聲音在耳內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及其分子生物學(xué)機(jī)制(2)

湯浩 石麗娟 于利 曹宇

1.3 耳蝸的機(jī)械-電轉(zhuǎn)換機(jī)制

1.3.1柯蒂器的機(jī)械-電轉(zhuǎn)換作用 柯蒂器是耳蝸內(nèi)的聲音感受器，包括毛細(xì)胞和各種支持細(xì)胞，它們乘載于基底膜之上，并沿著基底膜的長(zhǎng)軸進(jìn)行延伸。柯蒂器中的大多數(shù)細(xì)胞功能不清，但已明確內(nèi)、外毛細(xì)胞功能主要是感受聲音刺激的。基底膜本身的機(jī)械特性及其與毛細(xì)胞、聽(tīng)神經(jīng)的有序組合排列，使基底膜的任何位置都對(duì)應(yīng)某一特定頻率，即與此頻率對(duì)應(yīng)位置上的毛細(xì)胞對(duì)此頻率是最敏感的，這些頻率從蝸?lái)數(shù)轿伒装磳?duì)數(shù)級(jí)排列。

1.3.1.1纖毛束的機(jī)械偏轉(zhuǎn)誘發(fā)毛細(xì)胞興奮

圖2基底膜和蓋膜振動(dòng)時(shí)毛細(xì)胞頂部聽(tīng)纖毛受力情況示意圖

a 表示基底膜向上偏移時(shí)聽(tīng)纖毛受到一個(gè)向外(動(dòng)毛側(cè))的剪切力偏斜于引起毛細(xì)胞興奮的方向

b 為基底膜處于振動(dòng)的中點(diǎn)時(shí)纖毛束重新回到休止的位置

c 表示基底膜向下偏移時(shí)聽(tīng)纖毛則彎向內(nèi)側(cè)(與a的方向相反)，將引起毛細(xì)胞超極化(引自Miller&Towe，1979)

如圖2所示，外毛細(xì)胞頂端的聽(tīng)毛有些埋植于蓋膜的膠狀物中，有的則與蓋膜的下面相接觸，由于基底膜與蓋膜的附著點(diǎn)不在同一個(gè)軸上，故當(dāng)行波引起基底膜振動(dòng)時(shí)，蓋膜與基底膜便各自沿不同的軸上下移動(dòng)，于是在兩膜之間發(fā)生交錯(cuò)式移行運(yùn)動(dòng)，使毛細(xì)胞的聽(tīng)纖毛受到一個(gè)剪切力的作用而發(fā)生彎曲或偏轉(zhuǎn)；內(nèi)毛細(xì)胞的纖毛較短，不與蓋膜接觸，呈游離狀態(tài)，主要由內(nèi)淋巴的運(yùn)動(dòng)使其彎曲或偏轉(zhuǎn)。當(dāng)基底膜向上偏移時(shí)，聽(tīng)纖毛束彎向動(dòng)毛側(cè)，即偏斜于引起細(xì)胞興奮的方向(圖2a)，可使毛細(xì)胞產(chǎn)生去極化電位，引起遞質(zhì)釋放[3～5]，其遞質(zhì)一般認(rèn)為是谷氨酸類(lèi)物質(zhì)，其受體屬于NMDA型，該遞質(zhì)使突觸后膜(聽(tīng)神經(jīng)纖維末梢)產(chǎn)生局部電位(類(lèi)似興奮性突觸后電位)，該電位達(dá)到閾電位時(shí)，則產(chǎn)生動(dòng)作電位即傳入性神經(jīng)沖動(dòng)。反之，當(dāng)基底膜下移時(shí)聽(tīng)纖毛彎向內(nèi)側(cè)(圖2c)，則產(chǎn)生超極化電位，神經(jīng)沖動(dòng)發(fā)放減少。圖2b則表示基底膜處在振動(dòng)的中點(diǎn)，纖毛束重新回到休止的位置。

圖3 耳蝸毛細(xì)胞聲音調(diào)諧曲線(xiàn)

上圖是簡(jiǎn)化的耳蝸及基底膜模式圖，下圖為頻率-刺激強(qiáng)度曲線(xiàn)。從A、B、C、D四個(gè)聲調(diào)曲線(xiàn)形狀上看，都有一個(gè)向下的尖峰，表明相對(duì)應(yīng)的頻率反應(yīng)的閾值(最小刺激強(qiáng)度)。圖上面的A、B、C、D分別表示基底膜上相對(duì)應(yīng)的毛細(xì)胞都對(duì)一個(gè)特定頻率最為敏感，這個(gè)頻率就是細(xì)胞的特征性頻率(或最適頻率)。 當(dāng)刺激頻率升高或降低時(shí)，閾值明顯升高(敏感性突然降低) (引自Pickles 1988)

1.3.1.2毛細(xì)胞興奮與刺激頻率的相關(guān)性 為進(jìn)一步證明毛細(xì)胞興奮與刺激頻率的關(guān)系，Pickles[6]用改變刺激頻率和刺激強(qiáng)度建立一個(gè)曲線(xiàn)，用A、B、C、D四個(gè)頻率分別刺激耳蝸，在每個(gè)頻率上都逐漸增加刺激的聲強(qiáng)，直到產(chǎn)生一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)(在這里定為1 mV)。因此這個(gè)曲線(xiàn)在一定的頻率范圍內(nèi)反映了毛細(xì)胞對(duì)于刺激的反應(yīng)閾值(曲線(xiàn)向下尖端A、B、C、D)。圖3中可見(jiàn)，當(dāng)刺激頻率升高或降低時(shí)，閾值明顯升高(敏感性突然降低)?；啄ど喜煌课坏拿?xì)胞反應(yīng)閾值即代表它的最適頻率，該頻率兩側(cè)(或高或低)的頻率刺激，刺激聲強(qiáng)在逐漸升高，表明其敏感性在降低。實(shí)驗(yàn)證明，耳蝸不僅對(duì)聲音頻率的選擇性非常敏銳，而且具有聲能的機(jī)械放大作用。

近年來(lái)利用細(xì)胞電壓鉗和膜片鉗技術(shù)對(duì)毛細(xì)胞的感受器電位進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)在毛細(xì)胞的頂部有機(jī)械門(mén)控離子通道[7～9]，也稱(chēng)機(jī)械電換能通道，該通道對(duì)機(jī)械力的作用非常敏感。當(dāng)靜纖毛處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，有少部分通道開(kāi)放并伴有少量的內(nèi)向離子流，如果用玻璃微桿使靜纖毛向動(dòng)纖毛一側(cè)彎曲時(shí)，通道進(jìn)一步開(kāi)放，大量陽(yáng)離子內(nèi)流引起去極化而產(chǎn)生感受器電位。當(dāng)靜纖毛向背離動(dòng)纖毛的一側(cè)彎曲時(shí)通道關(guān)閉，內(nèi)向離子流停止并出現(xiàn)外向離子流，造成膜的超極化。

盡管有些詳細(xì)機(jī)理尚不清楚，但有一點(diǎn)是肯定的，即毛細(xì)胞頂部纖毛的機(jī)械偏轉(zhuǎn)是誘發(fā)毛細(xì)胞興奮的適宜刺激，而纖毛偏轉(zhuǎn)的方向則是誘發(fā)毛細(xì)胞是否興奮的必要條件。此外，聲音強(qiáng)弱能影響基底膜振動(dòng)的幅度，聲音強(qiáng)則振幅大，聲音弱則振幅小。而音調(diào)的不同，則主要靠各個(gè)頻率引起的行波最大振幅處的毛細(xì)胞的不同來(lái)辨別，這就是耳蝸的感音換能作用。不難看出，聽(tīng)覺(jué)經(jīng)驗(yàn)的豐富程度緊緊依賴(lài)于內(nèi)耳的感受器，即聽(tīng)毛細(xì)胞的功能。在聽(tīng)覺(jué)生成過(guò)程中，毛細(xì)胞發(fā)揮著近乎于不可思議的作用：它們不但可以測(cè)量原子的尺寸，還可以將刺激范圍從靜態(tài)的輸入轉(zhuǎn)換成以10 kHz為單位的頻率。如果不考慮它所回應(yīng)的刺激類(lèi)型，毛細(xì)胞就是一個(gè)生物張力標(biāo)尺?？梢?jiàn)，聽(tīng)毛細(xì)胞將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的過(guò)程是極其復(fù)雜而神秘的。

1.3.2毛細(xì)胞纖毛束的分子生物學(xué)特征 耳蝸毛細(xì)胞頂部表面的靜纖毛以階梯形排成3列，蝸底處?kù)o纖毛短，靠近蝸?lái)旍o纖毛逐漸變長(zhǎng)，認(rèn)為這種梯度變化很可能是產(chǎn)生音頻排列和調(diào)諧功能的形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。盡管耳蝸的功能活動(dòng)機(jī)制還有許多不明之處，但可以肯定，內(nèi)、外毛細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能的相互偶連，是柯蒂器的機(jī)械-電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，而毛細(xì)胞頂部纖毛束的機(jī)械偏轉(zhuǎn)是毛細(xì)胞興奮的前提條件。

毛細(xì)胞起源于外胚層表面，并且保留了上皮的特征。單個(gè)毛細(xì)胞是柱狀或者燒瓶狀的，沒(méi)有樹(shù)突和軸突(圖4)[3]。毛細(xì)胞頂點(diǎn)的周?chē)歉杏X(jué)性的支持細(xì)胞相連，一種特殊的鹽溶液(內(nèi)淋巴液)浸潤(rùn)著細(xì)胞的頂部，在細(xì)胞的基底側(cè)面內(nèi)淋巴液同普通的細(xì)胞外液(外淋巴液)完全分離。在緊密連接的下方，由中間連接或帶狀橋粒為毛細(xì)胞提供一種有力的機(jī)械吸附作用。

作為聲音(機(jī)械)刺激的感受器的毛細(xì)胞的纖毛束，從平坦的細(xì)胞頂部表面突出(圖4a、b)。依它所出現(xiàn)的動(dòng)物種類(lèi)的不同，一束纖毛束長(zhǎng)度可以從小于1 μm到超過(guò)100 μm不等。這種細(xì)胞器是一叢20～300個(gè)的柱狀突起，這些立方纖毛呈六邊形排列。由于這些立體纖毛在整個(gè)細(xì)胞表面上的長(zhǎng)度不一，纖毛束看上去就像皮下注射器針頭的尖端部，呈一個(gè)傾斜的結(jié)構(gòu)(圖4b)。每個(gè)立體纖毛都是一個(gè)剛性的圓柱，它的細(xì)胞骨架包含有一束纖維蛋白橫向連接起來(lái)的肌動(dòng)蛋白絲，橫向連接使得立體纖毛比一束毫無(wú)連接的肌動(dòng)蛋白絲更加堅(jiān)固。立體纖毛的核心由一層管狀的漿膜殼覆蓋著。盡管一根獨(dú)立的立體纖毛的直徑在沿著其長(zhǎng)度的方向似乎是不變的，但是仍然可以用千分尺測(cè)出它在逐漸變細(xì)。當(dāng)立體纖毛變細(xì)的程度從0.5 μm到大約其直徑的四分之一時(shí)，其肌動(dòng)蛋白從1 000個(gè)減少到只有幾十個(gè)。這些減少了的微絲構(gòu)成了支架使立體纖毛固定于細(xì)胞表皮之上。在位于頂部膜表面的下方，由相互連接的肌動(dòng)蛋白構(gòu)成一個(gè)稍厚的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而立體纖毛的骨架是其突出的底部最細(xì)的地方，所以，作用在立體纖毛尖端的機(jī)械力會(huì)使它繞著它的基部的插入處旋轉(zhuǎn)。

圖4脊椎動(dòng)物單個(gè)毛細(xì)胞的形態(tài)學(xué)特征及其纖毛束的掃描電鏡圖

a. 蛙的內(nèi)耳感覺(jué)上皮示意圖，可見(jiàn)毛細(xì)胞具有明顯的上皮細(xì)胞特征。圓柱形的毛細(xì)胞在其頂端周?chē)ㄟ^(guò)一種連接復(fù)合體與相鄰的支持細(xì)胞相連接。機(jī)械敏感性細(xì)胞器從細(xì)胞的頂部表面一直延伸到纖毛束.在細(xì)胞膜的基底外側(cè)的表面形成傳入和傳出突觸聯(lián)系

b. 毛細(xì)胞的頂部表面的掃描電鏡圖，顯示纖毛束突出到內(nèi)淋巴約8 μm。 每個(gè)纖毛束由大約60根靜纖毛組成，每個(gè)圓柱形的靜纖毛都有一個(gè)逐漸變細(xì)的根部,按不同長(zhǎng)度呈階梯狀排列。在纖毛束較高的一邊樹(shù)立著僅僅一根動(dòng)纖毛，動(dòng)纖毛具有類(lèi)似軸突樣的結(jié)構(gòu)，并且在其頂尖部呈球狀膨隆。毛細(xì)胞被支持細(xì)胞所包繞，支持細(xì)胞的頂部表面分布著一些較短的微絨毛。