Усилитель слуха: в ушах обнаружены крошечные «флексоэлектрические» моторы
Исследователи из Юты и Техаса выяснили, как тихие звуки усиливаются пучками крошечных волосовидных трубочек (стереоцилий) на вершине волосковых клеток уха: когда эти трубочки колеблются, они действуют как «флексоэлектрические моторы», механически усиливая звук.
«Мы сообщаем об открытии нового наномоторного механизма в ухе, — говорит ведущий автор исследования Ричард Рэббитт. — Ухо имеет механический усилитель, который использует электрическую энергию для механического усиления».
Новое исследование опубликовано 22 апреля в журнале PLoS ONE.
Как «танцующие» волоски усиливают звук
Ранее было известно, что сами волосковые клетки в улитке внутреннего уха могут «танцевать» — удлиняться и сокращаться, помогая усиливать звуки.
Новое исследование показывает, что звук также может усиливаться за счет колебаний или «танца» стереоцилий — 50–300 волосовидных нанотрубочек, отходящих от вершины каждой волосковой клетки.
Такое изгибание преобразует электрический сигнал, генерируемый входящим звуком, в механическую работу — дополнительное колебание стереоцилий, — тем самым усиливая звук благодаря флексоэлектрическому эффекту.
«"Танцующие волоски" помогают вам слышать», — говорит первый автор исследования Кэти Бренеман.
По оценкам Рэббитта и его соавтора Уильяма Браунелла, комбинированное флексоэлектрическое усиление — как самими волосковыми клетками, так и стереоцилиями на их вершине — позволяет человеку слышать самые тихие 35–40 децибел из своего слухового диапазона. Этот усилитель необходим для восприятия звуков тише уровня обычного разговора.
Поскольку стереоцилии также участвуют в чувстве равновесия, их колебания, вероятно, вовлечены в восприятие гравитации, движения и ориентации.
Универсальный усилитель для разных животных
Волосковые клетки находятся в улитке внутреннего уха многих животных. Звуковые волны необходимо усиливать, потому что они демпфируются жидкостью, заполняющей внутреннее ухо.
- Волосковая клетка: ~10 мкм в ширину, 30–100 мкм в длину.
- Стереоцилия: 1–10 мкм в длину, ~200 нм в ширину.
Стереоцилии по сути являются мембранами, свернутыми в крошечные трубки. Флексоэлектричество в мембране было отмечено несколько десятилетий назад.
Ключевой вывод исследования: флексоэлектрический усилитель объясняет, почему разная длина стереоцилий предопределяет, какие частоты звука наиболее легко воспринимаются различными животными — от людей до летучих мышей, мышей, черепах, кур и ящериц.
Более длинные стереоцилии эффективнее для низкочастотных звуков, а короткие — для высокочастотных.
Этот механизм уникален тем, что он присутствует в пучках стереоцилий всех волосковых клеток, а не только активных наружных клеток млекопитающих. Это объясняет, как усиление может работать у всех высших животных, таких как птицы и рептилии.
Механизм работы и возможная роль в организме
- Звуковое давление заставляет пучки стереоцилий колебаться.
- На вершинах трубочек находятся ионные каналы, которые открываются и закрываются при движении.
- При открытии каналов внутрь стереоцилий поступают заряженные ионы кальция и калия.
- Это изменяет электрическое напряжение на мембране каждой стереоцилии, заставляя трубки изгибаться еще сильнее (флексоэлектрический эффект).
- Усиленный сигнал в итоге приводит к высвобождению нейротрансмиттеров и передаче нервного импульса в мозг.
Авторы отмечают, что стереоцилии, участвующие в усилении слуха, имеют сходство с другими трубчатыми структурами в организме: ворсинками кишечника, дендритными шипиками нервных клеток и конусами роста аксонов.
Они предполагают, что флексоэлектричество может играть роль в:
- Помощи кишечных ворсинок в усвоении пищи.
- Росте и восстановлении нервов.
- Таких процессах, как формирование памяти и обучение (эта часть гипотезы является спекулятивной).