เมนูนำทาง
การขยายเสียงของคอเคลีย
ในคอเคลียของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม การขยายเสียงจะเกิดขึ้นที่เซลล์ขนด้านนอก (OHC) ในอวัยวะของคอร์ติเป็นเซลล์ที่อยู่บนเยื่อกั้นหูชั้นใน (basilar membrane หรือเยื่อฐาน ตัวย่อ BM) ซึ่งไวต่อความถี่เสียงโดยเฉพาะ ๆ ที่จุดต่าง ๆคลื่นเสียงความถี่ต่าง ๆ จะวิ่งเข้าไปในท่อ scala vestibuli ของคอเคลียแล้ววิ่งผ่านเซลล์ซึ่งสร้างแรงดันที่เยื่อฐานและเยื่อคลุม (tectorial membrane) ของคอเคลีย โดยเยื่อจะขยับตอบสนองต่อคลื่นเสียงที่ความถี่โดยเฉพาะ ๆ มีรูปเหมือนกับคลื่นวิ่ง (travelling wave)
เมื่อเยื่อเหล่านี้สั่นและเบนขึ้น (ในเฟส rarefaction ของคลื่น) มัดขน stereocilia ของ OHC ก็จะขยับไปทาง stereocilia ที่สูงสุดเป็นเหตุให้ใยเชื่อมปลาย (tip links) ที่มัดขน ดึงเปิดช่องไอออนให้ Na+ และ K+ ไหลเข้ามาในเซลล์ทำให้เซลล์ลดขั้ว (depolarized)แล้ว OHC ก็จะเริ่มขยายเสียงโดยการป้อนกลับเชิงบวกซึ่งเกิดจากกลไก somatic motor และ hair bundle motor ซึ่งทำงานเป็นอิสระจากกันและกัน
somatic motor เป็นสมรรถภาพของตัวเซลล์ OHC ที่จะยืดหรือสั้นลงตามยาวเนื่องจากความเปลี่ยนแปลงของศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ (membrane potential)ซึ่งเป็นหน้าที่ที่เหมาะเจาะของ OHC ภายในอวัยวะของคอร์ติถ้าดูผ่านกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ ส่วนยอดของ OHC จะยึดอยู่กับ reticular lamina ในขณะที่ส่วนฐานจะยึดกับ cupula ของ Deiter's cell[15]เพราะตัวเซลล์ไม่ได้ติดกับโครงสร้างอื่น ๆ แต่ล้อมด้วยน้ำ perilymph ดังนั้น OHC จึงพิจารณาว่าสามารถยืดหยุ่นได้ และเหมาะให้เกิดกระบวนการ electromotility (การเคลื่อนไหวเองของเซลล์อาศัยไฟฟ้า) ได้
Prestin เป็นโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ (transmembrane) ที่เป็นมูลฐานของการยืดและหดได้ของ OHC ซึ่งสำคัญต่อการเคลื่อนไหวได้เองอาศัยไฟฟ้าโปรตีนนี้ไวต่อความต่างศักย์และยังเป็นตัวขนส่งแอนไอออนอีกด้วย ที่งานศึกษาก่อน ๆ ได้เข้าใจผิดมาก่อนแต่ว่า บทบาทของการขนส่งแอนไอออนในกระบวนการ somatic motor ยังไม่ชัดเจน[16]
ภายใต้ภาวะพัก เชื่อว่า คลอไรด์จะยึดอยู่กับจุดยึดแบบ allosteric ของ prestinเมื่อ BM เบนขึ้นแล้วมัดขนเบนไปทาง steroecilia ที่สูงสุด ช่องที่ stereocilia ก็จะเปิดปล่อยให้ไอออนไหลเข้า ทำให้เซลล์ลดขั้วคลอไรด์ภายในเซลล์ก็จะหลุดออกจากจุดยึด allosteric ในโปรตีน ทำให้ prestin หดลงเมื่อ BM เบนลง เซลล์ก็จะเพิ่มขั้ว คลอไรด์ก็จะเข้ายึดที่จุด allosteric มีผลให้ prestin ขยายตัว[17]
การเข้ายึดหรือหลุดออกของคลอไรด์จะเปลี่ยนค่าความประจุไฟฟ้าของ prestinมีผลเป็น nonlinear capacitance (NLC) ซึ่งทำให้ prestin ยึดหรือหดลงอาศัยไฟฟ้าตามที่ได้กล่าวแล้วการแปรศักย์ไฟฟ้าแบบไม่ใช่เชิงเส้นยิ่งใหญ่เท่าไร prestin ก็จะตอบสนองมากขึ้นเท่านั้นซึ่งแสดงความไวศักย์ไฟฟ้าที่อาศัยความเข้มข้นของไอออนที่อยู่รอบ ๆ
prestin เรียงอยู่ที่ชั้นไขมันคู่ (lipid bilayer) ของเยื่อหุ้มเซลล์ของ OHC[16][17]ดังนั้น การเปลี่ยนรูปของ prestin จำนวนมาก ซึ่งมักจะรวมจับกัน ในที่สุดก็จะเปลี่ยนรูปร่างของ OHCและ prestin ที่ยาวขึ้นจะทำให้เซลล์ยืดตัวออก ในขณะที่ prestin ที่สั้นลงจะทำให้เซลล์หดตัว[17]เพราะว่า OHC ติดอยู่กับ reticular lamina และ Deiter's cell การเปลี่ยนรูปของ OHC จึงทำให้เซลล์ทั้งสองเคลื่อนด้วย และเปลี่ยนแรงสั่นของ cochlear partition โดยสามารถตรวจจับได้
ต่อจากการเบน BM ในเบื้องต้นที่ทำให้มัดขนเบนไปในทางบวก เยื่อ reticular lamina ก็จะได้รับแรงกดลดลง มีผลให้มัดขนเบนไปในทางลบซึ่งทำให้ช่องใน stereocilia ปิด มีผลให้ OHC เพิ่มขั้ว (hyperpolarization) และยืดตัว[18]
ที่ฐานของมัดขนเป็น cuticular plate ที่เต็มไปด้วยโปรตีน actin[15]สันนิษฐานกันว่า กระบวนการพอลิเมอไรเซชันของ actin มีบทบาทที่ขาดไม่ได้ในการควบคุมการขยายเสียงของคอเคลียคือ เมื่อ actin เกิดพอลิเมอไรเซชัน ทั้งแอมพลิจูดของการเคลื่อนไหวเองอาศัยไฟฟ้าและความยาวของ OHC ก็จะเพิ่มขึ้น[1]แต่ว่า ความเปลี่ยนแปลงต่อ actin ไม่ได้เปลี่ยน NLC ซึ่งแสดงว่า บทบาทของ actin ต่อการขยายเสียงของคอเคลียแยกต่างหากจากของ prestin
hair bundle motor เป็นแรงที่เกิดเนื่องจากสิ่งเร้าเชิงกลซึ่งเกิดผ่านช่อง MET (mechanoelectrical transduction) ซึ่งเปิดให้ไอออน Na+, K+, และ Ca2+ ไหลผ่าน[19]และทำงานโดยเบนมัดขนไปในทางบวกและให้แรงป้อนกลับเชิงบวกต่อเยื่อฐาน ซึ่งทำให้เยื่อไหวเพิ่มแล้วทำให้ตรวจจับเสียงได้ดีขึ้นมีกลไกสองอย่างที่ได้เสนอสำหรับกระบวนการนี้ คือ การปรับตัวเร็ว (fast adaptation, channel re-closure) และการปรับตัวช้า (slow adaptation)
แบบจำลองนี้อาศัยเกรเดียนต์ (อัตราความต่าง) ของแคลเซียมที่เกิดขึ้น เมื่อเปิดปิดช่อง METการเบนใยเชื่อมปลายในทางบวกจะดึงมัดขนไปทาง stereocilia ที่สูงสุด ซึ่งเปิดช่อง METซึ่งทำให้ Na+, K+, และ Ca2+ ไหลผ่านได้[20]
นอกจากนั้นแล้ว Ca2+ ยังเข้ายึดกับจุด cytostolic ของช่อง MET ในช่วงสั้น ๆ โดยห่างจากรูของช่องเพียงประมาณแค่ 5 นาโนเมตรและเพราะว่าใกล้ขนาดนั้น จึงสันนิษฐานว่า สัมพรรคภาพในการยึด (binding affinity) ของ Ca2+ อาจจะค่อนข้างต่ำเมื่อแคลเซียมเข้ายึดจุดนี้ ช่อง MET ก็จะเริ่มปิดลงการปิดช่องจะลดกระแสไฟฟ้าที่กำลังถ่ายโอนและเพิ่มความตึงที่ใยเชื่อมปลาย ทำให้มัดขนกลับไปอยู่ในตำแหน่งลบของตัวเร้าแต่ว่า การเข้ายึดของแคลเซียมจะมีระยะสั้น เพราะว่า ช่อง MET จะต้องร่วมการขยายเสียงในรอบต่อ ๆ ไปเมื่อแคลเซียมปล่อยจากที่ยึดแล้ว ระดับแค\เ.รบใก็จะลดลงอย่างรวดเร็ว
เนื่องจากความแตกต่างความเข้มข้นของแคลเซียมที่จุดยึด cytostolic ของช่อง MET เทียบระหว่างเมื่อแคลเซียมเข้ายึดกับเมื่อปล่อยออก เกรเดียนต์ของแคลเซียมจึงเป็นตัวสร้างพลังงานทางเคมีดังนั้น การแกว่งกวัดของความเข้มข้นแคลเซียมและการสร้างแรงจึงเป็นตัวสนับสนุนการขยายเสียง[20][21]ส่วนระยะเวลาของกลไกนี้อยู่ในระดับร้อย ๆ ไมโครวินาที ซึ่งเป็นความเร็วที่จำเป็นเพื่อขยายเสียงความถี่สูง
เทียบกับแบบจำลองการปรับตัวเร็ว การปรับตัวช้า (slow adaptation) อาศัยโปรตีนมอร์เตอร์ myosin เพื่อเปลี่ยนความแข็งอ่อนของใยเชื่อมปลาย (tip link) ที่เป็นตัวเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าผ่านช่อง
ในขั้นต้น stereocilia จะเบนไปในทางบวกแล้วเปิดช่อง MET ปล่อยให้ไอออน Na+, K+, และ Ca2+ ไหลเข้ามาได้กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าตอนแรกจะเพิ่มแล้วลดลงอย่างรวดเร็วเพราะ myosin จะลดความตึงของใยเชื่อมปลายมีผลเป็นการปิดช่อง[22]สันนิษฐานว่า ใยเชื่อมปลายยึดอยู่กับมอร์เตอร์ myosin ที่วิ่งขึ้นลงตามใย actin ของ stereocilia[23]และกระบวนการพอลิเมอไรเซชันของ actin ก็อาจจะมีบทบาทสำคัญในกลไกนี้ เหมือนกับที่มีในการเคลื่อนไหวเองอาศัยไฟฟ้าของ OHC
ยังมีหลักฐานว่า แคลเซียมก็มีบทบาทสำคัญในกลไกนี้คือ งานศึกษาแสดงว่า เมื่อระดับแคลเซียมนอกเซลล์ลง โปรตีนมอร์เตอร์คือ myosin ก็จะตึงขึ้น ทำให้ช่องเปิดเมื่อช่องเปิด การไหลเข้าของแคลเซียมก็จะลดความตึงของ myosin ซึ่งทำให้ใยเชื่อมปลายกลับไปสู่สภาพเดิมแล้วปิดช่อง[22]ซึ่งสันนิษฐานว่า มีเหตุจากแคลเซียมเข้ายึดกับ myosinโดยระยะเวลาของกลไกนี้อยู่ที่ 10-20 มิลลิวินาทีซึ่งเป็นค่าเวลาที่ต้องใช้ขยายเสียงความถี่ต่ำ[21]
การอาศัยความตึงแข็ง (ของใยเชื่อมปลาย) และการอาศัยแคลเซียม (ของมอร์เตอร์ myosin) เป็นกลไกป้อนกลับที่สำคัญและปฏิกิริยาของ myosin ต่อการเบนของมัดขน ทำให้มันไวต่อการเปลี่ยนตำแหน่งของมัดขนเพียงเล็ก ๆ น้อย ๆ
การเคลื่อนไหวเองอาศัยไฟฟ้าอาศัย prestin ของ OHC มีแรงมากกว่าที่เกิดจากการเบนมัดขนโดยงานทดลองหนึ่งแสดงว่า somatic motor ทำให้เกิดแรงเป็น 40 เท่าที่เยื่อหุ้มเซลล์ที่ยอด (apical) และ 6 เท่าที่เยื่อฐาน (basilar membrane) มากกว่า hair bundle motorความแตกต่างอย่างหนึ่งระหว่างระบบมอร์เตอร์ทั้งสองอย่างนี้ก็คือการเบนขนตรงข้ามกันคือ hair bundle motor อาศัยการเบนในทางบวกเพื่อสร้างแรง ในขณะที่ somatic motor อาศัยการเบนตรงกันข้าม
อย่างไรก็ดี ทั้งสองสามารถทำให้เยื่อฐานขยับได้อย่างสำคัญซึ่งช่วยเบนขน IHC และขยายสัญญาณเสียง[18]คือ แรงกลที่เกิดจากกลไกเหล่านี้จะเพิ่มการเคลื่อนไหวของเยื่อฐานซึ่งก็จะมีอิทธิพลต่อการเบนขนของ IHCอันเป็นเซลล์ที่เชื่อมกับปลายประสาทนำเข้าที่ส่งสัญญาณเกี่ยวกับเสียงไปยังสมอง
เมนูนำทาง
การขยายเสียงของคอเคลียใกล้เคียง
แหล่งที่มา
WikiPedia: การขยายเสียงของคอเคลีย