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(4)

湯浩 石麗娟 于利 曹宇

2 毛細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的幾個(gè)特點(diǎn)

2.1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中無第二信使參與 已知毛細(xì)胞的直接的機(jī)械-電轉(zhuǎn)導(dǎo)是很迅速的，原因在于毛細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是無第二信使干涉的。與此相反，許多其它的感覺感受器，比如視覺感受器和嗅覺神經(jīng)元，在轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中必須有環(huán)狀核苷酸或者其它的第二信使參與。這一轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的優(yōu)越性在于它的酶器，并且在代謝通路中產(chǎn)生反饋，因此，允許這些感覺感受器具有快速的適應(yīng)或減感的控制性。

那么無第二信使干涉的轉(zhuǎn)導(dǎo)的選擇性優(yōu)勢(shì)是什么呢？答案就在反應(yīng)的速度上。毛細(xì)胞的控制要比脊椎神經(jīng)系統(tǒng)的其它感覺感受器快得多，并且比神經(jīng)的本身還要快。為了適應(yīng)生物性相關(guān)刺激的頻率，毛細(xì)胞的轉(zhuǎn)導(dǎo)速度必須很迅速。對(duì)空氣中聲音的運(yùn)動(dòng)和收發(fā)聲音的器官(如鼓膜等)研究表明，最理想的聽覺轉(zhuǎn)導(dǎo)發(fā)生在0.1～100 kHz的頻率范圍內(nèi)。過高的頻率在空氣中傳播的效果較差；過低的頻率是無效率的傳播，并且只能被大小適宜的動(dòng)物所捕獲。

聲源的位置更嚴(yán)格地限定了轉(zhuǎn)導(dǎo)速度。如果一個(gè)聲源直接位于一個(gè)動(dòng)物的一側(cè)，發(fā)出的聲波到達(dá)近側(cè)耳將比到達(dá)遠(yuǎn)側(cè)耳更快一些。對(duì)于人類，這一延遲至多大約是700 μs。人和貓頭鷹可以在更小的一過性延遲時(shí)間(大約是10 μs)內(nèi)確定聲源的位置。由此可見，毛細(xì)胞必須能夠以微秒水平的速度探測(cè)到聲波的波形。毛細(xì)胞對(duì)高頻刺激的反應(yīng)充分表明其轉(zhuǎn)導(dǎo)通道的開閉是非常快的。由于哺乳動(dòng)物能夠?qū)Υ笥?00 kHz的頻率作出反應(yīng)，因此毛細(xì)胞很可能更快地控制等級(jí)狀次序的速度。但是，低等動(dòng)物卻對(duì)相對(duì)較低頻率的聲波敏感。在24℃時(shí)，對(duì)于適宜強(qiáng)度的刺激的反應(yīng)的時(shí)間常數(shù)只有80 μs。

毛細(xì)胞的一過性反應(yīng)決定了它們對(duì)刺激的敏感性。但毛細(xì)胞的反應(yīng)并不是不變的，其機(jī)械敏感性有著不同的方式，一個(gè)給定的細(xì)胞對(duì)與之相適應(yīng)的刺激反應(yīng)最強(qiáng)。但一定范圍的適當(dāng)刺激(忽略低頻輸入)，毛細(xì)胞有一個(gè)獨(dú)特的適應(yīng)方式來承受刺激。許多毛細(xì)胞能探測(cè)擺動(dòng)的刺激并產(chǎn)生電共振現(xiàn)象，最后使得每個(gè)細(xì)胞調(diào)整到一個(gè)特定的頻率。

2.2毛細(xì)胞可適應(yīng)持久的刺激 不論它如何精密地生長，具有高度機(jī)械敏感性的纖毛束轉(zhuǎn)導(dǎo)器都不可能始終平衡地保持在原位。一些機(jī)制必須用來均衡發(fā)育的不規(guī)則以及環(huán)境的變化，通過重新設(shè)置門控彈簧來適應(yīng)纖毛束的靜息位置。一個(gè)連續(xù)的調(diào)節(jié)過程校準(zhǔn)了纖毛束的機(jī)械敏感性范圍，對(duì)于瞬時(shí)的刺激在抵制大約一百萬倍的靜電輸入的同時(shí)，它仍可以維持較高的敏感性。

調(diào)節(jié)作用表明，在拖延纖毛束感受器偏離的過程中感受器電位是逐步減弱的。這一過程同感受器持續(xù)敏感性的減感作用是不同的。但是，在延長的刺激作用下，毛細(xì)胞的機(jī)械敏感范圍從纖毛束的靜息位置移動(dòng)到受刺激維持的偏移位置。適應(yīng)出現(xiàn)在三等級(jí)的對(duì)稱，要比機(jī)械電轉(zhuǎn)導(dǎo)慢。當(dāng)內(nèi)淋巴浸潤著纖毛束時(shí)，適應(yīng)的時(shí)間常數(shù)接近或等于25 ms。適應(yīng)的速度和程度隨著接觸到細(xì)胞頂部的液體中的Ca2+濃度的增加而增加[3,11]。

適應(yīng)又是怎樣發(fā)生的呢？由于在適應(yīng)的過程中纖毛束的硬度會(huì)發(fā)生變化，因此這一過程明顯包括通過門控彈簧對(duì)壓力負(fù)擔(dān)的調(diào)整。固定每個(gè)頂端連接的上部的插入斑在由活性分子發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)下重新配置。纖毛束包括幾個(gè)作為該角色的候補(bǔ)物質(zhì)——不同形式的球蛋白，和沿著肌動(dòng)蛋白絲并且與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的分子。例如，免疫組織化學(xué)研究表明肌球蛋白Ⅰβ在立體纖毛頂端附近叢生，很可能是插入斑處。肌球蛋白Ⅵ和Ⅶa也可以出現(xiàn)在纖毛束中。這些同工酶的ATP酶活性受到許多相關(guān)的調(diào)鈣素的調(diào)節(jié)，而它們的功能至今仍未被發(fā)現(xiàn)。許多這樣的肌球蛋白分子可能通過升高細(xì)胞骨架肌動(dòng)蛋白纖維，牽引頂端連接與它們的附著點(diǎn)維持了每個(gè)頂端連接的壓力(圖7)。

圖8上方曲線顯示纖毛束在受到正向的或反向的持續(xù)很長時(shí)間的偏移時(shí)的電學(xué)反應(yīng)。一個(gè)陽性(正向)刺激的電學(xué)反應(yīng)表現(xiàn)為開始是去極化，緊接著逐漸降低到一個(gè)平臺(tái)期，在刺激停止時(shí)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)尖峰。陰性(反向)刺激時(shí)表現(xiàn)出一個(gè)補(bǔ)償性反應(yīng)，在刺激過程中，感受器電位大大地減弱，但在末尾出現(xiàn)一個(gè)反彈。下面的模型圖表示，立體纖毛偏移與門控彈簧的變化關(guān)系。陽性(正向箭頭)刺激引起的纖毛束的移動(dòng)增加了頂端連接的張力，從而開放了轉(zhuǎn)導(dǎo)通道，正離子進(jìn)入，對(duì)應(yīng)于上面的去極化反應(yīng)。然而，當(dāng)刺激持續(xù)時(shí)，頂端連接的較高一側(cè)的插入點(diǎn)沿著靜纖毛向下移動(dòng)，表明在適應(yīng)過程中可以使每一個(gè)通道都能夠關(guān)閉。而在陰性刺激過程中，通過頂端連接較高一側(cè)的插入點(diǎn)又主動(dòng)上移(見最右側(cè)圖再轉(zhuǎn)到最左側(cè)初始圖)，張力重新儲(chǔ)存到初始的松弛狀態(tài)的頂端連接中(又回到靜息狀態(tài))?？梢姡?dāng)一個(gè)刺激逐步增加門控彈簧上的壓力時(shí)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)導(dǎo)通道開放，允許正離子流入。當(dāng)Ca2+在立體纖毛細(xì)胞漿中聚集時(shí)，它們同調(diào)鈣素相互作用，引起相應(yīng)的肌球蛋白Ⅰβ分子產(chǎn)生更小的向上的力。因此，門控彈簧可以降低肌球蛋白分子向上的力，并最終使之縮短。當(dāng)彈簧達(dá)到它的靜息壓力時(shí)，轉(zhuǎn)導(dǎo)通道的關(guān)閉減少了Ca2+的流入，直至恢復(fù)到原來的水平，亦即使肌球蛋白產(chǎn)生的向上的力和彈簧使之產(chǎn)生的向下的力之間達(dá)到平衡。

圖7毛細(xì)胞的機(jī)械-電轉(zhuǎn)導(dǎo)作用的適應(yīng)現(xiàn)象

a.在一系列實(shí)驗(yàn)中，使纖毛束受到同屬一組的偏移刺激及其產(chǎn)生的感受器電位。在(1)之前施加了不同強(qiáng)度的偏移刺激，而在纖毛束偏移過程中以兩倍的強(qiáng)度維持偏移100 ms(2)～(3)?？梢娺@一組的感受器電位顯示在開始階段出現(xiàn)一個(gè)快速的去極化，緊接著在維持刺激過程中感受器電位逐漸降低到一個(gè)平臺(tái)期

b.在偏移前及偏移過程中，纖毛束的位移與電學(xué)反應(yīng)間的關(guān)系。當(dāng)適應(yīng)現(xiàn)象開始時(shí)，纖毛束的位移與感受器電位間的“S”形的關(guān)系沿著橫坐標(biāo)變化，但曲線的形狀和幅度沒有實(shí)質(zhì)性的改變。這個(gè)結(jié)果提示，在適應(yīng)一個(gè)延長的刺激時(shí)，纖毛束的機(jī)械敏感性的遷移范圍是朝向維持纖毛束舉起時(shí)的機(jī)械敏感性位點(diǎn)的

圖8毛細(xì)胞的適應(yīng)現(xiàn)象的模型

上方曲線為，纖毛束在受到正向的或反向的持續(xù)很長時(shí)間的偏移時(shí)的電學(xué)反應(yīng)。下面的模型圖表示立體纖毛偏移與門控彈簧的變化關(guān)系

2.3毛細(xì)胞調(diào)諧于特定的刺激頻率 毛細(xì)胞必須與具有很低能量的聽覺刺激競爭，如果刺激由一個(gè)周期性的信號(hào)組成，例如，純音的正弦曲線壓力，一個(gè)探測(cè)系統(tǒng)可以通過選擇性地放大相應(yīng)頻率的反應(yīng)加強(qiáng)它的信噪比(SNR)。目前已知，至少有兩種細(xì)胞機(jī)制作用于這一任務(wù)的完成。

首先，纖毛束的機(jī)械特性使得它調(diào)整到一個(gè)特定的頻率。這一普通的纖毛束頻率依賴于它的機(jī)械性質(zhì)，這一性質(zhì)正如音叉的共鳴頻率取決于它的彈性和音叉的質(zhì)量。使得纖毛束恢復(fù)到靜息位置的彈性物質(zhì)包括門控彈簧和立體纖毛基部肌動(dòng)蛋白支根。由于纖毛束運(yùn)動(dòng)通過一個(gè)粘性的介質(zhì)，其粘性也使得運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重受阻。此外，纖毛束調(diào)諧的相應(yīng)的物質(zhì)包括隨纖毛束移動(dòng)而擺動(dòng)的內(nèi)淋巴流。盡管纖毛束最佳反應(yīng)是在一個(gè)特定的頻率，但這與音叉在刺激停止后不能持續(xù)振動(dòng)是不同的。

在不同動(dòng)物聽覺器官中，纖毛束的長度在沿著器官頻率軸的方向上有系統(tǒng)的區(qū)別，對(duì)聽覺的、振動(dòng)的、加速的低頻刺激作出反應(yīng)的毛細(xì)胞具有最長的纖毛束，而感受最高頻聽覺信號(hào)的毛細(xì)胞具有最短的纖毛束，例如，在人耳蝸中，一個(gè)對(duì)20 kHz有反應(yīng)的內(nèi)毛細(xì)胞擁有4 μm的纖毛束。相對(duì)地，一個(gè)對(duì)20 Hz的刺激敏感的毛細(xì)胞擁有超過7 μm高的纖毛束。這種解剖學(xué)位置和細(xì)胞最敏感的頻率之間的系統(tǒng)性的關(guān)系被稱為張力映射或聲調(diào)諧映射(tonotopic mapping)[3]。這一現(xiàn)象在聽覺系統(tǒng)十分普遍。

電腦模型顯示音叉機(jī)制使用不與蓋膜接觸的自立細(xì)胞來調(diào)整毛細(xì)胞。這些細(xì)胞包括人耳蝸的內(nèi)毛細(xì)胞，它們是提供通過耳蝸神經(jīng)傳遞大部分信息的感受器。立體纖毛的長度可能也影響纖毛束插入蓋膜的那些毛細(xì)胞的調(diào)諧，這是由于這些細(xì)胞中存在一種纖毛束長度和特征性頻率之間的反比關(guān)系。

其次，調(diào)節(jié)個(gè)體細(xì)胞到特定頻率的第二種機(jī)制在本質(zhì)上是電的，并且發(fā)生在機(jī)械-電轉(zhuǎn)導(dǎo)之后，即膜電位。在魚類、兩棲類、爬行類和鳥類的毛細(xì)胞膜電位在一個(gè)特殊的頻率處產(chǎn)生共鳴。包括人類在內(nèi)的哺乳動(dòng)物的耳中，電共鳴是否應(yīng)用于頻率調(diào)諧仍不明確。電共鳴是通過兩棲類實(shí)驗(yàn)得到證明的[12]：將脈沖電流刺激海龜毛細(xì)胞時(shí)，膜電位形成一種按指數(shù)規(guī)律的、阻尼的、正弦曲線的振動(dòng)(圖9a)。當(dāng)毛細(xì)胞受到具有不變振幅的機(jī)械刺激時(shí)，它的轉(zhuǎn)導(dǎo)器會(huì)在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生反應(yīng)。當(dāng)毛細(xì)胞受到電流刺激后，使膜電位共鳴的特定頻率的刺激可以引起最大的感受器電位。在這種動(dòng)物里，毛細(xì)胞對(duì)于特定頻率的回應(yīng)的分布一般符合張力映射(或聲調(diào)諧映射)。例如，對(duì)于爬行類和鳥類的聽覺感受器官，在基底部的乳突上存在一個(gè)沿著器官的，毛細(xì)胞與其調(diào)諧的頻率的連續(xù)轉(zhuǎn)變。因此認(rèn)為，毛細(xì)胞基底外側(cè)的突觸遞質(zhì)釋放是由膜電位控制的。而突觸后神經(jīng)纖維支配的毛細(xì)胞是對(duì)特定頻率刺激反應(yīng)最強(qiáng)的。

電共鳴的起源是通過使用電壓鉗技術(shù)對(duì)孤立的毛細(xì)胞進(jìn)行記錄而確定的(圖9b)。振動(dòng)的去極化是由通過電壓敏感性Ca2+通道進(jìn)入毛細(xì)胞的電流驅(qū)動(dòng)的；而復(fù)極化的現(xiàn)象是由Ca2+敏感性K+通道向外流出的電流引起的。許多因素構(gòu)成了共振的頻率和阻尼：如膜電容，Ca2+、K+通道的數(shù)量和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)以及Ca2+擴(kuò)散的時(shí)程等。