існує залежність між розміром і частотою спонтанної електричної активності клітини. Оскільки розміри зовнішніх волоскових клітин закономірно змінюються від основи до верхівки равлики, спонтанні осциляції відповідають звуковій частоті, на яку налаштована підлягає базіллярной мембрана. Таким чином, коли надходить слуховий сигнал індукує механічну вібрацію основної мембрани, що виникають внаслідок відкривання і закривання іонних каналів стереоціліямі електротонічних струми, підсилюють предсуществующей активність. Це явище відоме як електричний резонанс. Волосових клітина працює як підсилювач, підвищуючи чутливість вуха на два порядки. Відмінності електричного резонансу від основи до верхівки равлики увазі, що популяція іонних каналів в волоскових клітинах також закономірним чином змінюються від круглого вікна до гелікотреме. Таке припущення підтверджується встановленням того факту, що кількість каналів Са2 + і каналів Са2 +-залежних К + (КСа) зменшується зі зниженням характеристичної частоти. Дослідження равлики курчати показало, що кожна з приблизно 10 000 волоскових клітин володіє унікальною популяцією іонних каналів. Причому клітини розрізняються не тільки кількістю каналів, але і біофізичними характеристиками останніх. Прорив був зроблений в молекулярній генетиці цієї системи. Показано, що різні К +-канали виникають в результаті альтернативного сплайсингу в семи різних сайтах первинних транскриптів. Електричний резонанс – це не тільки механізм, завдяки якому зовнішні волоскові клітини збільшують точність настройки. Показано, що електричний відповідь пов’язаний з механічним. Деполяризація веде до вкорочення волоскові клітини, гіперполяризація має протилежний ефект, викликаючи удлиннение клітини. У точці максимальної чутливості така реакція може досягати 30 нм / мВ. Механізм трансдукції змін мембранного потенціалу зовнішніх волоскових клітин в зміни довжини до цих пір невідомий. Однак очевидно, що і це підвищує специфічність клітини до частоти звуку. Чим вище електричний резонанс, тим більше механічний рух, що веде до збільшення натягу між стереоціліямі і текторіальной мембраною. У свою чергу, це призводить до підвищення ймовірності відкритого стану механочувствітельние каналів стереоціліямі. Вважають, що система може працювати і в протилежному напрямку. Спонтанні або індуковані афферентамі руху волоскових клітин можуть викликати руху основної мембрани і зміни тиску в середній сходах і далі, які компенсуються рухами барабанної перетинки. Це – т.зв. спонтанна отоакустичної емісії, яка може бути виявлена ​​вухом людини та інших ссавців. Чи пов’язані ці рухи з “дзвоном у вухах”, до цих пір залишається предметом протиріч. Література (див. список на стор 109-110 книги)
Тепер звернемо увагу на основну тему даного предмета. Ми бачили, що базіллярной мембрана коливається у відповідь на що надходить у вухо звук, тоді як текторіальная мембрана залишається порівняно стаціонарної. Стереоціліямі волоскових клітин піддаються механічній деформації, причому їх вії занурені в багату К + ендолімфу. Виникаюча деполяризація може бути виявлена ​​за допомогою мікроелектродну відведень. Вони точно відтворюють частоту надходить звуку. Це т.зв. мікрофонні потенціали. Мікрофонні деполяризації (рецепторні потенціали) ведуть до виділення медіаторних речовин на дендритні закінчення аферентних волокон кохлеарного нерва.
Таким чином, ми бачимо, що в самій основі приголомшливо складного внутрішнього вуха ссавців лежать волоскові клітини; звичайно, модифіковані, але в цілому ті ж самі, що ми вперше зустріли в каналах органу бічній лінії наших водних попередників. Ми ще побачимо, що приблизно теж саме можна сказати і про інші органи чуття. Молекулярні механізми, що розвинулися в еволюційній історії дуже рано, зберігаються, але з часом виявляються вбудованими в неймовірно складні і хитромудрі органи. Одним з еволюційних імперативів, який рухав розвитком равлики ссавців, була необхідність розрізняти різні частоти звуку. Ми бачили, що ця здатність в невеликому ступені присутній у риб, земноводних і плазунів; у птахів і ссавців вона зазнає величезний розвиток. Вище ми згадували, що частотний діапазон людського вуха лежить між 20 Гц і 20 кГц (з деяким зниженням верхньої межі з віком). Ми також відзначали, що в межах діапазону чутності людина і інші ссавці володіють надзвичайно високою здатністю до розрізнення частот. А тому наступне питання – як вона досягається? Може здатися, що у цієї проблеми – просте рішення. Чому б кохлеарної нерву не бути фазово-синхронним з прихожої звуковою хвилею тиску? Іншими словами, чому б про тональної частоті 20 Гц не сигналізувати нервовими імпульсами частотою 20 Гц, а про тональної частоті 15 або 20 кГц – імпульсами частотою 15 і 20 кГц, відповідно? В такому простому рішенні є дві очевидні труднощі. По-перше, як ми відзначали в гл мембрану ПОТЕНЦІАЛИ, частота імпульсів в сенсорних нервах зазвичай сигналізує про інтенсивність стимулу. Нервова система могла б, звичайно, обійти це утруднення, однак, друга трудність-більш нездоланною. Біофізика нервових волокон така, що за кожним імпульсом слід рефрактерний період тривалістю близько 2 мс. З цього випливає (як ми бачили в гл. Мембрану ПОТЕНЦІАЛИ), що одиночне волокно не здатна проводити більше 500 імпульсів в секунду. Тобто, для частот вище 500 Гц потрібні якісь інші засоби частотної дискримінації. Тут можуть працювати два основних механізми. По-перше, є дані  вестибулярного і звукову інформацію в мозок), що кохлеарні волокна можуть бути фазо-синхронними звукових частот вище 500 Гц, але, не реагуючи на кожен частотний імпульс. Тобто, передбачається, що в нижній частині частотного спектра (нижче 5 кГц) група волокон кохлеарного нерва об’єднується для досягнення частоти імпульсів, що збігається з тональної частотою, в якомусь слуховому центрі мозку. Зі зрозумілих причин, така ідея іменується теорією залпу. Другий, значно більш важливий механізм грунтується на спостереженні, що ширина основної мембрани збільшується від круглого вікна до гелікотреме (або в разі птахів – до макуле равлики). Ширина основної мембрани людини, наприклад, збільшується з 100 до 500 мкм на відстані в 33 мм . Герман фон Гельмгольц ще в ХIX столітті припустив, що основну мембрану можна уподібнити ряду налаштованих камертонів (резонаторів). Тони високої частоти викликають максимальні обурення в області круглого вікна, а низькою – у гелікотреми. Точні дослідження фон Бекеш (von Bekesy) та інших в основному підтвердили гіпотезу Гельмгольца. Виявлено, що хвилі складної форми рухаються вздовж всієї основної мембрани, але місце, де вони досягають максимальної амплітуди, як і припустив Гельмгольц, пов’язане з їх частотою. Здогад Гельмгольца з очевидних причин відома як теорія місця частотної дискримінації. Щоб розрізнити частоти, мозку достатньо лише “подивитися” з якого місця основної мембрани відбуваються волокна, в яких активність максимальна.

Волоскові клітини равлики налаштовані на певну частоту
Останнім часом теорія місця Гельмгольца була розширена і підкріплена виявленням того факту, що самі по собі волоскові клітини налаштовані на певну частоту звуку. Така настройка – результат молекулярної анатомії та цитології клітини. Показано, що волоскові клітини та їх стереоціліямі розрізняються в розмірах і гнучкості в різних частинах основної мембрани. Поблизу від круглого вікна стереоціліямі малі і порівняно жорсткі, тоді як в області гелікотреми більше в розмірах і гнучкі. Це, разом із специфічною популяцією іонних каналів, визначає електричні характеристики даної клітини. Кожна волосових клітина налаштована на максимальну реакцію на стимул певної частоти. Є й свідчення того, що настройка клітин знаходиться під контролем зворотного зв’язку від равлика. Базіллярной мембрана і її волоскові клітини, таким чином, виявляються поскладніше клавіш фортепіано або пластинок ксилофона. Тим не менш, понад століття тому Гельмгольц зумів схопити суть явища. Складна електромеханічне настроювання волоскових клітин з модуляцією через зворотні зв’язки накладається на механізм максимального обурення у специфічній частині основної мембрани, пов’язаної з частотою надходить звуку.

Біофізична модель стереоціліямі волоскові клітини
Біофізична модель стереоціліямі запропонована Хадспетом та іншими. Ми вже відзначали, що кожна стереоціліямі пов’язана поблизу від кінчика молекулярної ниткою (кінцевий зв’язком) з сусідньою більш довгою . Накопичилися дані, що показують, що ці нитки просоедінени до іонних каналах стеріоцілій. Передбачається, що, коли стереоціліямі знаходиться в спокої, спостерігається невеликий витік через канали.  Ймовірність відкритого стану становить близько 0,1. Коли механічний стимул викликає зрушення групи стереоціліямі в сторону кіноціліі, у більш довгих стереоціліямі ймовірність відкриття каналів зсувається до одиниці. Оскільки, як ми побачимо нижче, війки занурені до багату іонами калію середу (ендолімфу), К + – це основний іон, що входить в вію. Це разом з потоком Са2 + в клітину викликає деполяризацію мембрани. Якщо стереоціліямі зсуваються в протилежному напрямку, ймовірність відкривання каналів зміщується до нуля. Потік К + / Са2 + припиняється і мембрана гіперполярізуется.

Comments are closed.