معلومة

ما هي الميزات التي تسبب التكيف الحسي الميكانيكي؟

ما هي الميزات التي تسبب التكيف الحسي الميكانيكي؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

فيما يتعلق بالمستقبلات الميكانيكية (مثل الكريات الباسينية) ، ما الذي يمنع منبهًا ثابتًا من إنتاج جهود الفعل؟

أفهم أن التكيف يُستخدم لتصفية المحفزات التي لا تتغير ، ولكن ما هي الآليات الخلوية التي تحدث داخل العصبون الذي يقود هذه العملية؟


على المستوى الجزيئي يسمى هذا مستقبلات التحسس. هذا هو السبب في أن التوابل على سبيل المثال (مثل ورق الفلفل الحار الأحمر) تذوق أكثر نفاذة في المرة الأولى التي تضعها فيها في فمك وأقل مرات لاحقة (في هذه الحالة يسمى المستقبل TRPV1).

يتم التوسط في الإدراك الحسي الميكانيكي ، على الأقل جزئيًا ، عن طريق قنوات مستقبلات عابرة مماثلة (TRP) ، وبالتالي فإن الإدراك الحسي الميكانيكي يخضع أيضًا لإزالة التحسس على المستوى الجزيئي. في هذه الحالة بالذات يطلق عليه على وجه التحديد إزالة التحسس المتجانسة.

هذا ، في رأيي ، هو السبب الرئيسي وراء توقف المنبه المستمر عن إنتاج إمكانات الفعل ، في جوهره ، سيتم إزالة حساسية المستقبلات ولا يؤدي إلى تغيير إمكانات الغشاء الذي يتوسط في نقل الإشارة العصبية.


هامش

يحدث إزالة الحساسية في قنوات TRP لأن هذه القنوات تفتح للسماح لأيونات $ Ca ^ {2 +} $ بالدخول إلى الخلية وبعد التحفيز المطول سيصل تركيز $ Ca ^ {2 +} $ داخل الخلايا إلى نفس $ Ca ^ {2+} مستوى $ للوسيط خارج الخلية الذي يمنع المزيد من $ Ca ^ {2 +} $ أيونات من دخول الخلية.

إن تدفق $ Ca ^ {2 +} $ إلى الخلية هو ما يثير اختلافًا في إمكانات الغشاء (أي أن الخلية الآن مشحونة كهربائيًا) والتي تتوسط إشارة يتم نقلها بعد ذلك إلى الدوائر العصبية.


اجابة قصيرة
في حالة الجسيمات الباشينية ، يُعزى التكيف عمومًا إلى الخصائص الميكانيكية لـ كبسولة خارجية من المستقبلات. الهيكل الشبيه بالبصل للكبسولة يصوغ نفسه بسرعة لمحفزات الضغط ، وبالتالي يزيل حساسية المستقبل بسرعة.

خلفية
هناك فئتان من المستقبلات الميكانيكية في الجلد بناءً على معدلات تكيفهما ، وهما التكيف السريع والمستقبلات التي تتكيف ببطء. إن الكريات الباسينية (ومستقبلات بصيلات الشعر) من النوع سريع التكيف. تصبح هذه المستقبلات بسرعة غير مستجيبة (تتكيف) عند تطبيق محفز الضغط ، لكنها تنقل بأمانة المحفزات المتغيرة بسرعة (مثل الاهتزازات).

الكريات الباسينية هي مستقبلات اهتزاز متخصصة. تتشكل منطقتهم الشجرية على شكل هيكل يشبه البصل مع طبقات من الصفائح المكدسة:


كبسولة شجيري متخصصة من الجسم الباسيني. المصدر: Biologymad

تعمل هذه الصفائح كمرشحات تمرير عالية تؤدي إلى انخفاض حاد في الحساسية إلى أقل من 150 هرتز (جونسون ، 2001). إذا تم تشريح هذه الكبسولة من المستقبل وتم تطبيق محفز الضغط مباشرة على عنصر المستشعر الموجود أسفل الكبسولة ، فإن استجابة المستقبل للمحفز المستمر تزداد بشكل كبير (Mendelson & Loewenstein ، 1964). بشكل أساسي ، تشكل هذه الصفائح المرنة شكلها وفقًا للمحفزات ومحفزات الضغط تنتقل فقط لبضعة أجزاء من الثانية ، وبعد ذلك تمتص الصفائح الضغط. لذلك يتم إنشاء ارتفاع واحد أو عدد قليل من النتوءات في بداية منبه الضغط. عند إطلاق منبه الضغط ، يتم إنشاء ارتفاع أو ارتفاع آخر. ومن ثم ، لا يتم إعادة إنتاج حافز الضغط المستمر بأمانة. ومع ذلك ، فإن المنبهات الاهتزازية تولد طفرات في بداية الضغط وكذلك الإزاحة ، وهذا يحدث في كل مرحلة من مراحل الاهتزاز. ومن ثم ، تنتقل المنبهات الاهتزازية بأمانة.


استجابة الجسم الباسيني لمحفز الضغط المستمر (المسافة البادئة للجلد) والمنبهات الاهتزازية المتراكبة. لاحظ الاستجابة القوية للاهتزازات ، ولكن التكيف السريع مع منبه الضغط الساكن. المصدر: Zavantag

على الرغم من أن تكيف جسيم باتشيني يُعزى عمومًا إلى الخواص الميكانيكية للكبسولة ، إلا أنه قد يتم استيعاب المزيد من الترشيح عالي التمرير من خلال الخصائص الفيزيولوجية العصبية التي تحد من بدء الارتفاع ، كما هو موصوف في كالياري 2005.

مراجع
- جونسون ، العملة Opin Neuobiol 2001;11:455-461
- مندلسون ولوينشتاين ، علم 1964;3618:554-5

قراءة متعمقة
لماذا تعتبر مستقبلات الجلد اللمسية مستقبلات طورية؟


التكيف

سيراجع محررونا ما قدمته ويحددون ما إذا كان ينبغي مراجعة المقالة أم لا.

التكيف، في علم الأحياء ، فإن العملية التي يتم من خلالها تكييف نوع ما مع بيئته هو نتيجة عمل الانتقاء الطبيعي بناءً على تنوع وراثي على مدى عدة أجيال. تتكيف الكائنات الحية مع بيئاتها بعدة طرق متنوعة: في بنيتها ، وعلم وظائف الأعضاء ، وعلم الوراثة ، وفي حركتها أو انتشارها ، وفي وسائل دفاعها وهجومها ، وفي تكاثرها وتطورها ، وفي نواحٍ أخرى.

الكلمة التكيف لا ينبع من استخدامه الحالي في علم الأحياء التطوري ، بل يعود إلى أوائل القرن السابع عشر ، عندما أشار إلى وجود علاقة بين التصميم والوظيفة أو كيف يتناسب شيء ما مع شيء آخر. في علم الأحياء هذه الفكرة العامة تم استفادتها من هذا القبيل التكيف له ثلاثة معاني. أولاً ، بالمعنى الفسيولوجي ، يمكن للحيوان أو النبات أن يتكيف عن طريق التكيف مع بيئته المباشرة - على سبيل المثال ، عن طريق تغيير درجة حرارته أو التمثيل الغذائي مع زيادة الارتفاع. الثانية ، والأكثر شيوعًا ، الكلمة التكيف يشير إما إلى عملية التكيف أو إلى سمات الكائنات الحية التي تعزز النجاح الإنجابي مقارنة بالسمات الممكنة الأخرى. هنا تكون عملية التكيف مدفوعة بالاختلافات الجينية بين الأفراد الذين يتأقلمون مع - أي لديهم نجاح أكبر في - سياق بيئي محدد. يتم عرض مثال كلاسيكي من خلال النمط الظاهري الميلاني (الداكن) للعثة المرقطة (بيستون بيتولاريا) ، التي زادت أعدادها في بريطانيا بعد الثورة الصناعية حيث بدت العث داكنة اللون مشفرة ضد الأشجار المظلمة بالسخام وهربت من افتراس الطيور. تحدث عملية التكيف من خلال تغيير نهائي في تردد الجينات بالنسبة إلى المزايا التي تمنحها خاصية معينة ، كما هو الحال مع تلوين الأجنحة في العث.

وجهة النظر الثالثة والأكثر شيوعًا للتكيف تتعلق بشكل سمة تطورت عن طريق الانتقاء الطبيعي لوظيفة معينة. تشمل الأمثلة الأعناق الطويلة للزرافات التي تتغذى على قمم الأشجار ، والأجسام المبسطة للأسماك المائية والثدييات ، والعظام الخفيفة للطيور والثدييات الطائرة ، والأسنان الطويلة التي تشبه الخنجر للحيوانات آكلة اللحوم.

يتفق جميع علماء الأحياء على أن السمات العضوية تعكس عادة التكيفات. ومع ذلك ، نشأ الكثير من الخلاف حول دور التاريخ والقيود في ظهور السمات وكذلك أفضل منهجية لإظهار أن السمة هي بالفعل تكيف. قد تكون السمة دالة للتاريخ بدلاً من التكيف. ما يسمى بإبهام الباندا ، أو عظم السمسمي الشعاعي ، هو عظم الرسغ الذي يعمل الآن كإبهام معاكس ، مما يسمح للباندا العملاقة بالتقاط والتلاعب بسيقان الخيزران ببراعة. أسلاف الباندا العملاقة وجميع الأنواع ذات الصلة الوثيقة ، مثل الدببة السوداء ، والراكون ، والباندا الحمراء ، لديها أيضًا عظام سمسمانية ، على الرغم من أن الأنواع الأخيرة لا تتغذى على الخيزران أو تستخدم العظام لتغذية السلوك. لذلك ، هذا العظم ليس تكيفًا لتغذية الخيزران.

عالم الطبيعة الإنجليزي تشارلز داروين ، إن حول أصل الأنواع عن طريق الانتقاء الطبيعي (1859) ، أدرك مشكلة تحديد ما إذا كانت الميزة قد تطورت للوظيفة التي تخدمها حاليًا:

تم تطوير خيوط جماجم الثدييات الصغيرة كتكيف جميل للمساعدة في الولادة [الولادة] ، ولا شك أنها تسهل ، أو قد تكون لا غنى عنها لهذا الفعل ، لكن مثل الغرز تحدث في جماجم الطيور الصغيرة والزواحف ، والتي فقط يجب الهروب من البيضة المكسورة ، فقد نستنتج أن هذا الهيكل نشأ من قوانين النمو ، وقد تم استغلاله في ولادة الحيوانات العليا.

وبالتالي ، قبل شرح أن السمة هي تكيف ، من الضروري تحديد ما إذا كانت تظهر أيضًا في الأسلاف ، وبالتالي ربما تطورت تاريخيًا لوظائف مختلفة عن تلك التي تخدمها الآن.

هناك مشكلة أخرى في تعيين سمة على أنها تكيف وهي أن السمة قد تكون نتيجة ضرورية أو قيدًا للفيزياء أو الكيمياء. يتضمن أحد أكثر أشكال القيد شيوعًا وظيفة السمات التشريحية التي تختلف في الحجم. على سبيل المثال ، تكون أسنان الكلاب أكبر في الحيوانات آكلة اللحوم منها في العواشب. غالبًا ما يتم تفسير هذا الاختلاف في الحجم على أنه تكيف مع الافتراس. ومع ذلك ، فإن حجم أسنان الكلاب يرتبط أيضًا بالحجم الكلي للجسم (يُعرف هذا الحجم باسم قياس التباين) ، كما يتضح من الحيوانات آكلة اللحوم الكبيرة مثل الفهود التي تمتلك أنيابًا أكبر من تلك الحيوانات آكلة اللحوم الصغيرة مثل ابن عرس. وبالتالي ، فإن الاختلافات في العديد من الخصائص الحيوانية والنباتية ، مثل أحجام الشباب ، ومدة فترات النمو (مثل الحمل ، وطول العمر) ، أو أنماط وأحجام أوراق الشجر ، ترتبط بقيود الحجم المادي.

يصعب اختبار التفسيرات التكيفية في علم الأحياء لأنها تتضمن العديد من السمات وتتطلب منهجيات مختلفة. تعتبر الأساليب التجريبية مهمة لإظهار أن أي تباين صغير ، كما هو الحال في العديد من الاختلافات الفسيولوجية أو السلوكية ، هو تكيف. أكثر الأساليب صرامة هي تلك التي تجمع بين الأساليب التجريبية والمعلومات من البيئات الطبيعية - على سبيل المثال ، في إظهار أن مناقير الأنواع المختلفة من عصفور غالاباغوس تتشكل بشكل مختلف لأنها تتكيف لتتغذى على البذور ذات الأحجام المختلفة.

الطريقة المقارنة ، باستخدام المقارنات بين الأنواع التي تطورت بشكل مستقل ، هي وسيلة فعالة لدراسة القيود التاريخية والفيزيائية. يتضمن هذا النهج استخدام طرق إحصائية لحساب الاختلافات في الحجم (قياس التباين) والأشجار التطورية (السلالات) لتتبع تطور السمات بين السلالات.


لماذا نختبر التكيف الحسي

التكيف الحسي هو انخفاض في الحساسية لمنبه بعد التعرض المستمر له. بينما يقلل التكيف الحسي من وعينا بحافز مستمر ، فإنه يساعد في تحرير انتباهنا ومواردنا للاهتمام بالمحفزات الأخرى في البيئة من حولنا. يمكن لجميع حواسنا الخمس تجربة التكيف الحسي. تتكيف حواسنا باستمرار مع ما حولنا ، وكذلك بالنسبة لنا بشكل فردي وما نمر به ، مثل الشيخوخة أو المرض.

فقط تخيل كيف سيكون الأمر إذا لم تختبر التكيف الحسي. قد تجد نفسك مغمورًا برائحة البصل النفاذة القادمة من المطبخ أو صرير التلفزيون من غرفة المعيشة. نظرًا لأن التعرض المستمر للمحفز الحسي يقلل من حساسيتنا تجاهه ، فنحن قادرون على تحويل انتباهنا إلى أشياء أخرى في بيئتنا بدلاً من التركيز على محفز واحد ساحق.


الفصل 4 أسئلة

1. ما هو المعنى الأساسي؟

2. لماذا هذا المعنى ضروري لأكثر أشكال الحياة بدائية؟

3. كيف تختلف التصميمات الحسية الميكانيكية الحساسة للتمدد اختلافًا جوهريًا عن آليات الحسية الضوئية والحسية الكيميائية؟

5. التثبيط الجانبي هو شكل من أشكال التكيف. ما وظيفة الإشارة التي تحققها؟

6. كيف الطيار العسكري مثل طيار مثل الدانتيل الأخضر؟

7. كيف يتجلى الترميز الخشن في الجهاز السمعي البشري؟

8. ما هي عظيمات الأذن الوسطى الثلاث ، وما وظيفتها؟

9. كيف يتم استشعار تغيرات التوازن الثابت والديناميكي في نظام السمع البشري؟

10. يمكن أن تطلق الخلايا العصبية 1 كيلو هرتز على الأكثر ، أو بمعدل 1 مللي ثانية بين إمكانات الفعل. يتطلب أخذ عينات Nyquist عينتين لكل فترة موجة ذات تردد أعلى ، مما يعني أن معدل إطلاق الخلايا العصبية يمكن أن يشفر فقط حتى 500 هرتز. كيف يمكن للبشر تمييز المكونات التي تتجاوز 20 ضعف هذا المقدار (10 كيلو هرتز)؟

11. ما هي بعض النتائج المهمة من تنفيذ Webb الروبوتي للتركيز الصوتي للكريكيت؟

12. لماذا من المدهش أننا يجب أن "نقطع الزوايا" في المعالجة الحسابية لجعل نماذجنا الإلكترونية تحاكي السلوك في الوقت الحقيقي للأنظمة الحسية البيولوجية؟

13. ما هما مساران المعلومات في النظام السمعي لبومة الحظيرة؟

14. كيف تختلف أنظمة الدرجة الأولى ، مثل أنظمة التفاضل والتكامل ، وأنظمة الدرجة الثانية في استجاباتها التدريجية؟

15. ما هي الفكرة الأساسية وراء نظام "See-Hear"؟

16. ما هي مزايا قوقعة السيليكون القائمة على MEMS على قوقعة السيليكون التناظرية القائمة على VLSI؟


المواد والأساليب

تم إجراء تجارب على الجراد البالغ (Schistocerca gregariaForskål) من أي من الجنسين مأخوذة من مستعمرة المختبر المزدحمة. تم تقييد الجانب البطني للحيوانات في البلاستيسين ™. يمكن تقييد الساق الوسطى بشكل مستقل ووضعها للوصول المناسب إلى المستقبلات الميكانيكية المختلفة. تمت إزالة أجزاء من الجلد البطني من أجل الكشف عن العقد الوسطى والمتوسطية وكذلك الأعصاب والعضلات الصدرية.

التسجيلات داخل الخلايا

تم استخدام منصة فولاذية مغطاة بالشمع لتثبيت العقد المتوسطة والميتاثوراسية. تمت معالجة الغمد العقدي للعقدة المتوسطة الصدري لمدة دقيقتين بمحلول 1٪ (وزن / حجم) من البروتياز (نوع سيغما الرابع عشر) لتسهيل اختراق العقدة باستخدام أقطاب كهربائية دقيقة.

تمت تعبئة الأقطاب الكهربائية الدقيقة إما بـ 2 مول لتر -1 أسيتات البوتاسيوم أو 1 مول لتر -1 كلوريد الليثيوم عند استخدامها للتلوين اللاحق باللون الأصفر لوسيفر (فقط في الأطراف) ، مما يعطي مقاومة طرف تبلغ 40-80 متر مكعب.

تم تطبيق الصبغة أيونوفورثالي بمقدار 500 مللي نبضات من التيار السالب عند 1 هرتز. تم التعرف على العصبونات الحركية من خلال ربط المسامير المسجلة داخل الخلايا من العمليات العصبية ، بينما تم تسجيل الإمكانات خارج الخلية من العصب الصادر 3C2 بزوج من الأسلاك الفولاذية 50 ميكرون. يمكن أيضًا تحديد العصب الحركي السريع M103d على أنه يثير تقلصات ارتعاش مرئية لـ M103d عند التحفيز (تسمية الأعصاب الصدرية وفقًا لكامبل ، 1961).

تسجيلات ارتفاع وارد

تم تسجيل طفرات من محس شعر الظنبوب الفردي عن طريق وضع مسرى دقيق مملوء بمحلول ملحي فوق العمود المقطوع من محسس المشعرات (Hodgson et al. ، 1955). تم تسجيل ارتفاعات واردة من الإحساس الخارجي للحواس (CS) في قاعدة كل نتوء قصبي مع أقطاب خطافية في الأعصاب الطرفية 5B3 (الصف الأمامي من النتوءات) أو 5B4 (الصف الخلفي من النتوءات) الموجودة أسفل بشرة البطني بالقرب من مستقبلات (Mücke ، 1991).

من أجل تسجيل التصريفات الواردة بشكل انتقائي عبر التحسس التحضيري CS على قطاعات مختلفة من الساق ، تم دفع سلك التنغستن المشحذ إلكتروليتيًا بعناية من خلال هيكل على شكل قبة من المحس للتواصل مع مستقبلات الهيموليمف.

تم تسجيل مجموعات المدور المستدير من CS في أرجل معزولة مع أقطاب شفط من الجذور القريبة من العصب الوارد (5B2a) ، حيث تم فتح قصبة هوائية كبيرة واحدة على الأقل للهواء عند سطح المحلول الملحي ، بينما الضخ المستمر للساق الإضافية العضلية المنشأ قلب المدور (Hustert ، 1999) حافظ على تدفق المحلول الملحي في الساق. هذا يوسع صلاحية التحضير من عدة دقائق إلى عدة ساعات.

تحديد العصب الحركي

تم عمل ردم للأعصاب الحركية للكشف عن تعصيب عضلة المدور المثبط للصدر ونمط التفرع المركزي لكل عصب حركي. بعد إزالة العقد الصدرية من الحيوان ، تم وضع الطرف المقطوع من العصب المعين في بئر فازلين ™ مصغر ، مملوء بمحلول شبه تشبع يبلغ 3000 مصالدكستران المترافق مع الأصباغ الفلورية الفلورية أيزوثيوسيانات (FITC) أو رباعي إيثيل رودامين أيزوثيوسيانات (TRITC) (تم الحصول عليها من Molecular Probes Europe ، Leiden ، هولندا). تم غمر المستحضرات في محلول ملحي وحضنت لمدة 24 ساعة عند 4 درجات مئوية للسماح بنشر الصبغة في جميع أنحاء الخلايا العصبية. بعد تشريح العقد ، تم تثبيتها في بارافورمالدهيد بنسبة 4 ٪ ، وتجفيفها في الإيثانول ، وبعد التطهير في ميثيل الساليسيلات ، تم عرضها تحت مجهر Leitz Aristoplan epifluorescence وتم رسمها أو تصويرها من حوامل كاملة.

تحفيز المستقبلات

تم تحفيز جميع المستقبلات ميكانيكيا. في حالة إحساس الشعر ، تم لصق مسرى دقيق غير حاد على لسان كهرضغطية مدفوع بمولد وظيفي ومركب على معالج دقيق. تم استخدام الانحرافات التي تشبه المنحدر لتحفيز حساسية الشعر. تم انحراف النتوءات الظنبوبية بواسطة دبوس دقيق مثبت على اللسان الكهروضغطي. تم تحفيز CS التحسسي مباشرة عن طريق تطبيق ضغط عمودي على سطح البشرة بالقرب من المستقبل مع دبوس مينوتين. في بعض الحالات ، تم دفع قطب التنغستن نفسه بعناية نحو المستشعر لإثارة ارتفاعات.

من أجل تحديد التأخيرات بين توليد السنبلة الوارد لنوعين مختلفين من المستقبلات ، على سبيل المثال تم استخدام حفز قصبي ومدور CS ، وهو مولد وظيفي ثنائي القناة يقود جهازي كهرضغطية للتوقيت الدقيق لتحفيز المستقبلات.

قياسات التوصيل

تم قياس أوقات التوصيل الوفير للجهاز العصبي المركزي عن طريق التسجيل خارج الخلية من موقع طرفي للعصب المحدد القريب من المستقبل الميكانيكي وفي عصب الساق الرئيسي 5 حيث يدخل العقدة. وبالتالي يمكن تقدير الكمون المركزي بطرح هذا الوقت من انتشار السنبلة من التأخير الكلي إلى إمكانات ما بعد المشبكي (Laurent and Hustert ، 1988). في معظم الحالات ، تم استخدام متوسط ​​الإشارة.

التوصيل الميكانيكي الحسي

تم قياس التأخيرات بين تغيرات التوتر الشبيه بالتصادم على رسغ الرسغ وأول ارتفاعات واردة في CS القريبة في الساقين الوسطى ، وتم استئصالها بعناية عند المفصل الصدري. تم وضع الساق كما هو الحال في الحيوان الواقف ، مع coxa ، المدور وعظم الفخذ أفقيًا والساق عموديًا. تم تثبيت coxa فقط على منصة صغيرة بطنيًا ، وتمت إزالة الأجزاء الظهرية من عضلات رافعة coxa و trochanter. تم أيضًا تثبيت وتر خافض المدور بمسمار minuten على المنصة. هذا تجنب الرحلات الظهرية للساق عندما تم تطبيق المنبهات الميكانيكية الموجهة ظهريًا في عظم الرسغ بواسطة ثني كهرضغطية من الأسفل.

قياسات القوة

تم إجراء قياسات الوقت اللازم لنقل القوة من طرف إلى قاعدة الساق أيضًا على ساق وسطى جديدة ومعزولة في المواضع الطبيعية للوقوف الثابت. تم تركيب coxa البطني على محول طاقة بينما تم تطبيق قوى من عظم الرسغ عبر وسادة واحدة (لفافة). تم تركيب لسان كهرضغطية (شريط ثنائي الشكل من السيراميك Valvo PXE70 Valvo ، هامبورغ ، ألمانيا) مع إبرة دقيقة ممتدة من نهايته المتحركة على محول طاقة آخر. تمت مراقبة الإجهاد الناتج عن اللسان الكهروإجهادي أثناء انحراف يشبه المنحدر (تم إنشاؤه بواسطة مولد وظيفي) عندما قام دبوس minuten بمسافة بادئة للفتحة الرصغية المرنة للغاية.من خلال تركيب الجهاز على معالج دقيق ، يمكن لطرف الدبوس أن يلمس عظم عظم الكعب بدقة شديدة بحيث يتم تحريك المنطقة المحيطة بإحدى أحاسيس القناة (Kendall ، 1970) بواسطة المنبه. كانت هذه السلالة كافية للتسجيل عبر الساق بأكملها كقوة في محول الطاقة المرتبط بكوكسا.

التسجيل والتحليل

تم عرض التسجيلات على راسم الذبذبات الرقمية (هيتاشي ، فوكوكا ، اليابان) وتم تخزينها على شريط مغناطيسي لتحليل الكمبيوتر لاحقًا بواسطة برنامج Neurolab 7.0 (Hedwig and Knepper ، 1992) و Datapac 2000 (RUN Technologies ، Mission Viejo ، CA ، الولايات المتحدة الأمريكية).


نتائج ومناقشة

تمت دراسة خصائص الاستجابة الجوهرية للأنواع الثلاثة الرئيسية للخلايا العصبية الحسية الميكانيكية لحقن التيار الجيبي بترددات تتراوح بين 0.2 و 20 هرتز في هيرودو ميديسيناليس. يمكن استخدام حقن التيار الجيبي لتقريب خصائص المدخلات والمخرجات للخلايا العصبية. لا يعكس هذا التقريب بالضرورة المدخلات الحسية الطرفية بدلاً من ذلك فهو يسلط الضوء على قدرات المعالجة المركزية.

تُظهر الخلايا N عتبة حسية عالية ، حيث يجب تطبيق قوى قوية نسبيًا على الجلد لاستنباط استجابة فوق العتبة (Lewis and Kristan ، 1998 Nicholls and Baylor ، 1968 Pinato and Torre ، 2000). هنا ، تم تحديد الخلايا N من خلال موقعها المميز (Nicholls and Baylor ، 1968 Yau ، 1976) (الشكل 1 أ) وإمكانات العمل بعد فرط الاستقطاب (الشكل 1 ب). كان للخلايا N المسجلة متوسط ​​إمكانات غشاء يستريح −41.3 ± 2.7 mV (ن= 9). تم تطبيق حقن التيار الجيبي من 10 دورات تتراوح من 0.2 إلى 20 هرتز على المنطقة الجسدية. تم تعديل السعة الحالية لاستنباط إمكانات العمل بانتظام لموجة جيبية حالية يتم تسليمها عند 1 هرتز (أي ما يزيد قليلاً عن العتبة). استجابت الخلايا N بطريقة تعتمد على التردد. انخفض عدد إمكانات العمل المستحث مع زيادة وتيرة التحفيز (الشكل 1 ج). متوسط ​​العدد الأقصى لإطلاق إمكانات العمل (20.4 ± 4.2 هرتز ن= 9) عند 0.2 هرتز. في خلية واحدة فقط من تسع خلايا ، تم استنباط أقصى عدد ممكن من الإجراءات عند 1 هرتز ، وليس عند 0.2 هرتز. عند 20 هرتز ، كانت واحدة فقط من هذه الخلايا لا تزال قادرة على توليد جهد فعل (الشكل 1 د). لمقارنة سلوك إطلاق النار عبر الترددات بمزيد من التفصيل ، قمنا أولاً بتعويض مدة التحفيز عن طريق حساب التردد المحتمل للعمل. ثانيًا ، طرحنا معدل الاستجابة هذا من تردد التحفيز. يولد هذا التحليل قيمًا إيجابية عندما تحدث إمكانات عمل متعددة أثناء دورة تحفيز واحدة (الشكل 1E). عندما لا يتم استنباط أي جهد فعل ، يتم الحصول على قيمة مساوية لتردد التحفيز (الشكل 1E). أظهر هذا التحليل أن الخلايا N استجابت فقط بإمكانيات عمل متعددة للتحفيز الجيبي & lt1 هرتز ، مع إمكانية عمل واحدة عند 1 هرتز ، وتوقفت عن الاستجابة بمعدل متوسط ​​قدره 6.2 ± 2.3 هرتز. مجتمعة ، أشارت هذه النتائج إلى أن الخلايا N استجابت بخصائص مرشح تمرير منخفض للتحفيز الجيبي.

ملف تعريف استجابة التردد الداخلي للخلايا N لحقن التيار الجيبي. (أ) تم استخدام وضع العلامات الفلورية لخلية N مسجلة لتحديد موقع الخلية بعد المخصص بالمقارنة مع رسم تخطيطي للموقع المعروف للخلايا العصبية الحسية العلقة. (ب) حقن تيار النبض المربع أسفل (يسار) وفوق (يمين) عتبة العمل المحتملة. يُظهر الشكل الموجي المحتمل للعمل خصائص الخلية N لفترة طويلة بعد فرط الاستقطاب. (ج) استجابات الجهد لترددات التحفيز الجيبية المختلفة: يسار ، 0.5 هرتز وسط ، 2 هرتز يمين ، 10 هرتز. (د) عدد الاستجابات فوق العتبة التي تم تلخيصها على مدار 10 دورات جيبية كدالة لتردد التحفيز. يمثل كل رمز استجابة خلية واحدة (ن= 9). (هـ) يتم رسم معدل إطلاق النار المحتمل للعمل الذي تم طرح معدل التحفيز منه كدالة لوغاريتمية لتردد التحفيز. يشير خط الصفر المنقط إلى نفس معدل إطلاق النار مثل عدد دورات التحفيز ، وبالتالي إطلاق النار المخلص. يمثل الخط الصلب الخط المحتمل للعمل الصفري ، حيث لم يتم الحصول على استجابة فوق العتبة في أي وقت أثناء التحفيز. الرموز هي كما في D. أقحم ، ترددات تحفيز منخفضة مكبرة في رسم بياني خطي.

ملف تعريف استجابة التردد الداخلي للخلايا N لحقن التيار الجيبي. (أ) تم استخدام وضع العلامات الفلورية لخلية N مسجلة لتحديد موقع الخلية بعد المخصص بالمقارنة مع رسم تخطيطي للموقع المعروف للخلايا العصبية الحسية العلقة. (ب) حقن تيار النبض المربع أسفل (يسار) وفوق (يمين) عتبة العمل المحتملة. يُظهر الشكل الموجي المحتمل للعمل خصائص الخلية N لفترة طويلة بعد فرط الاستقطاب. (ج) استجابات الجهد لترددات التحفيز الجيبية المختلفة: يسار ، 0.5 هرتز وسط ، 2 هرتز يمين ، 10 هرتز. (D) عدد الاستجابات فوق العتبة التي تم تلخيصها على مدار 10 دورات جيبية كدالة لتردد التحفيز. يمثل كل رمز استجابة خلية واحدة (ن= 9). (هـ) يتم رسم معدل إطلاق النار المحتمل للعمل الذي تم طرح معدل التحفيز منه كدالة لوغاريتمية لتردد التحفيز. يشير خط الصفر المنقط إلى نفس معدل إطلاق النار مثل عدد دورات التحفيز ، وبالتالي إطلاق النار المخلص. يمثل الخط الصلب الخط المحتمل للعمل الصفري ، حيث لم يتم الحصول على استجابة فوق العتبة في أي وقت أثناء التحفيز. الرموز هي كما في D. أقحم ، ترددات تحفيز منخفضة مكبرة في رسم بياني خطي.

تتميز الخلايا P بشكل كلاسيكي بعتابتها الحسية المتوسطة إلى العالية لتحفيز الجلد (Lewis and Kristan ، 1998 Nicholls and Baylor ، 1968 Pinato and Torre ، 2000) ، وبالتالي فإن عتبتها الحسية تتداخل بشكل كبير مع الخلايا N. هنا ، تم تحديد الخلايا P من خلال موقعها المميز (Nicholls and Baylor ، 1968 Yau ، 1976) واستجابتها الأولية للتحفيز القوي بتيار نبضي مربع (الشكل 2 أ ، ب). متوسط ​​إمكانات غشاء الخلية P يستريح −46.6 ± 1.6 mV (ن= 8) مشابهًا لما ورد سابقًا (Schlue and Deitmer ، 1984). تم تعديل قوة شدة التحفيز الجيبي لاستخراج إمكانات العمل بشكل موثوق بتردد 5 هرتز (الشكل 2 ج) ، حيث يبدو أن هذا هو أقل تردد تكون فيه السعات المنخفضة للتيار المحقون كافية لدفع الخلايا P بكفاءة. عند هذه الشدة ، فشل تردد التحفيز المنخفض في توليد استجابات فوق العتبة. كان أقل تردد تحفيز أثار إمكانات العمل في الخلايا P هو 4.6 ± 0.7 هرتز ، في المتوسط ​​(ن= 8) (الشكل 2D ، E). ومع ذلك ، فقد اتبعت الخلايا P زيادة تواتر التحفيز الجيبي مع إطلاق جهد محتمل موثوق به إلى حد كبير يصل إلى -15 هرتز. تم العثور على الاستجابة القصوى للخلايا P بمتوسط ​​تردد تحفيز قدره 9.8 ± 1.6 هرتز. ومع ذلك ، في واحدة فقط من ثماني خلايا P مسجلة ، انخفض معدل الاستجابة إلى أقل من 50٪ عند ترددات تحفيز أعلى (الشكل 2D ، E). بشكل عام ، انخفضت استجابة الخلية P بنسبة 25٪ فقط (الشكل 3G) عند تردد تحفيز قدره 20 هرتز. مجتمعة ، أشارت هذه النتائج إلى أنه يمكن اعتبار خصائص غشاء الخلية P على أنها تعمل كمرشح داخلي عالي التمرير.

ملف استجابة التردد الداخلي للخلايا P لحقن التيار الجيبي. (أ) تم استخدام وضع العلامات الفلورية لخلية P مسجلة لتحديد موقع الخلية بعد المخصص بالمقارنة مع رسم تخطيطي للموقع المعروف للخلايا العصبية الحسية العلقة. (ب) حقن تيار النبض المربع أسفل (يسار) وفوق (يمين) عتبة العمل المحتملة. إن إمكانية عمل البداية السريعة هي سمة من سمات الخلايا P. (ج) استجابات الجهد لترددات التحفيز الجيبية المختلفة: يسار ، 1 هرتز وسط ، 5 هرتز يمين ، 10 هرتز. (د) عدد الاستجابات فوق العتبة التي تم تلخيصها على مدار 10 دورات جيبية كدالة لتردد التحفيز. يمثل كل رمز استجابة خلية واحدة (ن= 8). (هـ) يتم رسم معدل إطلاق النار المحتمل للعمل الذي تم طرح معدل التحفيز منه كدالة لوغاريتمية لتردد التحفيز. يشير خط الصفر المنقط إلى نفس معدل إطلاق النار مثل عدد دورات التحفيز ، وبالتالي إطلاق النار المخلص. يمثل الخط الصلب الخط المحتمل للعمل الصفري ، حيث لم يتم الحصول على استجابة فوق العتبة في أي وقت أثناء التحفيز. الرموز هي كما في D.

ملف استجابة التردد الداخلي للخلايا P لحقن التيار الجيبي. (أ) تم استخدام وضع العلامات الفلورية لخلية P مسجلة لتحديد موقع الخلية بعد المخصص بالمقارنة مع رسم تخطيطي للموقع المعروف للخلايا العصبية الحسية العلقة. (ب) حقن تيار النبض المربع أسفل (يسار) وفوق (يمين) عتبة العمل المحتملة. إن إمكانية عمل البداية السريعة هي سمة من سمات الخلايا P. (ج) استجابات الجهد لترددات التحفيز الجيبية المختلفة: يسار ، 1 هرتز وسط ، 5 هرتز يمين ، 10 هرتز. (D) عدد الاستجابات فوق العتبة التي تم تلخيصها على مدار 10 دورات جيبية كدالة لتردد التحفيز. يمثل كل رمز استجابة خلية واحدة (ن= 8). (هـ) يتم رسم معدل إطلاق النار المحتمل للعمل الذي تم طرح معدل التحفيز منه كدالة لوغاريتمية لتردد التحفيز. يشير خط الصفر المنقط إلى نفس معدل إطلاق النار مثل عدد دورات التحفيز ، وبالتالي إطلاق النار المخلص. يمثل الخط الصلب الخط المحتمل للعمل الصفري ، حيث لم يتم الحصول على استجابة فوق العتبة في أي وقت أثناء التحفيز. الرموز هي كما في D.

ملف استجابة التردد الداخلي للخلايا التائية لحقن التيار الجيبي. (أ) تم استخدام وضع العلامات الفلورية لخلية T مسجلة لتحديد موقع الخلية بعد المخصص بالمقارنة مع رسم تخطيطي للموقع المعروف للخلايا العصبية الحسية العلقة. (ب) حقن تيار النبض المربع أسفل (يسار) وفوق (يمين) عتبة العمل المحتملة. إن الاندفاع الأولي لإمكانات العمل هو سمة من سمات الخلايا التائية. (ج) استجابات الجهد لترددات التحفيز الجيبية المختلفة: يسار ، وسط 1 هرتز ، 0.5 هرتز يمين ، 10 هرتز. (د) عدد الاستجابات فوق العتبة التي تم تلخيصها على مدار 10 دورات جيبية كدالة لتردد التحفيز. يمثل كل رمز استجابة خلية واحدة (ن= 9). (هـ) عدد طبيعي من إمكانات العمل كدالة لتردد التحفيز. يشير الخط الأفقي المنقط إلى نصف إطلاق النار الأقصى. الرموز كما هو الحال في D. (F) يتم رسم معدل إطلاق النار المحتمل للعمل الذي تم طرح معدل التحفيز منه كدالة لوغاريتمية لتردد التحفيز. يشير خط الصفر المنقط إلى نفس معدل إطلاق النار مثل عدد دورات التحفيز ، وبالتالي إطلاق النار المخلص. يمثل الخط الصلب الخط المحتمل للعمل الصفري ، حيث لم يتم الحصول على استجابة فوق العتبة في أي وقت أثناء التحفيز. الرموز هي كما في D. (G) إطلاق محتمل للعمل الطبيعي استجابة لترددات التحفيز الجيبية المختلفة للتيار المحقون للخلايا N (أحمر) و P (أسود) و T (أزرق). يتم تقديم ترددات التحفيز فقط حيث تم تسجيل أربع خلايا على الأقل (يعني ± sd).

ملف استجابة التردد الداخلي للخلايا التائية لحقن التيار الجيبي. (أ) تم استخدام وضع العلامات الفلورية لخلية T مسجلة لتحديد موقع الخلية بعد المخصص بالمقارنة مع رسم تخطيطي للموقع المعروف للخلايا العصبية الحسية العلقة. (ب) حقن تيار النبض المربع أسفل (يسار) وفوق (يمين) عتبة العمل المحتملة. إن الاندفاع الأولي لإمكانات العمل هو سمة من سمات الخلايا التائية. (ج) استجابات الجهد لترددات التحفيز الجيبية المختلفة: يسار ، وسط 1 هرتز ، 0.5 هرتز يمين ، 10 هرتز. (د) عدد الاستجابات فوق العتبة التي تم تلخيصها على مدار 10 دورات جيبية كدالة لتردد التحفيز. يمثل كل رمز استجابة خلية واحدة (ن= 9). (هـ) عدد طبيعي من إمكانات العمل كدالة لتردد التحفيز. يشير الخط الأفقي المنقط إلى نصف إطلاق النار الأقصى. الرموز كما هو الحال في D. (F) يتم رسم معدل إطلاق النار المحتمل للعمل الذي تم طرح معدل التحفيز منه كدالة لوغاريتمية لتردد التحفيز. يشير خط الصفر المنقط إلى نفس معدل إطلاق النار مثل عدد دورات التحفيز ، وبالتالي إطلاق النار المخلص. يمثل الخط الصلب الخط المحتمل للعمل الصفري ، حيث لم يتم الحصول على استجابة فوق العتبة في أي وقت أثناء التحفيز. الرموز هي كما في D. (G) إطلاق محتمل للعمل الطبيعي استجابة لترددات التحفيز الجيبية المختلفة للتيار المحقون للخلايا N (أحمر) و P (أسود) و T (أزرق). يتم تقديم ترددات التحفيز فقط حيث تم تسجيل أربع خلايا على الأقل (يعني ± sd).

تمتلك الخلايا التائية عتبة تحفيز حسي أقل مقارنة بالخلايا N و P (Lewis and Kristan ، 1998 Nicholls and Baylor ، 1968 Pinato and Torre ، 2000). علاوة على ذلك ، تتميز الخلايا التائية بالموقع (نيكولز وبايلور ، 1968 ياو ، 1976) ، وبداية انفجار الاستجابة لحقن تيار النبضات المربعة (Kretzberg et al.، 2007 Schlue، 1976a، b). استخدمنا الموقع والانفجار لتحديد الخلايا التائية (الشكل 3 أ ، ب). كان متوسط ​​إمكانات استراحة الخلايا التائية −42.6 ± 1.2 مللي فولت (ن= 9). بالنسبة لحقن تيار الموجة الجيبية المطبقة ، تم تعديل الشدة للحصول على إطلاق موثوق به بين 2 و 5 هرتز (الشكل 3 ج). مرة أخرى ، يبدو أن ترددات التحفيز هذه هي الأقل لاستحضار إمكانات العمل مع ترددات التحفيز الجيبية بكفاءة مع السعات الحالية المنخفضة. باستخدام هذا النهج ، استجابت خلية واحدة فقط من الخلايا التائية التسعة لمعدلات التحفيز التي تقل عن 1 هرتز. أقل تردد أدى إلى إثارة فوق العتبة كان 1.85 ± 0.46 هرتز ، في المتوسط. تم استنباط العدد الأقصى من إمكانات العمل بمتوسط ​​تردد تحفيز يبلغ 4.0 ± 0.7 هرتز (الشكل ثلاثي الأبعاد ، هـ). هنا ، تجاوز تواتر إمكانات العمل تردد التحفيز وكان 6.2 ± 1.4 هرتز (الشكل 3F). عند الترددات العالية ، انخفض عدد إمكانات العمل التي تم الحصول عليها لجميع الخلايا التي تم اختبارها (الشكل ثلاثي الأبعاد) في خليتين فقط من الخلايا التائية التسعة ، ظلت الاستجابة أعلى من 50٪ وفي ست خلايا انخفضت الاستجابة إلى أقل من جهد عمل واحد لكل دورة تحفيز ( الشكل 3E). كان متوسط ​​تردد التحفيز الذي لا يزال ينتج 50 ٪ من معدل إطلاق النار الأقصى هو 12.6 ± 2.6 هرتز ، في المتوسط. من الجدير بالذكر أنه في ست من هذه الخلايا ، انخفضت الاستجابة المحتملة للعمل بشكل مطرد. وهكذا استجابت الخلايا التائية بمعدلات إطلاق مرتفعة لانحرافات الجهد الجيبية المعدلة بين 4 و 12 هرتز ، وبالتالي قد يتم ضبط قدرتها الكلية على تصنيف الشفرة بشكل جوهري للعمل كمرشح تمرير نطاق.

لقد حددنا هنا أنماط استجابة فوق عتبة مختلفة تعتمد على التردد بناءً على معدلات إطلاق الخلايا العصبية الحسية الميكانيكية في هيرودو ميديسيناليس. استجابت الخلايا N بشكل تفضيلي للخلايا المنخفضة ، والخلايا P إلى الخلايا العالية ، والخلايا التائية لترددات التحفيز المتوسطة ، مما يوضح ضبطًا جوهريًا تفاضليًا لتحفيز التيار الجيبي (الشكل 3G). وهكذا يبدو أن هذه الخصائص الجوهرية تولد مرشحات محددة منخفضة النطاق وعالية التردد لمعدلات إطلاق فوق العتبة ، على التوالي.

للتحقق من أن خصائص الغشاء الجوهرية للخلايا العصبية الحسية الميكانيكية تولد مرشحات مختلفة ، سجلنا مرة أخرى من جميع الخلايا العصبية الحسية الميكانيكية الثلاثة ولكن هذه المرة غيّرنا شدة التحفيز على مدى منخفض من ترددات التحفيز (الشكل 4). بالنسبة لترددات التحفيز البالغة 0.5 و 2 و 5 و 10 و 20 هرتز ، تراوحت الكثافة من 0.1 إلى 2.5 نانومتر. يصور الشكل 4 أ مجموعة فرعية من استجابات الخلية P عند تحديها بمصفوفة التحفيز هذه لحقن التيار الجيبي. تم استخدام مصفوفة التحفيز لتحديد ما إذا كانت استجابات المرشح المختلفة للخلايا N و T و P مستقلة عن شدة التحفيز ، ولمعرفة كيفية فصل ملفات تعريف الاستجابة. لهذا السبب ، تم استخلاص الرقم المحتمل للعمل من كل حقن تيار جيبي وتم إعطاؤه ككثافة مشفرة باللون في الشكل 4 ب-د. مع زيادة شدة التحفيز ، استجابت الخلايا N بعدد متزايد من إمكانات العمل خاصة عند ترددات التحفيز المنخفضة (الشكل 4E). في شدة التحفيز العالية ، أصبحت رحلة الجهد كبيرة جدًا بحيث لا تستطيع الخلايا N إطلاق إمكانات العمل أو إخفاء إمكانات الفعل. عند شدة التحفيز العالية ، تكون استجابات الخلية N فوق العتبة مفقودة. زادت الخلايا التائية في الغالب من إطلاق النار المحتمل للعمل مع زيادة شدة التحفيز عند ترددات التحفيز المتوسطة مع أقصى إطلاق مؤمن عند 2 هرتز (الشكل 4 ج). ظل إطلاق الخلايا التائية أقل عند ترددات التحفيز الأعلى. بالنسبة للخلايا P ، أدت الزيادة في شدة التحفيز إلى زيادة إطلاق النار عند ترددات 10 هرتز ، والتي أصبحت قصوى عند 5 هرتز لشدة التحفيز القوية (الشكل 4 د). الأهم من ذلك ، على عكس الخلايا T و N ، أن الخلايا P لم تكن متحمسة أبدًا عند الترددات المنخفضة. إن تقديم عدد جهود العمل كوظائف منفصلة لترددات التحفيز (الشكل 4E-G) يوضح نفس النتيجة. مجتمعة ، أشارت هذه النتائج إلى أن الخلايا N و T و P تولد بشكل جوهري مرشح تمرير منخفض وعريض وعالي ، على التوالي.

تختلف ملفات تعريف الاستجابة فوق العتبة في الخلايا N و T و P ، وتعتمد على كثافة التحفيز وتواتره. (أ) الاستجابات المحتملة للغشاء الفرعي وفوق العتبة (أسود) لخلية P للحقن الحالية (رمادي) 0.5 هرتز (يسار) و 2 هرتز (يسار الوسط) و 10 هرتز (يمين الوسط) و 20 هرتز (يمين) ) عند شدة التحفيز 0.2 nA (أعلى) و 0.15 nA (الأوسط) و 0.05 nA (القاع). (B-D) عدد إمكانات العمل المرسومة كدالة لشدة التحفيز والتردد للخلايا (B) N و (C) T و (D) P. يمثل طيف ألوان الخط من الأزرق الداكن إلى الأحمر عدد إمكانات العمل من الأرقام المنخفضة إلى الأرقام العالية. (E-G) عدد إمكانات العمل التي تم الحصول عليها استجابة للحقن الحالية لشدة التحفيز المختلفة: خلية (E) N: 0.1 ، 0.2 ، 0.3 ، 0.5 ، 0.7 ، 0.9 ، 1.0 ، 1.2 ، 1.5 و 2.0 nA (ن= 4-21) (F) الخلية T: 0.3 و 0.5 و 0.7 و 0.8 و 0.9 و 1.0 و 1.2 و 1.5 و 1.7 و 2.0 و 2.2 و 2.5 nA (ن= 4-16) و (G) الخلية P: 0.5 و 0.7 و 0.9 و 1.0 و 1.2 و 1.5 و 1.7 و 2.0 و 2.2 و 2.5 nA كدالة لتردد التحفيز (0.5 و 2 و 5 و 10 و 20 هرتز ). تمثل أشرطة الخطأ sem

تختلف ملفات تعريف الاستجابة فوق العتبة في الخلايا N و T و P ، وتعتمد على كثافة التحفيز وتواتره. (أ) الاستجابات المحتملة للغشاء الفرعي وفوق العتبة (أسود) لخلية P للحقن الحالية (رمادي) 0.5 هرتز (يسار) و 2 هرتز (يسار الوسط) و 10 هرتز (يمين الوسط) و 20 هرتز (يمين) ) عند شدة التحفيز 0.2 nA (أعلى) و 0.15 nA (الأوسط) و 0.05 nA (القاع). (B-D) عدد إمكانات العمل المرسومة كدالة لشدة التحفيز والتردد للخلايا (B) N و (C) T و (D) P. يمثل طيف ألوان الخط من الأزرق الداكن إلى الأحمر عدد إمكانات العمل من الأرقام المنخفضة إلى الأرقام العالية. (E-G) عدد إمكانات العمل التي تم الحصول عليها استجابة للحقن الحالية لشدة التحفيز المختلفة: خلية (E) N: 0.1 ، 0.2 ، 0.3 ، 0.5 ، 0.7 ، 0.9 ، 1.0 ، 1.2 ، 1.5 و 2.0 nA (ن= 4-21) (F) الخلية T: 0.3 و 0.5 و 0.7 و 0.8 و 0.9 و 1.0 و 1.2 و 1.5 و 1.7 و 2.0 و 2.2 و 2.5 nA (ن= 4-16) و (G) الخلية P: 0.5 و 0.7 و 0.9 و 1.0 و 1.2 و 1.5 و 1.7 و 2.0 و 2.2 و 2.5 nA كدالة لتردد التحفيز (0.5 و 2 و 5 و 10 و 20 هرتز ). تمثل أشرطة الخطأ sem

ترتبط الخلايا الحسية الميكانيكية الموجودة في العلقة ارتباطًا مباشرًا بالتنقل الميكانيكي على سطح الجلد ، حيث لا يؤدي إخماد انتقال التشابك العصبي إلى تثبيط الإشارات الميكانيكية الحسية في هذه الخلايا العصبية (Burgin and Szczupak ، 2003 Nicholls and Baylor ، 1968). وبالتالي ، من المفترض أن يدفع التنبيغ الحسي الميكانيكي الخلايا N و T و P. بافتراض أن إشارات الجهد في المحيط والسوما تختلف فقط بناءً على حجم الحجرة ، ولكن ليس على خصائص الغشاء النشط ، فإن ملفات تعريف الاستثارة المرصودة لدينا تسمح بإلقاء نظرة ثاقبة على تحويل المدخلات والمخرجات الحسية. وبالتالي ، فإن خصائص مرشح التمرير المنخفض والنطاق والعالي ستساهم في توزيع المعلومات الحسية الميكانيكية في بنك مرشح عصبي مركزي في العلقة. قد يكون هذا الترشيح المركزي مناسبًا لفصل المحفزات الحسية القوية التي قد تثير نشاطًا في كل نوع من الخلايا الحسية الميكانيكية ، وخاصة الخلايا N و P.

نصف الاختلاف في ملف تعريف الاستثارة الجوهري المعتمد على التردد للخلايا الحسية الميكانيكية. بشكل عام ، تؤثر الموصلية الأيونية (Ratte et al. ، 2013) والتشكيلات الخلوية (Mainen and Sejnowski ، 1996) على أنماط الاستجابة الجوهرية المميزة للخلايا العصبية (Franzen et al. ، 2015). إلى جانب التشكل المختلف ، الذي يظل تأثيره هنا غامضًا ، تظهر الخلايا العصبية الميكانيكية الحسية في العلقة اختلافات في قوة الموصلات الأيونية المعبر عنها. تتمتع الخلايا P بأقوى توصيل منشط لفرط الاستقطاب (Gerard et al. ، 2012) ، وبواباتها المتأخرة لمعدل البوتاسيوم أسرع مقارنة بالخلايا N (Stewart et al. ، 1989). تدعم كلتا النتيجتين إشارات الجهد الأسرع في الخلايا P مقارنة بالخلايا N التي نصفها. تُظهر الخلايا N أقوى وأبطأ جهد ممكن بعد فرط الاستقطاب للخلايا العصبية الحسية الميكانيكية (Schlue ، 1976a) ، والتي من المحتمل أن تطفئ إطلاق النار بمعدلات تحفيز عالية ، وبالتالي تحويل هذه الخلايا العصبية إلى مرشح تمرير منخفض. على العكس من ذلك ، قد يتم تمكين خاصية التمرير العالي للخلية P عن طريق مقوم سريع التأخير مقترن بتيار منشط بفرط الاستقطاب وقطب صغير وأقصر بعد فرط الاستقطاب. بالنسبة للخلايا P ، بالإضافة إلى ذلك ، يجب افتراض تعطيل مولد جهد الفعل الجسدي عن طريق إزالة الاستقطاب البطيء التطور لقمع التنشيط عند ترددات الإدخال المنخفضة. قد يتم دعم هذا الاختلاف في توليد جهد الفعل من خلال ملامح تعبير الصوديوم المميزة في الخلايا العصبية الحسية الميكانيكية في العلقة (Blackshaw et al. ، 2003). ومع ذلك ، فإن الاختلافات التفصيلية في المواصلات الأيونية وملف تعريف التعبير المحلي الخاص بها الذي يولد الاختلافات في ملفات تعريف الاستجابة الجوهرية الموصوفة بين الخلايا N و T و P لا تزال غير واضحة حتى الآن.

في الختام ، توضح دراستنا أن أنماط الاستجابة الجوهرية لجسمات الخلايا العصبية الحسية الميكانيكية في العلقة تمثل بنك مرشح جوهري فيما يتعلق بتردد الإدخال المثالي. قد تكون أنماط الاستجابة المميزة المختلفة هذه مناسبة لدعم فصل المعلومات الحسية المتداخلة مركزيًا ، ربما بالاقتران مع حساسيات التحفيز المختلفة والصلات المركزية. كيف تتفاعل هذه السمات الجوهرية مع التحفيز الحسي الفعلي للترددات المختلفة في المحيط لا يزال يتعين توضيحه.


مناقشة

وجدنا أن التغييرات في إحصائيات سرعة المحفزات البصرية تسببت في إعادة تنظيم واسعة النطاق لحساسية التباين الزماني والمكاني. تسببت التغيرات الرتيبة في سرعة التحفيز في حدوث تغيرات في الحساسية كانت غير رئوية بدرجة عالية عبر السرعة ، وتشكل مناطق متميزة من المكاسب وخسائر الحساسية التي تلخصها خرائط التغيير في الشكل 5.

من غير المرجح أن تنشأ النتائج من التغييرات في استراتيجيات الانتباه أو اتخاذ القرار من قبل مراقبينا. لو سجل المراقبون التغييرات في التحفيز وخصصوا مزيدًا من الاهتمام للمحفزات الأكثر احتمالية (26) ، أو قاموا بتغيير تحيزات قرارهم وفقًا للتحفيز (27 ، 28) ، فإن تغييرات الأداء ستشكل نمطًا مصورًا في الشكل 2.ب. في سياق السرعة العالية ، ستزداد الحساسية للسرعات العالية وتنخفض عند السرعات المنخفضة (الشكل 2ب) ، بالمقارنة مع الحساسية في سياق السرعة المنخفضة. وبدلاً من ذلك ، شكلت التغييرات في الحساسية مجموعات من المكاسب والخسائر غير المتسقة مع حساب التحفيز للتكيف.

كانت التغييرات الملحوظة في الحساسية متوافقة مع حساب نظام التكيف (الشكل 2ج) التي كان من المتوقع فيها حدوث مكاسب وخسائر في الحساسية بسرعات عالية وضمن سرعات منخفضة. يعتمد حساب النظام على نظرية معنية بتخصيص الموارد العصبية المحدودة في النظام البصري (24). وفقًا للنظرية ، تعكس وظيفة حساسية التباين الزماني المكاني (الشكل 1) التخصيص الأمثل للخلايا العصبية التي تتميز بمجالات استقبالية بأحجام مختلفة. التخصيص يحسن الأداء الحسي فيما يتعلق بمجموعة كاملة من المحفزات المحتملة. لذلك من المتوقع أن تؤدي التغييرات في التحفيز إلى تغييرات في خصائص الخلايا العصبية الحساسة لمجموعة واسعة من المحفزات ، والتي تتجلى في تحول واسع النطاق لوظيفة الحساسية.

لسببين ، من المرجح أن يتم تعميم النتائج الحالية على المحفزات والمهام الأخرى. أولاً ، تم العثور على الاختلافات في الأداء البصري عبر المحفزات التي كشفت عنها وظيفة حساسية التباين الزماني المكاني لتعميم على العديد من المحفزات والمهام (29 ، 30). ثانيًا ، لا تقتصر تنبؤات نظرية التخصيص الأمثل للموارد (24) على حساسية التباين كمقياس للأداء البصري.

ما هي الآليات التي من المحتمل أن تتحكم في التخصيص الفعال للمجالات المستقبلة؟ أظهرت الدراسات التي أجريت على العصبونات القشرية الانتقائية للمثيرات المتحركة ذلك ، تمامًا كما هو الحال في homunculus الحسية الجسدية (الشكل 1).أ) ، فإن عدد الخلايا العصبية الانتقائية للمنبه يرتبط بالحساسية لهذا المنبه. على سبيل المثال ، يرتبط عدد الخلايا العصبية الانتقائية للترددات المكانية والزمانية لتعديل النصوع بحساسية التباين في تلك الترددات المكانية (5 ، 31 ، 32) (الشكل 1).ب). لذلك ، من المحتمل أن تأثيرات التكيف التي لوحظت في الدراسة الحالية يتم التوسط فيها عن طريق تغيير تفضيلات العديد من الخلايا العصبية ، عبر مجموعة واسعة من المحفزات المفضلة ، ومن مناطق قشرية مختلفة حيث يكون لحقول استقبال الخلايا العصبية أحجام مختلفة (33).

تدعم الدراسات السابقة للآليات العصبية لتكيف الحركة هذا التوقع. على سبيل المثال ، تم العثور على الخلايا العصبية الحساسة للحركة في المنطقة البصرية القشرية الوسطى الزمانية (MT) لقرود المكاك التي تتصرف على تغيير السرعة والحساسية بعد التعرض القصير للأنماط المرئية المتحركة (23). حدثت هذه التغييرات في الخلايا العصبية الانتقائية لكل من ظروف التكيف وظروف مختلفة تمامًا عن التكيف. زادت حساسية السرعة لبعض المحفزات لكنها انخفضت عند البعض الآخر. تم العثور على تغييرات عصبية مماثلة في الطرائق البصرية الفرعية الأخرى (34) والطرائق الحسية الأخرى (35).

تشير نتائجنا السلوكية إلى أن مثل هذه التغييرات العصبية يجب أن تشكل نمطًا قانونيًا عبر مساحة معلمات التحفيز ، كما هو الحال في خرائط التغيير المعروضة في الشكل 5. لم تسمح الدراسات الفسيولوجية السابقة لأحد باختبار مثل هذه التنبؤات لأن نطاق المنبهات المستخدمة كان أيضًا ضيقة ، أو كانت المحفزات ذات نطاق عريض (كان لديهم تمثيلات واسعة جدًا في مجال التردد). يمكن للدراسات المستقبلية متابعة هذه المشكلة عن طريق فحص التغيرات التي يسببها التكيف للحساسية في الخلايا العصبية ذات تفضيلات التحفيز المختلفة للغاية ، باستخدام المنبهات ذات المحتوى الترددي المحدد جيدًا ، مثل حواجز شبكية الإنارة أو مخاليط مقضب (36).

غالبًا ما تركز الدراسات حول العلاقة بين الخلايا العصبية الحسية المفردة والسلوك الحسي على كيفية دمج الإشارات من الخلايا العصبية المتعددة ذات التفضيلات المتشابهة لتحسين السلوك (37 - 39). تشير نتائجنا إلى أنه يجب التعامل مع هذا السؤال من منظور أوسع ، حيث نسأل كيف يتم تخصيص العديد من الخلايا العصبية ذات تفضيلات التحفيز المختلفة للمحفزات. يعتمد ما إذا كان يجب على الخلايا العصبية الفردية زيادة أو تقليل حساسيتها لمحفز معين على سياق تلك الخلية العصبية - أي حيث توجد انتقائية في فضاء معلمات التحفيز بالنسبة لتفضيلات الخلايا العصبية الأخرى ، وضد التوزيع الكامل لحساسية النظام.

لطالما تم متابعة موضوع التخصيص الفعال للموارد العصبية في بحث الاهتمام البصري (40 ، 41). أظهرت العديد من الدراسات أن تخصيص الانتباه في النظام البصري يتم بوساطة التغيرات السريعة في تفضيل (اكتساب وانتقائية) الخلايا العصبية الفردية (42 ⇓ –45). على سبيل المثال ، حولت الخلايا العصبية الحساسة للحركة في المنطقة البصرية القشرية MT في قرود المكاك تفضيلاتها المكانية نحو موقع التحفيز الخاضع للإشراف ، وشحذ التفضيلات المكانية للعديد من الخلايا العصبية في الموقع الخاضع للإشراف (46). تم العثور على التكيف ، أيضًا ، للحث على تغييرات في تفضيلات الخلايا العصبية في هذه المنطقة القشرية (23 ، 47). من المعقول أن تأثيرات التكيف والانتباه تتم بوساطة نفس الدوائر العصبية ، على الرغم من أن العمليتين تحكمهما قيود مختلفة (48 ، 49). لذلك يمكن أن يظهر التكيف والانتباه استراتيجيتين تنشرهما الأجهزة العصبية على نطاقات زمنية مختلفة لتحقيق تعددية استخدامات لا مثيل لها بموارد محدودة.


استقبال الاهتزازات

يحدث التكيف والتعافي بسرعة أكبر بين مستقبلات اللمس ، وتميل إلى الاستجابة بشكل جيد للتحفيز المتكرر ، حتى مع التردد العالي نسبيًا. وبالتالي ، يمكن لأي شخص أن يشعر بما إذا كان جسم ما يهتز فوق تردد عتبة يبلغ حوالي 15 دورة في الثانية (cps) ، ويبدو أن المنبهات التكتيكية المتصورة تندمج في إحساس اهتزازي جديد تمامًا ومتميز. تم العثور على حد التردد الأعلى لهذا الإحساس بالاهتزاز عند عدة آلاف cps بين الأفراد العاديين ، مع حساسية قصوى في نطاق 200 cps (فوق عتبة السعة حوالي 100 ميكرون). مثلما يتم تمييز طبقة الصوت في السمع ، يمكن تمييز الاختلافات التي تبلغ حوالي 12 إلى 15 بالمائة في ترددات الاهتزاز من قبل معظم الناس.

لا تقتصر حساسية الاهتزاز على البشر. الأسماك ، على سبيل المثال ، قد تستجيب أيضًا لاهتزازات المياه منخفضة التردد بمستقبلات لمسية. بالإضافة إلى ذلك ، تمتلك عدة أنواع من الحيوانات مستقبلات اهتزاز خاصة. في بعض الحشرات ، هناك مجموعة من الهياكل المتخصصة (الإحساس الحبلي) في الجزء العلوي من كل جزء من قصبة الساق تهتز من الأرض تحتها. في الصرصور ، تم العثور على سعة عتبة المنبهات الاهتزازية من هذا النوع أقل من 0.1 ميكرون. الطيور لديها مستقبلات خاصة (كريات Herbst في عظم الظنبوبي في الساق) والتي يمكن من خلالها اكتشاف الاهتزازات الطفيفة للغصين أو الفرع الذي يجلسون عليه. تبلغ الحساسية القصوى للطيور حوالي 800 cps ، وسعة العتبة قريبة من 20 ميكرون. تستخدم العناكب أيضًا حاسة الاهتزاز لتحديد موقع الفريسة على الويب.


فسيولوجيا خلايا الشعر

يستريح إمكانات

بالمقارنة مع الخلايا العصبية في الجهاز العصبي المركزي ، فإن إمكانات غشاء الراحة لخلايا الشعر مزالة بشكل معتدل ، وتقع في نطاق 70 إلى 50 mV. على الجانب القاعدي من الظهارة ، تتعرض خلايا الشعر للسائل النموذجي خارج الخلية للحيوان الذي يحتوي على تركيز عالٍ من الصوديوم (120-150 ملي مولار) ، وتركيز منخفض من البوتاسيوم (2-4 ملي مول) ، وتركيز منخفض من الكالسيوم بالمثل (2-5 ملم). الأنيون الأساسي في السائل خارج الخلية هو كلوريد (80-110 ملي مولار). يحتوي العصارة الخلوية لخلية الشعر على تركيز منخفض من الصوديوم (10-15 ملي مولار) وتركيز عالٍ من البوتاسيوم (125-140 ملي مولار) وتركيز ضئيل من الكالسيوم الحر (≪1 ميكرومتر) (Bosher and Warren، 1978 Sauer et al. 1999). تركيز الكلوريد داخل الخلايا منخفض أيضًا (1.5-4 ملي مولار) ويعزى توازن الشحن داخل الخلايا أساسًا إلى وجود الشحنات السالبة الثابتة الموجودة على الأحماض الأمينية والجزيئات الكبيرة (البروتينات والأحماض النووية) عند درجة الحموضة الفسيولوجية. بافتراض أن تركيز K داخل الخلايا يبلغ 130 م M وتركيز K خارج الخلية 3 مم ، فإن مثل هذه الخلية سيكون لها إمكانات غشاء مستريح تبلغ حوالي 98 mV إذا تصرفت كغشاء Nernstian انتقائي تمامًا K + (حيث Nernst احتمال التوازن = 60 * سجل10<[K +]خارج/ [K +]في> بالسيارات عند 20 درجة مئوية). يشير كون إمكانية الراحة حتى الآن غير مستقطبة من احتمالية توازن K + إلى وجود نفاذية راحة لواحد أو أكثر من الأيونات الإضافية التي لديها إمكانات توازن أكثر استقطابًا. لاحظ كروفورد وفيتبلايس أن متوسط ​​إمكانات الراحة يبلغ حوالي 50 ملي فولت في خلايا الشعر السمعية وقدرا إمكانات توازن البوتاسيوم لتكون −80 ملي فولت لتلك الخلايا (كروفورد وفيتيبلايس 1980). تشير الدراسات التي أجريت على خلايا شعر الضفدع الكيسية إلى وجود تيارات أيونية متعارضة أثناء الراحة ، أحدهما مقوم داخلي K + تيار (Iك 1) والآخر تيار داخلي منشط بفرط الاستقطاب (Iح) (هولت وإيتوك 1995). تم تنشيط تيار K + عند الإمكانات السلبية إلى 60 مللي فولت وتم تنشيط التيار الداخلي عند الإمكانات السلبية حتى −50. تنقسم خلايا الشعر الكيسية إلى مجموعتين شكليتين ، كروية وأسطوانية ، والتي تختلف أيضًا في إمكاناتها في الراحة. كان للخلايا الكروية إمكانات أكثر استقطابًا (حوالي -50 مللي فولت) وتفتقر إلى أناك 1 بينما أمتلك أناح. كان للخلايا الأسطوانية إمكانات استراحة أكثر سلبية (حوالي 68 مللي فولت) وتمتلك كلا من Iك 1 و اناح (هولت وإيتوك 1995). التيار الداخلي المنشط بفرط الاستقطاب Iح هو عضو في عائلة قناة HCN ويشير تقرير حديث إلى أن هذا النوع من القنوات ضروري لوظيفة الدهليز الطبيعية (Horwitz et al. 2011). في خلايا شعر قوقعة الفأر ، التي لديها إمكانات راحة حول −72 ملي فولت ، تساهم قنوات K + الحساسة للجهد من نوع KCNQ بقوة في إمكانات الراحة (أوليفر وآخرون 2003). تعبر الخلايا العصبية الدهليزية عن مجموعة متنوعة من القنوات ذات الجهد الكهربي ، والمعدل الداخلي ، والقنوات النشطة من الكالسيوم 2+ ، والتي تساهم في التخصص الوظيفي لخلايا الشعر من النوع الأول والنوع الثاني (ميريديث وريني 2016).

على الجانب القمي من غشاء خلية الشعر ، يشبه التركيب الأيوني للسائل خارج الخلية في الأذن الداخلية العصارة الخلوية (Bosher and Warren 1978 Sauer et al. 1999). يتم إفراز هذا السائل ، المسمى endolymph ، بشكل نشط عن طريق stria vascularis لوسائط scala لقوقعة الثدييات. الوسائط المتقشرة عبارة عن قناة مملوءة بالسوائل متصلة بالقنوات نصف الدائرية وبمساحة السوائل التي تغطي خلايا الشعر في الظهارة البقعية الأخرى ، مثل كيس الثدييات وأوتريكلي. في تلك المناطق ، تفرز ظهارة شبيهة بالخطوط الوعائية اللمف الباطني (Wilms et al. 2016). يبلغ تركيز K + من اللمف الباطني للقوقعة في الثدييات حوالي 150 ملي مولار وتركيز الصوديوم حوالي 1 ملي مولار وتركيز الكالسيوم 2+ حوالي 30 ميكرومتر ، وهو ما يمثل حوالي 1 ٪ من القيمة الطبيعية خارج الخلية ولكن في نفس الوقت أعلى من ذلك بكثير من القيمة الطبيعية داخل الخلايا ، والتي تقل عن 1 ميكرومتر (Fettiplace 2017). نظرًا لأن تركيزات K + متشابهة على جانبي الغشاء القمي ، فإن احتمالية Nernst لـ K عبر هذا الغشاء قريبة من الصفر (Eك = 60 * سجل10<[K +]خارج/ [K +]في>. وبالتالي ، إذا كانت إمكانات غشاء الراحة هي 50 ملي فولت (بسبب نفاذية الراحة على الجانب الجانبي السفلي) ، فهناك قوة دافعة داخلية لـ K + لدخول الخلية على الجانب القمي. بسبب انخفاض تركيز الصوديوم في اللمف الباطن ، فإن القوة الدافعة لـ Na هي في الواقع إلى الخارج عبر الغشاء القمي (Eنا = 60 * سجل10(1/10) = - 60 مللي فولت) ، بينما تظل القوة الدافعة لـ Ca 2 + إلى الداخل [Eكاليفورنيا= (60/2) * سجل10(30 ميكرومتر / 1 ميكرومتر) = +44 ملي فولت]. في الثدييات وفي بعض الطيور ، هناك جهد كهربائي إيجابي كبير بين اللمف الباطن والسائل القاعدي خارج الخلية ، نتيجة النقل الأيوني النشط الذي يحدث في ظهارة اللمف الباطن. في الثدييات ، تبلغ هذه الإمكانية حوالي +80 ملي فولت في القوقعة وبالتالي تضيف إلى القوة الدافعة الداخلية للكاتيونات عبر الغشاء القمي لخلية الشعر (Zdebik et al. 2009 Wilms et al. 2016). من خلال إضافة القوة الدافعة للتدفق الداخلي للتيار الكاتيوني ، يُعتقد أن هذا يعزز استجابة خلايا الشعر للنغمات عالية التردد (Nin et al. 2008 ، 2016 Fettiplace 2017).

النقل الميكانيكي

المحفز الميكانيكي المناسب لخلية الشعر هو الذي يزيح حزمة الأهداب المجسمة في اتجاه أطول مجسمات شعرية. تم توضيح ذلك من قبل Hudspeth and Corey باستخدام مستحضر ظهارة حويصلي معزول للضفدع الضفدع (Hudspeth and Corey 1977). أدت عمليات النزوح الدقيقة لحزمة الشعر إلى إنتاج إمكانات مستقبلات إزالة الاستقطاب من عدة ملي فولت ، وتسبب الإزاحة في الاتجاه المعاكس في فرط الاستقطاب ، على الرغم من أنه كان أصغر في السعة. تشير تجارب مماثلة على خلايا الشعر الخارجية للثدييات إلى أن انحراف 250 نانومتر لحزمة الشعر يولد تنشيطًا نصف أقصى للتيار الداخلي وانحراف 500 نانومتر يكون مشبعًا (Fettiplace and Kim 2014). تشير استجابة فرط الاستقطاب التي لوحظت في خلايا الشعر الكيسية لضفدع الضفدع إلى أن بعض القنوات الحساسة للميكانيكا يجب أن تكون مفتوحة أثناء الراحة ، لكنها لا تستطيع سوى جزء صغير من العدد الإجمالي لأن الخلايا كانت أكثر استجابة في اتجاه نزع الاستقطاب (Hudspeth and Corey 1977) .

يتم نقل التيار الأيوني الذي يتم تنشيطه بواسطة إزاحة حزمة الشعر بواسطة الكاتيونات ، وتكون القناة قابلة للاختراق لـ Na + و K + و Ca 2+ (Corey and Hudspeth 1979). تحمل أيونات البوتاسيوم معظم التيار ، لأنها أكثر الكاتيون وفرة في اللمف الباطن ، ومع ذلك ، قد يساهم الكالسيوم 2+ بنسبة تصل إلى 10٪ من التيار الداخلي على الرغم من تركيزه المنخفض (20-30 ميكرومتر في اللمف الباطني للقوقعة ، 200-250 ميكرومتر في اللمف الدهليزي) (ريتشي و فيتيبليس 1998). كما هو مذكور أعلاه ، سيكون التيار الذي يحمله Na في الاتجاه الخارجي ، وهذا لن يساهم في احتمالية إزالة الاستقطاب ، ولكنه قد يساعد في توازن الصوديوم من خلال السماح بالانتشار الخارجي لـ Na الذي ينتشر إلى الداخل على الجانب السفلي الجانبي. يزيد الاستقطاب الناجم عن التيار الداخلي عبر الغشاء القمي من الموصلية العالية بالفعل لـ K + في الغشاء القاعدي عن طريق فتح قنوات K ذات الجهد الكهربائي والتي يبدو أنها تتضمن قنوات KCNQ4 ، وتسبب طفرات الجين KCNQ4 شكلاً سائدًا من الصمم الوراثي (خاركوفيتس وآخرون 2000).

تعني القوة الدافعة الخارجية الكبيرة لـ K + على الجانب الجانبي الأساسي لخلية الشعر أنه لا يلزم إنفاق طاقة لاستعادة تدرج تركيز أيون K + أثناء عملية النقل الميكانيكي وبعدها. هذه كفاءة ملحوظة للطاقة الخلوية ومثال رئيسي على القوة الفسيولوجية للظهارة. من خلال مزيج من K + الانتشار من خلال perilymph والانتشار من خلية إلى خلية من خلال تقاطعات الفجوة التي تربط الخلايا الداعمة ببعضها البعض والخلايا الأخرى ، فإن K + الذي يدخل عبر الغشاء القمي ينتقل في النهاية إلى stria vascularis لإعادة تدويره إلى مزيد من اللمف الباطني (Zdebik et al. 2009 Fettiplace 2017).

انتقال متشابك

لا تنتج خلايا الشعر الناضجة إمكانات فعلية ، لذا فإن كل انتقال متشابك يعتمد على إمكانات مستقبلات متدرجة.ينتج إزاحة حزمة الشعر تيارات داخلية تصل إلى 10 باسكال لكل 1 نانومتر من الإزاحة ، مما يؤدي إلى إزالة الاستقطاب بمقدار 1 ملي فولت لخلية شعر ذات مقاومة إدخال تبلغ 100 ميغا أوم (Fettiplace and Ricci 2006). يتراوح النطاق الفسيولوجي لإمكانيات المستقبلات من إمكانية الراحة إلى حوالي 20 ملي فولت (Glowatzki وآخرون ، 2008) ، وهو ما يقابل إزاحة حزمة الشعر حتى 50 نانومتر في ظل الظروف الفسيولوجية.

إن إطلاق الناقل العصبي عند المشبك الوارد يعتمد على Ca 2+ ، كما هو الحال في المشابك العصبية الأخرى ، ولكن هناك العديد من التخصصات المهمة في تشابك خلايا الشعر. من الناحية الهيكلية ، تحتوي منطقة ما قبل المشبكي على بنية بارزة مستطيلة كثيفة الإلكترون تتجمع حولها الحويصلات المتشابكة مما يؤدي إلى تسميتها بمشابك الشريط (الشكل 1) ، والمظهر في الصور المجهرية الإلكترونية للإرسال مشابه لما يظهر في شبكية العين المستقبلات الضوئية والخلايا ثنائية القطب (Wichmann and Moser 2015). يتم تصنيف إطلاق الناقل العصبي فيما يتعلق بإزالة استقطاب الغشاء وعلاقة إطلاق المرسل بتدفق الكالسيوم 2+ خطي (Glowatzki وآخرون .2008 Rutherford and Pangrsic 2012 Fettiplace 2017). هذا مثير للدهشة إلى حد ما ، لأن اعتماد Ca 2+ للإخراج الخلوي الحويصلي عند المشبك الشريطي ، عند قياسه عن طريق التحلل الضوئي لمواد Ca 2+-buffers الحساسة للصور ، يبدو أنه يعرض نفس علاقة القوة الرابعة أو الخامسة مثل تلك التي تظهر في الخلايا العصبية الأخرى المشابك (Glowatzki et al. 2008 Johnson et al. 2017 Rutherford and Pangrsic 2012). ومع ذلك ، فإن التأثير الصافي للعلاقة الخطية الملحوظة عند المشبك الشريطي هو جعل إطلاق المرسل أكثر حساسية لإزالة الاستقطاب الصغير ، وبالتالي تعزيز الحساسية الكلية للنظام.

في حالة عدم وجود استقطاب لخلايا الشعر الناجم عن التحفيز ، يتم إطلاق الناقل العصبي باستمرار بسبب الحالة المنشطة المفتوحة لقنوات Ca 2+ المعتمدة على الجهد من النوع L في المنطقة النشطة من الغشاء قبل المشبكي في إمكانات الراحة الطبيعية (تشو وفون جيرسدورف 2012). الناقل العصبي المنطلق هو الغلوتامات ، والمستقبلات ما بعد المشبكي هي مستقبلات AMPA سريعة ومثيرة (Sadeghi et al. 2014 Kirk et al. 2017). نتيجة الإطلاق المنشط للجلوتامات هي أن الألياف الأولية الواردة تنطلق تلقائيًا في غياب تنشيط خلايا الشعر وتزيد من معدل إطلاقها بما يتناسب مع الزيادة المتدرجة للجلوتامات الناتجة عن إزالة استقطاب خلايا الشعر المتدرجة.

يُخصص مشبك شريط خلية الشعر لإطلاق ناقل عصبي بأقل تأخير ، وهذا أمر مهم لأن العديد من العمليات ، مثل توطين مصدر الصوت ، تتطلب تقييمًا دقيقًا للكمون البيني لوصول الصوت. كيف يتم تحقيق ذلك ليست مفهومة تمامًا ، ولكن تم تحديد العديد من المكونات الرئيسية لمشبك الشريط. من أبرز هذه العناصر بروتين ribeye ، الذي يشكل الجزء الأكبر من بنية الشريط (Wichmann and Moser 2015). يتم تثبيت Ribeye في المنطقة النشطة بواسطة بروتين الباسون (الشكل 3) ، وقد أعاقت الفئران ذات الطفرات الباسونية وظيفة المشابك الشريطية (Wichmann and Moser 2015). إن هوية البروتينات التي تربط الحويصلات المشبكية بعيون الضلع غير معروفة ، ولكنها قد تشمل المجال B من ribeye (Wichmann and Moser 2015). تم الإبلاغ مؤخرًا عن خروج الضلع في الفئران ، مما أدى إلى تعطل الدقة الزمنية لتشفير الصوت ، على الرغم من استمرار الإرسال المتشابك (Jean et al. 2018).

رسم تخطيطي لمشبك الشريط في خلية شعر داخلية ناضجة. تتجمع الحويصلات المشبكية (كرات صغيرة) حول بروتين ريب آي (بيضاوي كبير) وترتبط به بواسطة حبال غير موصوفة حتى الآن. يتم وضع بروتين الباسون (قاعدة تحت الأضلاع) بين الضلع والغشاء قبل المشبكي ويمكن أن يكون بمثابة مرساة لعيون الضلع. تتجمع قنوات Cav1.3 Ca 2+ الحساسة للجهد (البقع الداكنة بالقرب من الباسون) بإحكام حول مجمع ribeye-bassoon ، مما يقلل من وقت الانتشار بين Ca 2+ و Ca 2+ exocytosis. تم التعديل بإذن من Wichmann and Moser (2015).

رسم تخطيطي لمشبك الشريط في خلية شعر داخلية ناضجة. تتجمع الحويصلات المشبكية (كرات صغيرة) حول بروتين ريب آي (بيضاوي كبير) وترتبط به بواسطة حبال غير موصوفة حتى الآن. يتم وضع بروتين الباسون (قاعدة تحت الأضلاع) بين الضلع والغشاء قبل المشبكي ويمكن أن يكون بمثابة مرساة لعيون الضلع. تتجمع قنوات Cav1.3 Ca 2+ الحساسة للجهد (البقع الداكنة بالقرب من الباسون) بإحكام حول مجمع ribeye-bassoon ، مما يقلل من وقت الانتشار بين Ca 2+ و Ca 2+ exocytosis. تم التعديل بإذن من Wichmann and Moser (2015).

إلى جانب الاختلافات الهيكلية من نقاط الاشتباك العصبي المركزية ، هناك اختلافات وظيفية كبيرة في المشابك الشريطية: لم يتم تضمين عوامل فتيلة الحويصلة مثل Munc13 ، ولا يبدو أن بروتينات SNARE ضرورية ، و synaptotagmin ، وهو بروتين Ca +2 الذي يؤدي إلى خروج الخلايا في المشابك المركزية ، غائبة تمامًا عن مشابك شريط خلية الشعر (Rutherford and Pangrsic 2012 Pangrsic et al. 2012). بدلاً من synaptotagmin ، تحتوي المشابك الشريطية على بروتين ذي صلة ، otoferlin ، والذي ، مثل synaptotagmin ، له نطاقات C2 متعددة يمكن أن تربط Ca 2+ وتعزز إفراز الحويصلة (Cho and von Gersdorff 2012 Fettiplace، 2017 Michalski et al. 2017). يعد Otoferlin ضروريًا لإخراج الخلايا من المشابك الشريطية لخلية الشعر ، حيث يؤدي خروج البروتين في الفئران إلى الصمم ، وترتبط طفرة جين الأوتوفرلين بالصمم البشري (Roux et al.2006). يأتي المزيد من الأدلة لدعم otoferlin باعتباره مستشعر Ca 2+ ومحفزًا لانصهار الحويصلة من التجارب التي تستخدم فأرًا متقطعًا مع otoferlin معدل له تقارب أقل من Ca 2+ في مجالات C2 (Michalski et al. 2017). كان لهذه الفئران بنية مشابك شريطية طبيعية وتيارات Ca 2+ قبل المشبكي ، ولكن تأخر خروج الخلايا المشبكية وكانت الاستجابات السمعية لجذع الدماغ أصغر (Michalski et al. 2017). قد يساهم Otoferlin أيضًا في تجنيد الحويصلات في المشبك الشريطي (Michalski et al. 2017). لا تزال هناك العديد من الأسئلة المتعلقة بمشبك شريط خلية الشعر ، وسيكون هذا النظام بالتأكيد محور نشاط بحثي مثمر لسنوات عديدة قادمة.

تم العثور على مشابك متخصصة أخرى في خلايا الشعر الدهليزي من النوع الأول ، والتي تحيط بها على الجانب السفلي الوحشي تمدد يشبه الكأس لنهاية العصب الوارد الأساسي (الشكل 4). تشكل كل من خلايا الشعر من النوع الأول والنوع الثاني المشابك الشريطية على الوصلة الأولية ، ومن الملاحظ أن أحد العناصر الأولية الأولية قد يشكل نقاط تشابك مع كل من خلايا الشعر من النوع الأول والنوع الثاني (Eatock and Lysakowski 2006). ومع ذلك ، فإن وجود الكأس يقيد الانتشار الخارجي لـ K + من الغشاء الجانبي للخلية من النوع الأول ، مما يؤدي إلى تراكم K + في الشق المشبكي. في حين أن هذا يبدو غير مواتٍ لخلية الشعر ، والتي يجب أن تقضي على الجانب السفلي الجانبي من K + التي تدخل من خلال الستريوسيليا ، إلا أنها تتمتع أيضًا بإمكانية إزالة الاستقطاب المباشر للغشاء الوارد الأساسي عن طريق تراكم الشحنة الناتج و / أو إزالة الاستقطاب Nernstian ، مما ينتج عنه وبالتالي إثارة مباشرة غير كمية (Songer and Eatock 2013). تمشيا مع هذه الفكرة ، يحتوي الغشاء الوارد من الكاليكل على قنوات من نوع KCNQ حساسة للجهد ، مما يوفر كلاً من مسار نفاذية Nernstian وقناة خروج من الشق المشبكي لـ K + المتراكمة (Songer and Eatock 2013).

رسم تخطيطي لخلايا الشعر النمطية من النوع الأول والنوع الثاني المأخوذة من عضو دهليزي في الثدييات. (أ) لاحظ أن مادة واردة أساسية واحدة قد تتشابك مع خلية شعر من النوع الأول والنوع الثاني. قد تتشابك خلية عصبية صادرة واحدة على نهاية واردة من النوع الأول (مشابك ما بعد المشبكي) وقد تتشابك مع خلية شعر من النوع الثاني (مشابك قبل المشبكي) أو على محور عصبي وارد (مشابك ما بعد المشبكي ، غير موضحة). لكن لا يمكن للخلايا العصبية الصادرة أن تتشابك مع خلية شعر من النوع الأول مباشرة. (ب) الموصلات الأيونية التي تم تحديدها في خلايا الشعر الدهليزي. GDR ، المعدل المتأخر K + التوصيل GK ، L ، K + توصيل التسرب GCa ، حساس للجهد ، غير منشط للكالسيوم 2+ التوصيل GNa ، حساس لـ TTX ، حساس للجهد Na + الموصلية GKI ، K + - مقوم داخلي انتقائي Gh ، فرط الاستقطاب- تنشيط التيار الداخلي GA ، حساس للجهد ، موصلية K + المعطلة بسرعة ، أو GDRI الحالي ، المعدل المتأخر K + التوصيل GDRII ، المعدل المتأخر K + التوصيل GMET ، التوصيل الميكانيكي الكهربائي. مستنسخة بإذن من Eatock et al. (1998).

رسم تخطيطي لخلايا الشعر النمطية من النوع الأول والنوع الثاني المأخوذة من عضو دهليزي في الثدييات. (أ) لاحظ أن مادة واردة أساسية واحدة قد تتشابك مع خلية شعر من النوع الأول والنوع الثاني. قد تتشابك خلية عصبية صادرة واحدة على نهاية واردة من النوع الأول (مشابك ما بعد المشبكي) وقد تتشابك مع خلية شعر من النوع الثاني (مشابك قبل المشبكي) أو على محور عصبي وارد (مشابك ما بعد المشبكي ، غير موضحة). لكن لا يمكن للخلايا العصبية الصادرة أن تتشابك مع خلية شعر من النوع الأول مباشرة. (ب) الموصلات الأيونية التي تم تحديدها في خلايا الشعر الدهليزي. GDR ، المعدل المتأخر K + التوصيل GK ، L ، K + توصيل التسرب GCa ، حساس للجهد ، غير منشط للكالسيوم 2+ التوصيل GNa ، حساس لـ TTX ، حساس للجهد Na + الموصلية GKI ، K + - مقوم داخلي انتقائي Gh ، فرط الاستقطاب- تنشيط التيار الداخلي GA ، حساس للجهد ، موصلية K + المعطلة بسرعة ، أو GDRI الحالي ، المعدل المتأخر K + التوصيل GDRII ، المعدل المتأخر K + التوصيل GMET ، التوصيل الميكانيكي الكهربائي. مستنسخة بإذن من Eatock et al. (1998).

قناة المحول الميكانيكي

على الرغم من أن قناة المحول الميكانيكي لم يتم عزلها وتمييزها بشكل كامل ، إلا أن الكثير معروف عنها. استخدمت التجارب المبكرة Ca 2+ منخفضة خارج الخلية (أقل من 1 ميكرومتر) لإحداث فصل جزئي لروابط طرف الستريوسيليا. في ظل الظروف السعيدة ، يترك هذا ما يكفي من روابط الأطراف السليمة للسماح بالتسجيل الكهربائي من قناة واحدة أو عدة قنوات في وقت واحد ، وبالتالي قياس توصيل القناة. عندما تم رفع تركيز Ca 2+ خارج الخلية لاحقًا إلى حوالي 3 ملي مولار ، كانت توصيل القناة المقاسة في حدود 100 بيكوسيمن (100 بيكو سيمنز) (أوموري 1985 كروفورد وآخرون 1991 بورغ وآخرون 2006). على النقيض من ذلك ، فإن معظم القنوات الأيونية ذات الجهد الكهربائي لها موصلية في حدود 10-30 نقطة في الثانية (Hille 2001). والأكثر إثارة للدهشة هو أن توصيل القناة الحساسة ميكانيكيًا قد تضاعف تقريبًا عندما تم تخفيض Ca 2+ خارج الخلية إلى تركيز اللمف الجواني الطبيعي (شبه الملي مولاري) (كروفورد وآخرون 1991). تشير المواصلية المتزايدة في Ca 2+ المنخفضة إلى أن Ca 2+ لها تأثير مثبط على القناة (Beurg et al. 2010).

تم تحديد موقع القناة الأيونية الحساسة للميكانيكية بشكل قاطع لنصائح الأيونات المجسمة عن طريق تصوير الكالسيوم باستخدام الأصباغ الفلورية (Lumpkin and Hudspeth 1995 Beurg et al.2009). تتوافق هذه النتيجة مع وجود روابط طرف بين الأجنحة المجسمة المجاورة ، والتي توفر آلية ممكنة لتنشيط المستقبلات الميكانيكية ذات الأطراف: يمكن أن تكون بمثابة نابض بواب. تم تحديد العديد من مكونات الوصلات الطرفية ، ومن بينها بروتينان أساسيان هما cadherin23 (CDH23) و protocadherin 15 (PCDH15) (Siemens et al. 2004 Narui and Sotomayor 2018). كل من CDH23 و PCDH15 عبارة عن بروتينات مرتبطة بالكالسيوم تشكل روابط تعتمد على الكالسيوم ، لذا فإن وجودها يتسق مع الملاحظة السابقة بأن الكالسيوم المنخفض خارج الخلية يعطل روابط الأطراف ويمنع النقل الميكانيكي (أسد وآخرون 1991).

لقد ثبت الآن أن CDH23 يشكل المنطقة العلوية لوصلة الطرف وأن PCDH15 يشكل الجزء السفلي (Zhao and Müller 2015). أدت عمليات البحث اللاحقة ، بناءً على الجينات المسؤولة عن متلازمة الصمم الحاد (متلازمة أوشر من النوع 1 ، أو USH1) ، إلى وصف البروتينات التي تتفاعل مع CDH23 أو PCDH15 ويمكن أن تشكل قناة المحول الميكانيكي. كانت عمليات البحث هذه منتجة وأسفرت عن مكونات مهمة لمجمع رابط طرف الستريوسيليا ، بما في ذلك الهارمون ، بلا ، والميوسين VIIa ، والتي تشكل معقدًا في الطرف العلوي من رابط الطرف وتتفاعل مع CDH. تم التعرف أيضًا على CIB2 و TMIE و LHFPL5 (المعروف أيضًا باسم TMHS) ، والتي تشكل معقدًا في الطرف السفلي من رابط الطرف وتتفاعل مع PCDH15 (Zhao and Müller 2015). كل من TMIE و LHFPL5 عبارة عن بروتينات غشائية متكاملة ويمكن أن تساهم في قناة أيون عبر الغشاء. ومع ذلك ، فإن التجارب التي أجريت على الفأرة الضربة القاضية لـ LHFPL5 ، مع إظهار انخفاض في توصيل النقل الميكانيكي ، لم تشير إلى أن LHFPL5 كان أحد مكونات قناة المحول الميكانيكي ، ولكن بدلاً من ذلك ، فإن تعطيل LHFPL5 يعمل عن طريق تقليل التعبير عن بروتين قناة محتمل آخر ، TMC1 ( Beurg et al. 2015).

تشير خطوط الأدلة المتعددة إلى أن TMC1 جزء من قناة المحول الميكانيكي (Holt et al. 2014). مثل TMIE و LHFPL5 ، يتم ترجمة TMC1 إلى أطراف ستريوسيليا (كوريما وآخرون ، 2015). أيضًا ، يتفاعل TMC1 مع CIB2 ، وهو أمر ضروري في حد ذاته للنقل الميكانيكي العادي (Giese et al. 2017). أظهرت التجارب التي أجريت على الفئران التي تعبر عن TMC1 أو البروتين ذي الصلة TMC2 أو TMC1 المتحور أن تسجيل المشبك الانتخابي من خلايا الشعر الداخلية أو خلايا الشعر الدهليزي أسفر عن تيارات طبيعية المظهر إما مع TMC1 أو TMC2 أو خليط من الاثنين ، بينما أظهرت الفئران التي تعبر عن TMC1 المتحور تيارات منخفضة فقط (Pan et al. 2013). لا تثبت هذه البيانات أن TMC1 أو TMC2 يمكن أن تشكل قناة كاملة ، لكنها تشير بقوة إلى أن بروتينات TMC تساهم في ثقب القناة (Pan and Holt 2015). ومع ذلك ، هذا لا يعني بالضرورة أنها المكونات الوحيدة لمسام القناة. تظل العديد من الأسئلة قائمة ومن غير المرجح أن يتم حل المشكلة بالكامل حتى يمكن إعادة تشكيل قناة محول ميكانيكي وظيفي في نظام تعبير غير متجانس (Fettiplace 2016 Corey and Holt 2016 Wu and Müller 2016).

عكس القطبية توصيل

في خلايا الشعر التي تفتقر إلى كل من TMC1 و TMC2 ، أو في خلايا الشعر التي تعطلت فيها الروابط الطرفية تمامًا ، من الممكن ملاحظة تيار قطبية عكسية عند إزاحة حزمة الشعر في الاتجاه السلبي (بعيدًا عن أطول مجسمات شعرية) . ينتج هذا التيار الخارج عن تشوه غشاء البلازما القمي للخلية (Beurg et al. 2016). حدد التحقيق اللاحق أن القناة الميكانيكية الحساسة المسؤولة هي piezo2 ، والتي سبق أن ثبت أنها تكمن وراء النقل الميكانيكي في الإحساس باللمس لدى الثدييات (Ranade et al. 2014 Beurg and Fettiplace 2017). ومع ذلك ، فإن الدور الطبيعي لهذه القناة في الغشاء القمي لخلايا الشعر غير معروف.

التكيف

تُظهر جميع الأنظمة الحسية تكيفًا ، وهو انخفاض في الاستجابة الحسية لمحفز ثابت أو غير متغير. قد يحدث التكيف على أي مستوى من النظام ، من المستقبلات المحيطية إلى الدائرة العصبية المركزية ، وغالبًا ما يحدث على مستويات متعددة. من وجهة نظر الكائن الحي ، يسمح التكيف للجهاز الحسي بالبقاء حساسًا تجاهه التغييرات أو اختلافات في البيئة ، فهذه هي موضع المعلومات المفيدة للبقاء والتكاثر. مثل العديد من الخلايا الحسية الميكانيكية الأخرى ، تُظهر خلايا الشعر تكيفًا سريعًا مع الإزاحة التوترية لحزمة الأهداب المجسمة. هذا مهم وظيفيًا في الجهاز الدهليزي لأنه يسمح لخلايا الشعر بإحساس تغيرات التسارع على خلفية سرعة ثابتة. بالإضافة إلى ذلك ، في خلايا الشعر السمعية من البرمائيات والزواحف والطيور ، يساهم التكيف في حساسية التردد. تم وصف نوعين عامين من تكيف خلايا الشعر: سريع وبطيء. تم وصف كلا النوعين في الأصل في البرمائيات (كيس الضفدع) أو الزواحف (الحليمة السمعية للسلاحف) ، ويعتمد كلا النوعين على تدفق الكالسيوم 2+ عبر القناة الحساسة للميكانيكا (أسد وآخرون 1989 وو وآخرون 1999 Eatock 2000 Colclasure و Holt 2003 Corns et 2014)

يحدث التكيف السريع بسرعة كبيرة ، مع ثابت زمني قدره & lt2 مللي ثانية ، ويتضمن حركة سريعة ونشطة للعدسات المجسمة ضد اتجاه المثير (أي نحو الأهداب المجسمة الأقصر) (كروفورد وآخرون 1989). الارتداد له نفس المسار الزمني مثل اضمحلال التيار الداخلي بعد إزاحة المجسمات ، والآلية الأكثر احتمالا هي أن دخول Ca 2+ يرتبط بمجمع قناة المحول الميكانيكي ويسبب إغلاقًا سريعًا للقناة (كروفورد وآخرون 1989 ريتشي وآخرون 2000 أ Fettiplace and Ricci 2003 Stepanyan and Frolenkov 2009). تمشيا مع هذه الفكرة ، تحتوي خلايا الشعر السمعي للسلاحف على تركيز عالٍ من محلول Ca +2 الداخلي ، وهو ما يعادل 0.1-0.4 ملي مولار من BAPTA ، ويكون تركيز المخزن المؤقت الداخلي أعلى في خلايا الشعر عالية الاستجابة مقارنة بالخلايا منخفضة التردد. في موازاة ذلك ، يكون الثابت الزمني للتكيف السريع أطول في الخلايا عالية التردد منه في الخلايا منخفضة التردد (ريتشي وآخرون ، 1998).

كما لوحظ تكيف سريع في خلايا الشعر الخارجية لقوقعة الثدييات. كانت حركيات التكيف السريع أسرع مما كانت عليه في خلايا شعر السلاحف ، حتى عندما كان كلاهما في درجة حرارة الغرفة ، مع متوسط ​​الوقت الثابت للتكيف السريع في خلايا الفئران حوالي 154 ميكرو ثانية عندما كان تركيز Ca 2+ خارج الخلية 1.5 ملي مولار. عندما تم تقليل Ca 2 خارج الخلية إلى 50 ميكرومتر ، وهو تركيز فسيولوجي ، كان ثابت الوقت أبطأ (620 ميكرو ثانية) وكان إجمالي التيار الداخلي أكبر (كينيدي وآخرون 2003). تعكس هذه الاختلافات حقيقة أن قناة المحول الميكانيكي محجوبة بواسطة الميلي مولار Ca 2+ ، والذي لوحظ أيضًا في خلايا شعر السلاحف (كروفورد وآخرون 1991). تم الحصول على نتائج مماثلة من قبل Corns وزملاؤه عند استخدام الميلي مولار Ca 2+ ، ولكن عندما تم تخفيض Ca 2+ إلى تركيز فسيولوجي ، تم إلغاء التكيف السريع والبطيء (Corns et al. 2014). تم الإبلاغ أيضًا أن التكيف السريع يمكن أن يحدث بشكل مستقل عن دخول Ca 2+ في خلايا الشعر القوقعة للثدييات (Peng et al. 2013).

يحدث التكيف البطيء مع ثابت زمني أطول (5-50 مللي ثانية). يتضمن هذا التكيف تعديلًا سلبيًا لحزمة الشعر في اتجاه الإزاحة المثيرة (أي نحو الأهداب المجسمة الأطول). في هذه العملية ، يتم إعادة ضبط القنوات للاستجابة لمزيد من الإزاحة ، ويُعتقد أن هذا ينطوي على تعديل توتر الراحة على القنوات. أحد النماذج لهذا هو أن Ca 2+ يرتبط بالميوسين ويسبب انفصاله عن خيوط الأكتين في الستريوسيليوم. يُفترض أن يكون الميوسين مرتبطًا بعنصر مرن ، أو "زنبرك بوابة" ، والذي يكون مرتبطًا أيضًا بالقناة ، بحيث يسمح فصل الميوسين عن الأكتين للمركب بالانزلاق في الاتجاه الذي يقلل من التوتر على زنبرك البوابة . بعد إغلاق القناة ، يعود Ca 2+ داخل الخلايا إلى الوضع الطبيعي ويمكن أن يرتبط الميوسين مرة أخرى بالأكتين ويهاجر في الاتجاه المعاكس (زيادة التوتر). بمجرد أن يصل التوتر إلى نقطة فتح القناة ، سيعمل تدفق Ca 2 مرة أخرى على تقليل التوتر. وبهذه الطريقة ، ستحافظ حلقة التغذية الراجعة السلبية على وضع القنوات على النحو الأمثل من أجل الحساسية (Hudspeth et al. 2000 Farris et al.2006). الدليل الأخير الذي يدعم هذا النموذج هو أن الطفرة الموجهة لجين myosin1c ، جنبًا إلى جنب مع نظير ADP الذي يتداخل مع الميوسين المتحول ، يمنع بشكل انتقائي التكيف البطيء في الفئران المعدلة وراثيًا التي تحمل الطفرة (Holt et al.2002).كما تم الإبلاغ عن أن الميوسين VIIa ضروري للتكيف البطيء في خلايا شعر قوقعة الفئران (Kros et al.2002). وقد تورط الميوسين السادس أيضًا في التكيف (Marcotti et al. 2016).

كيف تميز خلايا الشعر السمعية النغمات؟

من خلال خلايا الشعر ، يقوم الجهاز السمعي بتشفير شدة الصوت (الجهارة) وتردد الصوت (نغمة). على النقيض من الخط الجانبي والأنظمة الدهليزية ، حيث يترجم الماء أو اللمف الباطن في مستوى الظهارة ، فإن التنبيغ السمعي ينطوي على إزاحة رأسية لخلية الشعر (أي على طول المحور الجانبي إلى القمي) بسبب التذبذب الناجم عن الصوت من الظهارة. من السهل أن نرى كيف يمكن أن تحدث السعات الأكبر للتذبذب عن طريق الأصوات الأعلى ، وكيف يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة إزالة الاستقطاب لخلية الشعر. لكن كيف تميز الأذن النغمات؟ تم تطوير آليتين مختلفتين بشكل أساسي لتمييز النغمة ، واحدة تستخدم الرنين الكهربائي في الغشاء الجانبي لخلية الشعر ، بينما تستخدم الأخرى الفروق النغمية في الرنين الميكانيكي للغشاء القاعدي. هناك أيضًا اختلافات في الدرجة اللونية في صلابة حزم الشعر.

في البرمائيات والزواحف والطيور ، ينشأ التمييز في النغمة بشكل أساسي من الخصائص الكهربائية الرنانة لخلايا الشعر التي يتردد بعضها على ترددات منخفضة وبعضها بترددات أعلى (Art et al. 1995 Art and Fettiplace 1987 Fuchs et al. 1988 Smotherman and Narins 1999a، 1999 ب). تتضمن الآلية الفسيولوجية لهذا الرنين تفاعلًا مثيرًا للفضول بين قنوات Ca 2+ التي يتم تنشيطها بالجهد وقنوات K + المفعّلة بالجهد Ca 2+. تم وصف هذا في البداية من قبل Fettiplace وزملاؤه (Crawford and Fettiplace 1981 Art and Fettiplace 1987 ، 2006 Goodman and Art 1996). يتجلى الرنين الكهربائي على أنه تذبذب مخفف لإمكانات الغشاء استجابةً لنبضة تيار مطبقة ، أو تذبذب مستمر لإمكانات الغشاء استجابةً لتحفيز النغمة النقية للقوقعة السليمة. إن الاستجابة الرنانة للنغمات النقية ليست ظاهرة الكل أو لا شيء ، كل خلية تعرض منحنى ضبط مع صدى أقصى بتردد مميز وانخفاض متدرج مع الترددات على كلا الجانبين (Art et al. 1985). اللافت للنظر هو أن نفس التردد المميز يمكن رؤيته في خلية الشعر المعزولة: إنها خاصية جوهرية لغشاء الخلية.

في حين أن الاختلافات في الكثافة والحركية للقنوات التي تحمل التيار الداخلي أو الخارجي يمكن أن تؤثر على حلقة التغذية الراجعة الرنانة ، تشير الأدلة التجريبية إلى أن معظم الاختلافات تكمن في كثافة وحركية قنوات البوتاسيوم BK ، والتي تعتبر حساسة لكل من الجهد والكالسيوم. + (Art and Fettiplace 1987 Art et al. 1995). تحتوي الخلايا ذات التردد الرنيني المنخفض على كثافة أقل لقنوات BK وتتكون هذه القنوات من وحدات فرعية تؤدي إلى تنشيط أبطأ للقناة. وبالتالي ، فإن استجابة الغشاء لكل من إزالة الاستقطاب وتدفق الكالسيوم 2+ تتباطأ ، مما يؤدي إلى انخفاض تردد الرنين. الخلايا التي تحتوي على كثافة أعلى من قنوات BK ، والتي تنتج فيها الوحدات الفرعية للقناة حركية أسرع ، تستعيد الاستقطاب بسرعة أكبر بعد إزالة الاستقطاب الأولي وتدفق Ca 2+. يسمح التخزين المؤقت لـ Ca 2+ العصاري الخلوي بإغلاق قنوات BK ، مما يؤدي إلى إزالة الاستقطاب المرتد وفتح قناة Ca 2+. في ظل وجود نغمات تطابق نطاق تردد الرنين للخلية ، فإن هذا من شأنه أن ينتج إمكانات مستقبلية محسنة مقارنة بالخلية التي تفتقر إلى الرنين (Wu et al. 1995).

بالإضافة إلى الرنين الكهربائي الغشائي للخلايا الفردية ، هناك تنظيم شامل للتنظيم اللوني في الحليمة القاعدية (السمعية) للزواحف مثل السلاحف (التي تم استخلاص العديد من هذه الدراسات منها). توجد خلايا الشعر ذات الرنين عالي التردد في النهاية القاعدية والخلايا ذات الرنين المنخفض التردد تدريجيًا تقع باتجاه النهاية القمية للظهارة. هذا مشابه لتنظيم قوقعة الثدييات ، ويثير التساؤل عما إذا كان غشاء الحليمة القاعدي نفسه له خصائص رنين ميكانيكية مثل الغشاء القاعدي في عضو الثدييات في كورتي (ريتشي وآخرون ، 2000). إذا كان الأمر كذلك ، يمكن النظر إلى الرنين الكهربائي لخلايا الشعر على أنه يزيد من حساسية الأذن الحالية لنغمات معينة ، ويعمل بشكل فعال كمضخم للكسب. تم استكشاف السؤال في أذن السلحفاة عن طريق قياس التداخل بالليزر ، والنتيجة أن الغشاء القاعدي للسلحفاة يبدو مضبوطًا على نطاق واسع ولا يظهر اختلافات في الرنين النغمي الجوهرية (O’Neill and Bearden 1995). تم الإبلاغ عن نتائج مماثلة من قوقعة الدجاج (Xia et al. 2016). تتوافق هذه النتائج مع التجارب السابقة على سحالي التمساح التي استخدمت طريقة مصدر موسباور (Peake and Ling 1980).

في حين أن الغشاء القاعدي لا يتم ضبطه من حيث اللون في الأنواع غير الثديية ، إلا أن هناك اختلافات في مورفولوجيا الأهداب على طول الحليمة القاعدية ، أحدها طول الأهداب المجسمة (Howard and Ashmore 1986 Fettiplace and Fuchs 1999 Fettiplace 2017). تؤثر هذه الاختلافات على الامتثال السلبي للستريوسيليا ، حيث يساهم فتح وإغلاق قنوات الحساسية الميكانيكية بمكون نشط (أي امتثال أكبر عند فتح القنوات وتقليل الامتثال عند إغلاق القنوات). تساهم الميزات في ضبط ميكانيكي لخلايا الشعر مما يزيد من ضبطها الكهربائي (Fettiplace and Ricci 2006).

إلى جانب تعزيز تمييز التردد ، يمكن للرنين الكهربائي للأغشية أيضًا تضخيم استجابات خلايا الشعر عن طريق تحفيز الحركات التذبذبية لحزمة الشعر (Martin and Hudspeth 1999 Ricci et al.2000). تمشيا مع هذا ، تعرض الخلايا الشعرية القصيرة للحليمة السمعية للطيور ضبطًا كهربائيًا على الرغم من عدم وجود وظيفة واردة (تان وآخرون 2013). يرتبط الثابت الزمني للتكيف السريع بتردد الرنين ، ويمكن أن تولد الحركة النشطة لحزمة الشعر الناتجة عن التكيف السريع قوة كافية لتعزيز إزاحة حزم الشعر في خلايا الشعر الطويلة (تناظرية الطيور لخلايا الشعر الداخلية) (LeMasurier و Gillespie 2005 Tan et al. 2013).

من المحتمل أن يكون الرنين الكهربائي قد تطور أولاً في خلايا الشعر الدهليزي وتم تحسينه بشكل أكبر في التطور رباعي الأرجل للحليمات السمعية. في ضوء ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن خصائص الرنين الكهربائي توجد أيضًا في الخلايا العصبية الدهليزي للثدييات ، حيث تساهم بشكل مهم في الإدراك السريع لحركات الرأس (الدورانية أو الانتقالية) عند الترددات الفسيولوجية (Vollrath and Eatock 2003 Eatock and Lysakowski 2006 Fisher et آل .2011 Songer and Eatock 2013 Venturino et al. 2015).

تتميز خلايا الشعر السمعية أيضًا بخصائص هيكلية تختلف نسبيًا على طول الغشاء القاعدي في قوقعة الثدييات. أهمها هو طول الستريوسيليا. الخلايا الشعرية نحو القمة ، وهي الأكثر حساسية للترددات المنخفضة ، لها أهداب أطول ، وخلايا الشعر باتجاه النهاية القاعدية ، حساسة للترددات العالية ، ولديها استريوسيليا أقصر. في قوقعة الفئران ، كانت خلايا الشعر الداخلية باتجاه القمة مع أفضل تردد متوقع يبلغ 4 كيلوهرتز تحتوي على أهداب تجسيمية أطول بمرتين من تلك الموجودة في خلايا الشعر مع أفضل تردد متوقع يبلغ 30 كيلوهرتز (Furness et al. 2008). من المحتمل أن تعزز هذه الاختلافات حساسية التردد ، حيث أن صلابة الأهداب المجسمة تتناسب عكسياً مع مربع طولها في خلايا شعر الضفادع وقوقعة السلحفاة (كروفورد و Fettiplace 1985 Howard و Ashmore 1986).

على عكس خلايا الشعر الدهليزي وخلايا الشعر السمعية غير الثديية ، لا تعرض خلايا الشعر القوقعة للثدييات صدى كهربائيًا. في غياب الرنين الكهربائي ، طورت الآذان الداخلية للثدييات ميزتين ميكانيكيتين تكميليتين لتعزيز تمييز النغمة وحساسية الصوت. الأول هو أن الغشاء القاعدي يتغير في الصلابة على طول طوله ، ويكون أكثر صلابة تجاه النهاية القاعدية وأقل صلابة تجاه الطرف القمي. ينشأ هذا من الاختلافات في عرض الغشاء القاعدي وكذلك الاختلافات في بنيته ، والتي تكون أكثر سمكًا في القاعدة وأرق في اتجاه القمة. كما لاحظ فون بيكسي في البداية على الأذنين الداخلية للجثث البشرية ، فإن الصوت الداخل إلى القوقعة يولد موجات متحركة على طول الغشاء القاعدي ، ويتم تنظيم سعة الإزاحة نسبيًا للنهاية القمية مع ترددات منخفضة والنهاية القاعدية عند أعلى الترددات (فون بيكسي 1960). لم يتم ملاحظة موجات السفر من هذا النوع في الأسماك أو البرمائيات أو الزواحف أو الطيور.

الابتكار الثاني للثدييات هو إدخال نوع ثان من خلايا الشعر لتضخيم تذبذب الغشاء القاعدي عند ترددات صوتية محددة. هذه هي خلايا الشعر الخارجية. تتكون قوقعة الثدييات اليوثيرية من صف واحد من خلايا الشعر الحسية الأولية (خلايا الشعر الداخلية ، IHCs) وثلاثة صفوف من خلايا الشعر المعدلة ذات وظيفة واردة قليلة أو معدومة (خلايا الشعر الخارجية ، OHCs). تستقبل كل خلية شعر داخلية مشابك واردة من 10 إلى 15 ألياف عصبية واردة أولية ، والتي تمثل 90-95٪ من الألياف الأولية الواردة. تشترك خلايا الشعر الخارجية في الاتصال التشابكي مع 5-10٪ المتبقية من المحاور الواردة. والنتيجة هي أن النظام السمعي للجهاز العصبي المركزي يفرط في أخذ عينات من نشاط IHCs من خلال تعيين واحد إلى واحد ، بينما يتم حساب متوسط ​​نشاط OHCs عن طريق رسم خرائط واحد إلى متعدد. يشير هذا الترتيب إلى أن IHCs هي الوسطاء الأساسيون للمعلومات السمعية.

من الناحية الهيكلية ، تتمتع OHCs بمزيد من الأجنحة المجسمة ويكون الترتيب على شكل W للمسرحيات أكثر وضوحًا (Furness and Hackney 2006). بالإضافة إلى ذلك ، يتم تضمين أطراف مجسمات OHC فعليًا في الغشاء العلوي العلوي ، في حين أن أطراف IHCs ليست كذلك. أصبحت الأهمية الوظيفية لهذا الترتيب واضحة عندما اكتشف William Brownell وزملاؤه أن OHCs يمكن أن تقصر على طول محورها من القاعدة إلى القمة عند إزالة الاستقطاب (Brownell et al. 1985). هذا التقصير سريع للغاية ويمكن ملاحظته استجابة لإزالة الاستقطاب المفروضة بترددات تصل إلى 100 كيلو هرتز ، بالقرب من الطرف العلوي لحساسية التردد في الخفافيش والحيتانيات (الحيتان والدلافين). بشكل مثير للإعجاب ، تعرض سعة الاستجابة ومرحلة الاستجابة لـ OHCs دقة عالية تصل إلى 50 كيلو هرتز في المختبر (فرانك وآخرون 1999). عن طريق التقصير ، تزيد OHCs من حركة القص للغشاء tectorial على سطح IHCs ، وبالتالي تضخيم إزاحة حزمة استريوسيليا IHC.

تقصير OHC مصحوب بزيادة متناسبة في نصف قطر الخلية يظل حجم الخلية ثابتًا. بشكل فريد بين الخلايا الفقارية ، تتمتع OHCs بضغط تورغ إيجابي ، وهو ما أصبح ممكنًا من خلال التخصصات الهيكلية للصفيحة الجلدية في القطب القمي للخلية وطبقة الهيكل الخلوي السميكة المنتظمة للغاية التي تبطن الغشاء البلازمي الجانبي والقاعدي (Brownell 2006). يبدأ تقصير OHC في ظل الظروف الطبيعية بإزاحة حزمة الستريوسيليا وفتح قنوات حساسة للميكانيكا عند أطرافها. ينتج التقصير الناجم عن إزالة الاستقطاب عن تنشيط تأثير كهرضغطية ، مما يعني أن نزع الاستقطاب الكهربائي والتقصير المادي مرتبطان مباشرة. تم استنساخ البروتين المسؤول عن هذا التأثير وتحديده وتسميته برستين (Dallos and Fakler 2002 Dallos et al. 2006 Dallos 2008). ينتمي Prestin إلى عائلة ناقلات الكبريتات تسمى Slc26A (Vincourt et al.2003). مثل أفراد عائلته ، يحتوي Prestin على عدد كبير من نطاقات الغشاء المفترضة التي يُتوقع أن تشكل حلزونات ألفا مع بقايا الأحماض الأمينية الكارهة للماء. ولكن على عكس أبناء عمومتها ، فإن العقيدة تربط بشكل تفضيلي Cl - وليس SO 4 2 - ⁠ ، ولا تعمل كناقلة. تمت مراجعة معرفتنا الحالية بهيكل ووظيفة Prestin مؤخرًا (He et al. 2014). داخل الخلايا Cl - مطلوب لوظيفة OHC العادية ، بما يتوافق مع النموذج الذي ترتبط فيه أيونات الكلورين بالبرستين وتعمل كمستشعر للجهد. من المتوقع أن تتحرك أيونات الكلوريد بعيدًا عن داخل الخلية أثناء فرط الاستقطاب ونحو داخل الخلية أثناء إزالة الاستقطاب. يظل الاقتران الوثيق بين حركة الشحن وتقصير الخلية (التشغيل) دون حل. تم الإبلاغ أيضًا عن أن Prestin يساهم في التضخيم بواسطة خلايا الشعر القصيرة في الحليمة السمعية للطيور (Beurg et al. 2013).

يتمثل أحد قيود مضخم القوقعة القائم على Prestin في أن قدرة OHC على مواكبة النغمات عالية التردد محدودة بالثابت الزمني لغشاء OHC ، لأن تقصير OHC يجب أن يسبقه إزالة الاستقطاب OHC. نظرًا لأن ثابت وقت الغشاء هو المنتج أو مقاومة الغشاء وسعة الغشاء (τ = Rم × جم) ، تتمثل إحدى طرق حل هذه المشكلة في تقليل Rم. يتم تحقيق ذلك في OHCs عن طريق زيادة تركيز Ca 2+ داخل الخلايا الداخلية بحيث يتم فتح حوالي 50 ٪ من قنوات المحولات الميكانيكية عند الراحة ، مما يؤدي بدوره إلى إزالة استقطاب إمكانات غشاء OHC إلى حوالي 40 مللي فولت (جونسون وآخرون ، 2011). تأثير إضافي يقلل Rم هو أنه ، عند 40 مللي فولت ، يتم تنشيط قنوات KCNQ4 المعتمدة على الجهد على الغشاء القاعدي OHC بالكامل. يؤدي هذا إلى إنشاء "تيار صامت" لـ K + من خلال OHC ، والذي قد يكون مكلفًا من ناحية الطاقة ولكنه ينتج عنه حساسية عالية عبر طيف التردد (Johnson et al. 2011 Nam and Fettiplace 2012 Fettiplace 2017).

التعديل الفعال لمضخم القوقعة

تتلقى خلايا الشعر عمومًا تعصيبًا واردًا وصادرًا. في الثدييات ، تتلقى OHCs حوالي 90 ٪ من التعصيب الصادر. ما إذا كانت OHCs تساهم حتى في إشارة واردة هو سؤال مفتوح ، حيث أن محاولات تسجيل النشاط الوارد استجابة لتفعيل OHC قد أسفرت عن نتائج سلبية. في قوقعة الطيور ، تتلقى الخلايا الشعرية القصيرة ، التي تبدو مشابهة لـ OHCs ، تعصيبًا صادرًا فقط. إذن ، ما هي وظيفة المشابك الصادرة على خلايا الشعر؟

من المعروف منذ فترة طويلة أن جهاز الإرسال المنطلق عند المشبك الصادر هو أستيل كولين (ACh) ، ومستقبل ما بعد المشبكي لـ ACh في خلايا الشعر هو من النوع النيكوتين ، الذي يحتوي على قناة ليجند. في معظم الخلايا ، مثل العضلات الهيكلية ، تكون القناة ذات البوابات ACh عبارة عن قناة كاتيون غير انتقائية ، قابلة للاختراق لـ Na + و K + و Ca 2+. تقع المشابك العصبية الصادرة على الغشاء الجانبي الجانبي لخلايا الشعر ، حيث تكون الكاتيونات السائدة خارج الخلية هي Na + و Ca 2+ ، وكلاهما ينتج تيارات داخلية غير مستقطبة (Glowatzki and Fuchs 2000 Oliver et al.2000). ومع ذلك ، فإن تأثير الإشارات الصادرة هو جهد تشابكي مثبط مفرط الاستقطاب (Brown and Nuttall 1984). كيف هذا؟

مثل مستقبلات النيكوتين الأخرى ، فإن المستقبل في خلايا الشعر هو مادة خماسية. لديها خمس وحدات فرعية لكن لا يلزم أن تكون متطابقة. تم تحديد نوعين من الوحدات الفرعية للنيكوتين ، alpha-9 و alpha-10 ، في خلايا الشعر ، وعند التعبير عنها معًا في Xenopus البويضات تشكل مستقبلات ACh التي تسمح بشكل تفضيلي لـ Ca 2+ بالتخلل. في الواقع ، إنه أكثر قابلية للاختراق لـ Ca 2+ بحوالي 10 مرات من Na + (Weisstaub et al. ، 2002). مفتاح حل لغز فرط الاستقطاب الناتج عن التيار الداخلي هو وجود قنوات K + المنشّطة Ca 2+ على مقربة من مستقبلات ACh. تنتمي هذه القنوات إلى عائلة SK2 من قنوات البوتاسيوم ، وهي حساسة لتركيزات الميكرومولار من الكالسيوم 2+ وغير حساسة للجهد. تم إثبات أنها تقع على مقربة شديدة من قنوات ACh من خلال الملاحظة التي تفيد بأن الحقن داخل الخلايا لـ BAPTA ، وهو مخلب للكالسيوم ذو حركية سريعة ، يمكن أن يمنع تنشيط قنوات K + ، بينما حقن EGTA ، مخلب الكالسيوم مع تقارب مماثل ولكن حركية بطيئة ، لا يمكن أن تمنع تفعيلها. بمجرد تنشيطها ، تظل قنوات K التي تنشط Ca 2+ مفتوحة لفترة طويلة ، نظرًا للوقت اللازم لإخراج Ca 2+ داخل الخلايا إلى أسفل تحت التركيز الذي ينشطها (Fuchs and Murrow 1992 Rohmann et al. 2015).

التأثير الصافي للنشاط المشبكي الصادر على OHCs هو مواجهة تأثير إزالة الاستقطاب للتنشيط الميكانيكي ، وبالتالي تثبيط تقصير وتقليل تأثير تضخيمها على IHCs. ظلت التجارب المباشرة لإثبات هذا التسلسل من الأحداث بعيدة المنال ، على الرغم من ذلك ، نظرًا للصعوبة الفنية في إجراء التسجيلات الكهربائية من OHCs في تحضير قوقعة سليمة. في المستقبل ، قد تكون هذه منطقة قابلة لاستخدام الأصباغ الحساسة للجهد بدلاً من تسجيل مسرى ميكرو.

تأثير التعديل الصادر على IHCs هو فرط استقطاب أكثر وضوحًا يقلل من إطلاق جهاز الإرسال عند المشبك الوارد ، مما يسمح للنظام السمعي المركزي بتخفيف أو تصفية تلك الترددات الصوتية. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين اكتشاف ترددات صوتية معينة ضد ضوضاء الخلفية (تأثير "حفلة الكوكتيل") كما يحمي القوقعة من الصدمات الصوتية (May and McQuone 1995 Lauer and May 2011 Fuente 2015). من الناحية التنموية ، تتشابك المؤثرات الكولينية على كل من IHCs و OHCs قبل بداية السمع (Simmons 2002). تتطور المشابك الفعالة أولاً على IHCs ، حيث تكون في البداية مثيرة بسبب عدم وجود قنوات K + المنشّطة Ca 2+ (قنوات SK) تظهر المشابك العصبية بعد عدة أيام (P6-P8) على OHCs (Roux et al. 2011). هناك أيضًا اختلافات في توزيع قنوات K المنشّطة بالكالسيوم 2 على OHCs OHCs في منطقة التردد العالي لديها كثافة أعلى من قنوات BK ذات التوصيل الكبير ، والتي لها حركيات أسرع (Rohmann et al. 2015).

إذن ، ما الذي يساهم به التعديل الصادر في السمع في الفقاريات غير الثديية؟ يبدو أن الإجابة هي مزيج من زيادة الحساسية الكلية لحجم الصوت و انخفضت حساسية لهجة. تم توضيح ذلك مبدئيًا عن طريق تحفيز المحاوير الصادرة أثناء تسجيل الاستجابات الكهربائية للمنبهات الصوتية النقية في خلايا الشعر في قوقعة السلحفاة (Art et al. 1985). سمح هذا النموذج التجريبي بتحديد تردد الرنين المميز لخلية الشعر. أدى تحفيز المحاوير الصادرة إلى تثبيط استجابة خلايا الشعر للنغمات القريبة من ترددها المميز ، كما هو متوقع إذا عملت زيادة التوصيل إلى K + على خفض مقاومة مكونات الرنين (قنوات Ca 2+ ذات الجهد الكهربائي ، Ca 2+ - وقنوات K + ذات الجهد الكهربائي. ومع ذلك ، في الوقت نفسه ، تم تحسين استجابة خلايا الشعر للترددات المنخفضة ، ولكن بطريقة مسطحة ومستقلة عن التردد. يمكن تفسير ذلك بشكل عام يزيد في مقاومة مدخلات الخلية ، حيث تسبب فرط الاستقطاب الناجم عن المشبك الصادر في إغلاق قنوات K + ذات الجهد الكهربائي وقنوات Ca 2+ ذات البوابات التي كانت مفتوحة في خلية الراحة (Fuchs and Parsons 2006).

على عكس التأثيرات المثبطة للتحوير الصادر في الجهاز السمعي ، فإن التعديل الصادر لخلايا الشعر الدهليزي له تأثيرات استثارة وتثبيط (جوردان وآخرون 2013). يتم تحفيز الواردات الحاملة للكأس (على غرار الخلايا من النوع الأول) بواسطة الألياف الصادرة ، والتي تتشابك بعد التشابك مع نهاية العصب الوارد (Holt et al. 2015). تستقبل واردات بوتون (المشابهة للخلايا من النوع الثاني) كلا من التعصيب السابق المشبكي (مباشرة على خلية الشعر) والتعصيب بعد المشبكي على المادة الأولية الأولية.يعد التحفيز الفعال للخلايا الواردة من الحبة مثبطًا في البداية ، يليه إثارة ممتدة بعد التثبيط (Holt et al.2006). كما هو الحال في القوقعة ، فإن الأسيتيل كولين هو ناقل عصبي ويتم التوسط في التأثيرات المشبكية السريعة بواسطة مستقبلات ألفا -9 المحتوية على ACh ، مع تأثيرات مثبطة بوساطة قنوات K المفعَّلة بـ SK Ca 2+ (باركس وآخرون 2017). بالإضافة إلى ذلك ، تتوسط مستقبلات الأسيتيل كولين المسكارينية في إثارة أبطأ في المؤثرات الحاملة للكأس ، ربما عن طريق تثبيط تيار M (هولت وآخرون 2017).

تطور خلايا الشعر

هل خلايا الشعر ابتكار فقاري؟ أو هل توجد خلايا متجانسة بين اللافقاريات؟ لقد كان هذا موضوعًا نشطًا للبحث والمناقشة ، وقد تمت مراجعته بعمق في مكان آخر (Coffin et al. 2004 Burighel et al. 2011). في حين أن العديد من اللافقاريات لديها خلايا حساسة للميكانيكا تحمل أهداب و / أو ميكروفيلي ، فقد كان من الصعب تحديد المتماثلات المرشحة لخلايا شعر الفقاريات. الخلايا الحسية الميكانيكية على مخالب شقائق النعمان البحرية Nematostella vectensis لها العديد من الخصائص المثيرة للاهتمام ، بما في ذلك حزم الأكتين المجسمة المليئة بالأكتين المرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط مستقلة Ca + (Tang and Watson 2014 Menard and Watson 2017). أقرب إلى المنزل في Chordata ، وصف ماني وزملاؤه الخلايا الإكليلية الحساسة للميكانيكا على الشفط الفموي (المتكرر) للزيارات التي تفي بمعايير متعددة للتماثل مع خلايا شعر الفقاريات (Caicci et al.2007 Rigon et al. 2013). تتضمن هذه السمات التطور الجنيني من اللوحيات ، والتمايز كخلايا حسية ثانوية تتشابك مع الوصلات الأولية وتتلقى أيضًا تعصيبًا صادرًا ، وترتيبًا للميكروفيلي أو المجسم مع طول متدرج ، وواحد أو اثنين من الأهداب الحقيقية ، وعادة ما تقع بشكل غريب الأطوار (Caicci et al. 2007).

الملخص والتوجهات المستقبلية

لقد تم إحراز تقدم كبير في فهمنا لبنية خلايا الشعر الحسية ووظيفتها. لدينا فهم وظيفي لتضخيم القوقعة في الثدييات والضبط الكهربائي لخلايا الشعر في غير الثدييات ، وكلاهما يساهم بقوة في حساسية التردد. تم التعرف على البروتين الحركي لتقصير خلايا الشعر الخارجية ، كما تم تحديد جزء على الأقل من قناة التحويل الحساسة للميكانيكية. لا يزال هناك العديد من الأسئلة حول وظيفة خلايا الشعر الخارجية وهناك العديد من الثغرات في معرفتنا الأساسية ببنية خلايا الشعر. يجب أن تستمر خلايا الشعر في جذب الباحثين الأساسيين لعقود عديدة قادمة ، ولا شك أنها سترد هذا الفضول بالعديد من الأفكار التجريبية.


محتويات

تتمثل إحدى هذه الآليات في فتح القنوات الأيونية في الخلايا الشعرية لقوقعة الأذن في الأذن الداخلية.

تغيرات ضغط الهواء في قناة الأذن تسبب اهتزازات الغشاء الطبلي وعظميات الأذن الوسطى. في نهاية السلسلة العظمية ، تولد حركة الصفيحة القدمية للركاب داخل النافذة البيضاوية للقوقعة ، بدورها ، مجال ضغط داخل سوائل القوقعة ، مما يؤدي إلى فرق ضغط عبر الغشاء القاعدي. ينتج عن موجة الضغط الجيبية اهتزازات موضعية لعضو كورتي: بالقرب من القاعدة للترددات العالية ، بالقرب من قمة الترددات المنخفضة. وبالتالي ، تعمل القوقعة كـ "منشور صوتي" ، حيث توزع طاقة كل مكون فورييه (الذي يمثل ترددات معينة) لصوت معقد في مواقع مختلفة على طول محوره الطولي. يتم تحفيز خلايا الشعر في القوقعة عندما يتم دفع الغشاء القاعدي لأعلى ولأسفل بسبب الاختلافات في ضغط السائل بين دهليز القوقعة و scala tympani. نظرًا لأن هذه الحركة مصحوبة بحركة قص بين الغشاء الصدري والصفيحة الشبكية لعضو كورتي ، فإن حزم الشعر التي تربط الاثنين تنحرف ، مما يؤدي إلى بدء النقل الميكانيكي الكهربائي. عندما يتم دفع الغشاء القاعدي لأعلى ، فإن القص بين خلايا الشعر والغشاء القصبي ينحرف حزم الشعر في الاتجاه الاستثاري ، نحو الحافة الطويلة. في منتصف التذبذب ، تستأنف حزم الشعر وضع الراحة. عندما يتحرك الغشاء القاعدي للأسفل ، يتم دفع حزم الشعر في الاتجاه المثبط.

تسبب حركة الغشاء القاعدي حركة قص بين الصفيحة الشبكية والغشاء القصقي ، وبالتالي تنشيط الجهاز الحسي الميكانيكي لحزمة الشعر ، والذي بدوره يولد مستقبلات محتملة في خلايا الشعر. [ بحاجة لمصدر ]

وهكذا يتم تحويل موجة ضغط الصوت إلى إشارة كهربائية يمكن معالجتها كصوت في الأجزاء العليا من النظام السمعي. [ بحاجة لمصدر ]

عندما يتم فرض تشوه على العضلة ، فإن التغييرات في التطابق الخلوي والجزيئي تربط القوى الميكانيكية بالإشارات الكيميائية الحيوية ، وقد يؤدي التكامل الوثيق للإشارات الميكانيكية مع الإشارات الكهربائية والاستقلابية والهرمونية إلى إخفاء جانب الاستجابة الخاص بـ القوى الميكانيكية. [17]

تتمثل إحدى الوظائف الميكانيكية الرئيسية للغضروف المفصلي في العمل كسطح محمل منخفض الاحتكاك. نظرًا لموقعه الفريد على أسطح المفاصل ، يتعرض الغضروف المفصلي لمجموعة من القوى الساكنة والديناميكية التي تشمل القص والضغط والشد. يتم امتصاص هذه الأحمال الميكانيكية بواسطة مصفوفة الغضروف خارج الخلية (ECM) ، حيث يتم تبديدها لاحقًا ونقلها إلى الخلايا الغضروفية (الخلايا الغضروفية).

تستشعر الخلايا الغضروفية الإشارات الميكانيكية التي تتلقاها وتحولها إلى إشارات كيميائية حيوية ، والتي توجّه وتتوسط لاحقًا كل من العمليات الابتنائية (بناء المصفوفة) والتقويضية (تحطيم المصفوفة). تشمل هذه العمليات تخليق بروتينات المصفوفة (النوع الثاني من الكولاجين والبروتيوجليكان) والبروتياز ومثبطات الأنزيم البروتيني وعوامل النسخ والسيتوكينات وعوامل النمو. [18] [19]

يتأثر التوازن الذي يتم تحقيقه بين عمليات الابتنائية والتقويضية بشدة بنوع التحميل الذي يتعرض له الغضروف. معدلات الإجهاد العالية (مثل التي تحدث أثناء تحميل الصدمة) تسبب تلف الأنسجة وتدهورها وانخفاض إنتاج المصفوفة وموت الخلايا المبرمج. [20] [21] انخفاض التحميل الميكانيكي على مدى فترات طويلة ، مثل أثناء الراحة في الفراش الممتد ، يؤدي إلى فقدان إنتاج المصفوفة. [22] لقد ثبت أن الأحمال الثابتة ضارة بالتخليق الحيوي [23] بينما أظهرت الأحمال التذبذبية عند الترددات المنخفضة (مماثلة لتلك الموجودة في مشية المشي العادية) أنها مفيدة في الحفاظ على الصحة وزيادة تخليق المصفوفة. [24] نظرًا لتعقيد ظروف التحميل داخل الجسم والتفاعل بين العوامل الميكانيكية والكيميائية الحيوية الأخرى ، فإن السؤال حول ماهية نظام التحميل الأمثل أو ما إذا كان موجودًا يظل بلا إجابة.

على الرغم من أن الدراسات أظهرت أنه ، مثل معظم الأنسجة البيولوجية ، فإن الغضروف قادر على النقل الميكانيكي ، إلا أن الآليات الدقيقة التي يتم من خلالها القيام بذلك تظل غير معروفة. ومع ذلك ، توجد بعض الفرضيات التي تبدأ بتحديد المستقبلات الميكانيكية. [ بحاجة لمصدر ]

من أجل استشعار الإشارات الميكانيكية ، يجب أن تكون هناك مستقبلات ميكانيكية على سطح الخلايا الغضروفية. من بين المرشحين للمستقبلات الميكانيكية للخلايا الغضروفية القنوات الأيونية المنشطة بالتمدد (SAC) ، [25] مستقبلات الهيالورونان CD44 ، والملحق V (مستقبلات الكولاجين من النوع الثاني) ، [26] ومستقبلات الإنتغرين (التي توجد منها عدة أنواع على الخلايا الغضروفية).

باستخدام مسار النقل الميكانيكي المرتبط بإنتجرين كمثال (كونه أحد أفضل المسارات المدروسة) ، فقد ثبت أنه يتوسط في التصاق الخلايا الغضروفية بأسطح الغضروف ، [27] وسيط إشارات البقاء على قيد الحياة [28] وتنظيم إنتاج المصفوفة وتدهورها. [29]

تحتوي مستقبلات Integrin على مجال خارج الخلية يرتبط ببروتينات ECM (الكولاجين ، والفيبرونيكتين ، واللامينين ، والفيترونكتين ، والأوستوبونتين) ، والمجال السيتوبلازمي الذي يتفاعل مع جزيئات الإشارات داخل الخلايا. عندما يرتبط مستقبل إنتجرين برباط ECM الخاص به ويتم تنشيطه ، تتجمع الإنتجرينات الإضافية حول الموقع المنشط. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تجنيد كينازات (على سبيل المثال ، كيناز الالتصاق البؤري ، FAK) وبروتينات المحول (على سبيل المثال ، paxillin و Pax و talin و Tal و Shc) في هذه المجموعة ، والتي تسمى مجمع الالتصاق البؤري (FAC). يؤدي تنشيط جزيئات FAC بدوره إلى إحداث أحداث في اتجاه مجرى النهر تعمل على تنظيم و / أو تنظيم العمليات داخل الخلايا مثل تنشيط عامل النسخ وتنظيم الجينات مما يؤدي إلى موت الخلايا المبرمج أو التمايز. [ بحاجة لمصدر ]

بالإضافة إلى الارتباط بروابط ECM ، فإن الإنتجرينات تستجيب أيضًا لإشارات الأوتوكرين والباراكرين مثل عوامل النمو في عائلة TGF-beta. لقد ثبت أن الخلايا الغضروفية تفرز TGF-b ، وتنظم مستقبلات TGF-b استجابةً للتحفيز الميكانيكي ، وقد يكون هذا الإفراز آلية لتضخيم إشارة الأوتوكرين داخل الأنسجة. [30]

تعد إشارات Integrin مجرد مثال واحد على مسارات متعددة يتم تنشيطها عند تحميل الغضروف. تتضمن بعض العمليات داخل الخلايا التي لوحظ حدوثها ضمن هذه المسارات ، فسفرة ERK1 / 2 و p38 MAPK و SAPK / ERK كيناز -1 (SEK-1) لمسار JNK [31] بالإضافة إلى التغييرات في مستويات cAMP والأكتين إعادة التنظيم والتغييرات في التعبير عن الجينات التي تنظم محتوى الغضروف ECM. [32]

افترضت دراسات حديثة أن الهدب الأولي للخلية الغضروفية يعمل كمستقبل ميكانيكي للخلية ، يحول القوى من المصفوفة خارج الخلية إلى الخلية. تحتوي كل خلية غضروفية على هدب واحد ويفترض أنها تنقل إشارات ميكانيكية عن طريق الانحناء استجابةً لتحميل ECM. تم التعرف على الإنتغرينات على العمود العلوي للهدب ، وتعمل كمرساة لمصفوفة الكولاجين حولها. [33] الدراسات الحديثة التي نشرتها Wann وآخرون. في FASEB Journal لأول مرة أن الأهداب الأولية مطلوبة للنقل الميكانيكي للخلايا الغضروفية. الخلايا الغضروفية المشتقة من الفئران الطافرة IFT88 لم تعبر عن أهداب أولية ولم تظهر التنظيم الحساس الميكانيكي لتخليق البروتيوغليكان الذي شوهد في الخلايا البرية [34]

من المهم فحص مسارات النقل الميكانيكي في الخلايا الغضروفية لأن ظروف التحميل الميكانيكي التي تمثل استجابة مفرطة أو ضارة تنظم النشاط الاصطناعي وتزيد من شلالات الإشارات التقويضية التي تتضمن وسطاء مثل NO و MMPs. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت الدراسات التي أجراها Chowdhury TT و Agarwal S أن التحميل الميكانيكي الذي يمثل ظروف التحميل الفسيولوجي سوف يمنع إنتاج الوسطاء التقويضي (iNOS ، COX-2 ، NO ، PGE2) الناجم عن السيتوكينات الالتهابية (IL-1) واستعادة أنشطة. وبالتالي ، فإن الفهم المحسن لتفاعل الميكانيكا الحيوية وإشارات الخلية سيساعد في تطوير طرق علاجية لمنع المكونات التقويضية لمسار النقل الميكانيكي. لذا فإن الفهم الأفضل للمستويات المثلى للقوى الميكانيكية في الجسم الحي ضروري للحفاظ على صحة وسلامة الغضروف ، ويمكن وضع تقنيات وقائية للوقاية من تدهور الغضروف والأمراض. [ بحاجة لمصدر ]


شاهد الفيديو: العلوم. تكيف الحيوانات مع بيئتها (سبتمبر 2022).