Как слуховые клетки учатся слышать
Слуховые клетки и подключённые к ним нейроны в ходе индивидуального развития заранее «воображают» себе звуки, готовясь к тому моменту, когда уши начнут слышать по-настоящему.
Как известно, звуковая волна, попав на барабанную перепонку, передаётся по системе слуховых косточек среднего уха (молоточек, наковальня и стремечко) во внутреннее ухо, заполненное жидкостью. Звуковые вибрации через эту жидкость достигают кортиева органа и расположенных в нём волосковых клеток, которые, собственно, и являются слуховыми рецепторами: они преобразуют механический сигнал в электрический нейронный импульс.
Некоторое время назад исследователи заметили странный феномен: в первые дни жизни мышей – и в отсутствие каких-либо звуков – слуховые волосковые клетки время от времени демонстрируют активность, возбуждая соответствующие нейроны и посылая сигналы в разные отделы звукового анализатора мозга. Также было известно, что одновременно со слуховыми «активничают» ещё и особые служебные клетки, называемые клетками поддержки, и что здесь не обходится без молекул аденозинтрифосфата (АТФ), которые, кроме того, что служат для запасания энергии, могут работать ещё и передатчиками биохимических сигналов.
Подробно расшифровать механизм самостоятельной активности слуховых рецепторов попытались Дуайт Берглз (Dwight Bergles) и его коллеги из Медицинского института Джонса Хопкинса. Механизм, описанный в статье в Cell, оказался довольно сложен. Всё начинается с клеток поддержки, которые выбрасывают много АТФ, действующего на рецепторы на самих же клетках поддержки – получается, что они стимулируют сами себя. Возбуждённые АТФ-рецепторы переключают кальциевые ионные каналы «на вход»: иными словами, мембранные белки, отвечающие за транспорт кальция, начинают проводить его из внешней среды в клеточную цитоплазму. Повышения уровня кальция в клетке заставляет уже другие, хлоридные ионные каналы открыться на выход, и ионы хлора отправляются из цитоплазмы наружу. Вслед за ними наружу отправляются и ионы калия, которые возбуждают волосковые клетки – от них сигнал передаётся нейронам.
То есть вся описанная чехарда с АТФ и разными ионами происходит на клетках поддержки, и всё это нужно для того, чтобы повысить уровень калия рядом с собственно рецепторными клетками. Спонтанная активность волосковых клеток, передающих «звуковые» сигналы в мозг, наблюдается у грызунов в первые две недели жизни, когда их уши ещё не слышат (среднее ухо со слуховыми косточками заполнено жидкостью и звук не воспринимает).
Зачем нужна такая «репетиция»? За тем же, зачем вообще нужна любая тренировка, то есть чтобы подготовиться к настоящей работе, в данном случае – подготовиться к восприятию реальных звуков. Такие спонтанные сигналы, которые «воображают» себе слуховые рецепторы, укрепляют связь между ними, нейронами и соответствующими областями мозга. В частности, клетки могут учиться не путать звуки разной высоты: известно, что высокие и низкие частоты воспринимаются разными волосковыми клетками, и важно, чтобы сигналы от них шли по правильным нейронам и приходили в правильные зоны мозгового «звукового департамента».
Хотя эксперименты выполнялись на животных, похожий «аудиотренировочный» механизм, скорее всего, есть и у человека. Более того, авторы работы предполагают, что некоторые расстройства слуха могут быть связаны как с недостаточно активной «репетицией» слуховых клеток во время развития мозга, так и с внезапным пробуждением таких сигналов уже во взрослом состоянии – например, после травмы. Скажем, легко представить, что навязчивый звон в ушах, или тиннитус, происходит как раз из-за автономной активации слуховых рецепторов, так что дальнейшее исследование этой системы имеет не только общефундаментальное, но и практическое значение.
