Физиология слухового анализатора.

Физиология слухового анализатора.

Физиология слухового анализатора.

Восприятие звука во внутреннем ухеМеханические явления. Когда звук вызывает колебания стремени, оно передает его энергию перилимфе вестибулярной лестницы. Поскольку жидкость во внутреннем ухе несжимаема, должна существовать какая-то структура, обеспечивающая уравнивание давлений. Это - круглое окно. Его мембрана выгибается в направлении, противоположном движению стремени. Последнее в то же самое время выводит из состояния покоя ближайшую к нему базальную часть средней лестницы вместе с охватывающими ее рейснеровой и основной мембранами, и она колеблется вверх и вниз по направлению то к вестибулярной, то к барабанной лестнице. Для простоты в дальнейшем мы будем называть среднюю лестницу вместе с ее мебранами эндолимфатическим каналом. Смещение его основания генерирует волну, распространяющуюся от стремени к геликотреме, как по туго натянутой веревке. Поскольку звук непрерывно колеблет стремя, к геликотреме регулярно следуют так называемые бегущие волны. Жесткость базилярной мембраны от стремени к геликотреме снижается, поэтому скорость распространения волн постепенно падает, а их длина уменьшается. По той же причине их амплитуда сначала увеличивается, становясь значительно больше, чем около стремени, но под действием гасящих свойств заполненных жидкостью каналов внутреннего уха вскоре после этого уменьшается до нуля, обычно еще перед геликотремой. Где-то между точками возникновения волны и ее затухания находится участок, где ее амплитуда максимальна. Этот амплитудный максимум зависит от частоты: чем она выше, тем он ближе к стремени: чем ниже, тем дальше. В результате амплитудному максимуму каждой частоты в диапазоне слышимости соответствует специфический участок эндолимфатического канала (базилярной мембраны). Это называют частотной дисперсией. Сенсорные клетки сильнее всего возбуждаются там, где амплитуда колебаний максимальна, поэтому разные частоты действуют на различные клетки (теория места).Описанные выше волновые движения, и в частности положение амплитудного максимума, можно наблюдать с помощью метода Мессбауэра, емкостного датчика или интерферометрических методов. Даже максимальная амплитуда волн крайне мала. Для звука на уровне порога слышимости отклонение мембраны составляет всего лишь около 10-10 м. Другой важный момент — строгая локализация амплитудного максимума: различные участки базилярной мембраны очень четко «настроены» на определенную частоту, если улитка полностью интактна. При ее повреждении (например, при легкой гипоксии) амплитуда колебаний снижается, и такая тонкая настройка утрачивается. Процессы преобразования в волосковых клетках.Улитка кодирует звуковые стимулы по их частотному содержанию, и последующие стадии слуховой системы используют этот тонотопический анализ, чтобы определить смысл речи и значение других сложных звуков.Благодаря механическим свойствам улитки определенная звуковая частота вызывает колебания базилярной мембраны с достаточной для возбуждения сенсорных клеток амплитудой только в одном, строго ограниченном месте. Поскольку базилярная и текториальная мембраны движутся относительно друг друга, возникает действующее на реснички сдвиговое усилие - как при прямом их контакте с текториальной мембраной, так и в результате перемещения субтекториальной лимфы; в обоих случаях их изгибание служит адекватным стимулом для слуховых рецепторов.Это изгибание запускает процесс преобразования (трансдукции): микроскопические механические деформации ресничек приводят к открытию ионных каналов в мембране волосковых клеток и, следовательно, к их деполяризации. Ее предпосылкой служит наличие эндокохлеарного потенциала. Существуют две различные группы волосковых клеток в улитке млекопитающих: внутренние волосковые клетки и внешние волосковые клетки. Они различаются по своему расположению (внутренние волосковые клетки ближе к центральной оси спирали улитки) и по паттерну иннервации. Внутренние волосковые клетки получают более 90% афферентных контактов улитки); внешние волосковые клетки являются постсинаптическими мишенями для эфферентной иннервации. Покровная мембрана (tectorial membrane) налегает на волосковые пучки как внутренних, так и внешних волосковых клеток, и различие в движении покровной и базилярной мембран приводит к боковому сдвигу, открывающему каналы механотрансдукции.Микроэлектродные измерения показали, что у эндолимфатического пространства положительный заряд (приблизительно + 80 мВ) относительно вестибулярной лестницы и других внеклеточных пространств организма. Сосудистая полоска и кортиев орган несут отрицательный заряд (~ - 70 мВ; рис. 12.10). Потенциалы, регистрируемые в кортиевом органе, вероятно, соответствуют внутриклеточным потенциалам волосковых и опорных клеток. Положительный эндокохлеарный потенциал обеспечивается энергозависимыми процессами в сосудистой полоске. Сдвиг ресничек при стимуляции изменяет сопротивление мембраны волосковых клеток в результате открытия ионных каналов. Поскольку между эндолимфатическим пространством и их внутриклеточной средой существует значительная разность потенциалов (не менее 150 мВ), синхронно со стимулом возникают локальные ионные токи, меняющие мембранный потенциал волосковых клеток, т.е. генерирующие рецепторный потенциал (так называемая гипотеза батареи). Зарегистрировать его трудно, но возможно. Деполяризация волосковых клеток вызывает выброс из их базальной части медиатора (возможно, глутамата), возбуждающего афферентные нервные волокна. Когда около уха раздается щелчок (короткий импульс давления), волокна слухового нерва активируются синхронно и от круглого окна, помимо микрофонного, можно записать еще и составной потенциал действия. Более длительные звуки вызывают асинхронную импульсацию, не суммирующуюся в отдельные потенциалы действия. Трансдукция механических стимуловОчевидно, что должны существовать чувствительные к растяжению ионные каналы, расположенные на механочувствительных нервных окончаниях, где генерируется рецепторный потенциал. Более того, эти каналы трансдукции должны отличаться от каналов, обеспечивающих генерацию потенциала действия, поскольку ответы на растяжение сохраняются в присутствии местного анестетика, который блокирует распространение возбуждения. Методом фиксации напряжения было показано, что токи, лежащие в основе рецепторного потенциала в рецепторах растяжения рака, обусловлены увеличением проницаемости как для натрия и калия, так и для двухвалентных катионов, а также для более крупных органических катионов, таких как трис (три[гидроксиметил]аминометан) и аргинин. Одиночные каналы, активируемые прогибанием мембраны (membrane distortion), впервые наблюдали в мембранных кусочках (пэтчах) из эмбриональных мышечных клеток цыпленка и в мембранах других клеток, не имеющих отношения к сенсорной трансдукции. Пэтч-отведения активности похожих каналов, сделанные на первичных дендритах рецептора растяжения рака, показывают, что относительные проницаемости этих каналов для натрия, калия и кальция согласуются с более ранними наблюдениями, сделанными на целой клетке. О том, как деформация мембраны вызывает открывание каналов, пока почти ничего не известно. Механочувствительные волосковые клетки уха позвоночныхНаше понимание механотрансдукции продвинулось дальше всего в изучении волосковых клеток позвоночных. Механочувствительные волосковые клетки внутреннего уха реагируют на акустическую вибрацию или движения головы, вызывающие перемещение жидкости в полостях внутреннего уха. Точная форма перемещения жидкости зависит от конфигурации и состава конкретного концевого органа, задействованного в каждом процессе. Волосковые клетки в улитке (cochlea) стимулируются движениями жидкости в диапазоне акустической частоты — у человека от 20 до 20 000 Гц. Вестибулярные концевые органы внутреннего уха построены совершенно иначе и реагируют на гораздо более низкие частоты, возникающие при движениях головы. Гравитационная нагрузка на мешочек (saccule) и маточку (utricle), создаваемая содержащей кристаллики отолитовой мембраной (otolithic membrane), обеспечивает чувствительность этих эпителиальных структур к линейному ускорению. Волосковые клетки в полукружных каналах (semicircular canals) активируются угловым ускорением при вращении головы. Независимо от типа движения, перемещение жидкости вызывает отклонение пучка модифицированных микроворсинок, или сте-реоцилий, которые отходят от апикальной поверхности волосковой клетки. Отклонение пучка напрямую приводит к открыванию механочувствительных ионных каналов.Структура рецепторов волосковых клетокВолосковые клетки и окружающие их вспомогательные клетки формируют эпителиальные слои, которыми отделены друг от друга разнородные жидкие среды внутреннего уха. Базально-латеральные участки мембраны волосковых клеток омываются перилимфой, сходной по составу с обычной внеклеточной жидкостью, содержащей много натрия и мало калия. Апикальная поверхность волосковой клетки, формирующая волоски, повернута в сторону эндолимфы, раствора, сходного определенным образом с цитоплазмой и содержащего калий в высокой концентрации, а натрий и кальций — в низкой. Волосковые клетки на своих базально-латеральных поверхностях формируют синаптические контакты с афферентными волокнами. Некоторые волосковые клетки также получают синаптические входы от эфферентных нейронов ствола мозга.На волосковых клетках разных типов, независимо от места их расположения, находится от нескольких десятков до сотен ранжированных по высоте стереоцилий (видоизмененных микроворсинок, содержащих филаменты полимеризованного актина). В составе любого пучка стереоцилии расположены в порядке повышения высоты, как трубы органа или как ступеньки лестничного марша. Во многих волосковых клетках находится только один настоящий волосок, киноцилий (содержащий набор из 9 + 2 микротрубочек). Во время отклонения пучка стереоцилии ведут себя как жесткие удилища и сгибаются только в месте прикрепления. Разнообразные боковые сочленения способствуют тому, что скопление стереоцилии перемещается как единый волосковый пучок.Трансдукция через отклонение волоскового пучкаИзвестно, что электрические реакции в волосковых клетках возникают благодаря деформации волоскового пучка. Слуховой и вестибулярный эпителий холоднокровных позвоночных, таких как черепахи и лягушки, использовали для проведения опытов, Кроуфордом и Феттиплейсом для стимуляции волосковых клеток в базальном сосочке (basilar papilla) черепахи (слуховой эпителий, аналог органа Корти у млекопитающих). Хадспет и его коллеги детально описали процесс трансдукции в вестибулярных волосковых клетках лягушки. В одной из серий экспериментов они непосредственно продемонстрировали функциональную ориентацию волоскового пучка, варьируя направление стимуляции, осуществляемой пьезоэлектрическим манипулятором. Отклонения в сторону киноцилия деполяризовали клетку, тогда как движение от него приводит к гиперполяризации. Отклонение пучка в направлении, перпендикулярном этой оси, не вызвало изменений мембранного тока. Концевые связи и воротные пружиныПикльз и коллеги, используя сканирующий электронный микроскоп, описали уникальный класс внеклеточных связей, соединяющих верхушки одного волоска с боковой поверхностью соседнего, более длинного волоска. Эти концевые связи наблюдались только вдоль оси механической стимуляции. Положение концевых связей позволяет предположить, что они могут быть вовлечены в механотрансдукцию, а воздействие, разрывающее концевую связь, должно прекращать трансдукцию. Действительно, внеклеточные отведения указывают на то, что каналы, активируемые механическим стимулом, расположены вблизи вершины волоскового пучка.Количественные измерения трансдукции и идентификация концевых связей были объединены в гипотезе воротной пружины (gating spring), описывающей механизм механотрансдукции в волосковых клетках. Отклонение волоскового пучка в «позитивном» направлении (в сторону более высоких волосков) увеличивает расстояние между концами волосков, растягивает воротную пружину, открывая таким образом ворота каналов трансдукции. Когда пучок смещается в сторону, противоположную более длинным волоскам, происходит сжатие пружины, и каналы закрываются. Хотя такая схема может показаться достаточно идеализированной, однако требование прямой физической связи между механикой пучка и открыванием канала диктуется огромной скоростью, с которой в волосковых клетках происходит трансдукция, имеющая постоянную времени открывания около 40 мкс. Каналы трансдукции в волосковых клеткахОказалось, что на концах волосковых клеток не избирательные катионные каналы, имеющие значительную кальциевую проводимость. Проводимость одиночного канала — около 100 пСм. На основании этих данных, а также измерений величины общего генераторного тока можно рассчитать, что каждая волосковая клетка имеет около 100 каналов трансдукции. Это соответствует всего нескольким каналам на один стереоцилий. Очень малое количество каналов в каждой волосковой клетке существенно затрудняет их биохимическое и молекулярно-биологическое исследование. Каналы трансдукции волосковых клеток не являются потенциалзависимыми и не открываются какими-либо лигандами в традиционном смысле этого слова. Эфферентное торможение улиткиСлуховые рецепторы подвергаются эфферентной регуляции. Нейроны комплекса верхних олив (olivary complex) в стволе мозга млекопитающих проецируются на ипсилатералъную и контралатералъную улитку. Активация этого пути вызывает высвобождение ацетилхолина в эфферентных синапсах на волосковых клетках и подавляет ответы на звук в афферентных волокнах улитки. Эфферентная обратная связь снижает чувствительность улитки при наличии фонового шума и снижает риск перегрузки. Это — аналог переустановки чувствительности мышечного веретена гамма-эфферентами, поддерживающими поток информации во время движения конечности в широком диапазоне положений. Эфферентные волокна активируются звуком и иннервируют ограниченные области улитки; в результате подавление шума носит частотно-специфический характер. В дополнение к восстановлению динамического диапазона торможение расширяет кривую настройки афферентных волокон. Эфферентная обратная связь может защитить улитку от повреждения громким звуком. Фактически, сила эфферентной обратной связи находится в обратном соотношении со степенью акустического повреждения, вызванного громким звуком.Электрическая подвижность волосковых клеток улитки млекопитающихЭфферентные нейроны, которые тормозят ответы улитки, образуют синапсы на внешних волосковых клетках, но не на внутренних волосковых клетках, которые генерируют нейрональный выход улитки млекопитающих. Важное свойство внешней волосковой клетки в улитке млекопитающих — электрическая подвижность. Внешние волосковые клетки, изолированные из улитки млекопитающих, укорачиваются, реагируя на деполяризацию, и удлиняются во время гиперполяризации их мембран. Эти движения не вызываются актин-миозином, но возникают в результате прямых эффектов электрического потенциала на заряженные «моторные» протеины в базолатеральной мембране. Каков бы ни был механизм электрической подвижности внешних волосковых клеток, она также способствует вибрации структуры улитки во время звуковой стимуляции, и, таким образом, увеличивает отклонение стереоцилиев внутренних волосковых клеток.Внешние волосковые клетки улучшают настройку улитки, сообщая дополнительную механическую энергию движению базилярной мембраны. Это объясняет, как эфферентные синапсы, образованные на внешних волосковых клетках, подавляют звуковой ответ внутренних волосковых клеток. Поскольку подвижность внешних волосковых клеток вызывается изменениями мембранного потенциала, синаптическое торможение действует так, что подавляет электрическую подвижность аналогично тормозным эффектам в других областях нервной системы. Торможение уменьшает активный механический вклад внешних клеток в колебания структур улитки и, таким образом, опосредованно снижает возбуждение внутренних волосковых клеток.Электрическая настройка волосковых клетокКроуфорд и Фетгиплейс предприняли исследования на черепахе, чтобы показать, что механосенсорные волосковые клетки обладают встроенной частотной избирательностью благодаря механизму электрической настройки. Когда подавался короткий звуковой стимул (щелчок), возникали затухающие колебания мембранного потенциала волосковой клетки или осциллирующий ответ с частотой около 350 Гц. Это та же частота, что и у чистых тонов, к которым волосковые клетки наиболее чувствительны. Здесь тон постоянной интенсивности подавался на внешнее ухо, и его частота постепенно менялась от 20 до 1 000 Гц. Электрический ответ волосковой клетки достигал пикового значения при 350 Гц. Осцилляция потенциала, вызванная коротким звуковым сигналом, и кривая настройки, полученная путем подбора частоты, являются эквивалентными средствами для измерения частотной избирательности волосковой клетки.Когда микроэлектрод использовали для пропускания в клетку прямоугольного толчка тока, возникала осцилляция потенциала, частота и скорость затухания которой были идентичны той, что была вызвана звуковым входом. Вывод из этих экспериментов состоит в том, что частотная избирательность волосковых клеток зависит от электрических свойств мембраны. Электрически и акустически настраиваемые частоты волосковых клеток эквивалентны и закономерно изменяются по длине базилярного сосочка черепахи, создавая тонотопический массив настроенных детекторов.Калиевые каналы волосковых клеток и их настройкаВзаимодействия между потенциалзависимыми кальциевыми и кальций-активируемыми калиевыми каналами может вызывать осцилляцию потенциала. Исследования волосковых клеток, изолированных из уха черепахи, показали, что характеристическая частота каждой клетки определена чрезвычайно элегантным и простым путем — а именно плотностью и кинетическими свойствами кальций-активируемых калиевых каналов в каждой клетке. Их называют ВК-каналами (от "big K+") из-за большой проводимости одиночного канала.В клетках, настроенных на более низкие частоты, суммарная калиевая проводимость мала и медленнее активируется, и таким образом способствует возникновению относительно медленных электрических колебаний. В клетках с более высокой частотой калиевая проводимость больше и активация быстрее. В самых низкочастотных волосковых клетках еще более медленные, исключительно потенциалзависимые калиевые каналы поддерживают колебания. Кодирование звука в волокнах слухового нерваВ улитковом нерве 90% афферентных волокон миелинцзированы и отходят от внутренних волосковых клеток. Каждое контактирует только с одной из них, т.е. с очень малой частью улитки. Эти волокна достаточно толсты для регистрации в них с помощью микроэлектродов потенциалов действия и изучения ответа на звуковую стимуляцию (волокна, отходящие от наружных волосковых клеток, для этого слишком тонки). Так как каждый участок улитки соответствует определенной частоте, каждое из таких волокон сильнее всего возбуждается своей характеристической частотой звука, а другими частотами не активируется совсем или активируется лишь при повышении звукового давления. Длительность звукового стимула кодируется продолжительностью нервной активности, а интенсивность - ее уровнем. При увеличении звукового давления возрастает и частота импульсации нейронов (до некоторого предела, после чего наступает насыщение). При очень высоком давлении, кроме того, активируются и соседние волокна, находившиеся прежде в состоянии покоя. Оба волокна возбуждаются, если звук соответствует области перекрывания их частотно-пороговых характеристик. Т.е., на уровне первичных афферентов звуковой стимул раскладывается на частотные компоненты.