体外の最初の生きたco牛は、聴覚が実際にどのように機能するかを示しています

「以前は不可能だった制御された方法で、聴覚プロセスの最初のステップを観察することができます」と、Hudspeth Labのポスドク研究員であるFrancesco Gianoliは言います。

最近の2つの論文で説明されています（in pnas そして 聴覚研究それぞれ）、イノベーションは、Hudspethの50年にわたる聴覚の分子メカニズムと神経メカニズムを照らした50年の仕事の産物です。これは、難聴の防止または逆転への新しい道を照らした洞察です。

この進歩により、研究者はまた、四半世紀以上にわたって調査されたHudspethの主題である動物王国を介した聴覚を支配する統一生物物理学的原則の直接的な証拠を提供しました。

「この研究は傑作です」と、ロックフェラーの統合神経科学研究所の責任者である生物物理学者のマルセロ・マグナスコは言います。 「生物物理学の分野では、過去5年間で最も印象的な実験の1つです。」

聴覚の仕組み

コクレアは進化工学の驚異ですが、その基本的なメカニズムのいくつかは長い間隠されたままでした。オルガンの脆弱性とアクセス不能 – 体内で最も密な骨にあるように埋め込まれている – は、行動で勉強することを困難にしました。

これらの課題は、co牛に並ぶ有毛細胞と呼ばれる感覚受容体の損傷から生じるため、これらの課題は長い間イライラしています。臓器には、これらの有毛細胞の約16,000個があり、それぞれに髪に例えられた初期の顕微鏡者が数百の細かい「触覚」またはステレオオシリアがトッピングされているためです。各バンドルは、音の振動を増幅して変換し、脳が解釈できる電気応答に変換するチューニングマシンです。

Hudspeth’s Labで研究されている強打性などの昆虫や非脊椎動物の動物では、Hopf分岐として知られる生物物理学的現象が聴覚プロセスの鍵であることが十分に文書化されています。 Hopf分岐は、一種の機械的不安定性、完全な静けさと振動の間の転換点を説明しています。このナイフエッジでは、最もかすかなサウンドでさえシステムを動きに傾けて、それ以外の場合は登録するものをはるかに超えて弱い信号を増幅することができます。

Bullfrog Cochleaの場合、不安定性は感覚有毛細胞の束にあり、これは常に入ってくる音波を検出するために準備されています。それらの波が当たると、有毛細胞が動き、アクティブプロセスと呼ばれるものの音を増幅します。

Magnascoと協力して、Hudspethは1998年にBullfrog CochleaのHopf分岐の存在を文書化しました。哺乳類のco牛に存在するかどうかは、それ以来、この分野で議論の対象となっています。

その質問に答えるために、Hudspethのチームは、哺乳類のco牛の積極的なプロセスをリアルタイムで、これまで以上に詳細なレベルで観察する必要があると判断しました。

らせんのスライバー

そのために、研究者は、聴覚が人間と同様の範囲にあるガービルのco牛に目を向けました。彼らは、感覚器官から0.5 mm以下のスライバーを、中央の周波数を拾うco牛の領域で切除しました。彼らは、ガービルの聴覚が成熟しているが、co牛が非常に密度の高い側頭骨に完全に融合していない発達の瞬間への切除をタイミング化しました。

彼らは、感覚組織の生きた環境を再現するように設計されたチャンバー内に組織のスライバーを配置しました。これには、内リンパと環膜と呼ばれる栄養豊富な液体で継続的に入浴し、天然温度と電圧を維持しました。このカスタムデバイスの開発の鍵は、Hudspeth Labの研究スペシャリストであるBrian Fabellaと、RockefellerのGruss Lipper Precision Instrumentation Technologies Resource Centerからの計装エンジニアのNicholas Belenkoでした。

その後、彼らは小さなスピーカーを介してサウンドを演奏し始め、応答を観察しました。

生物物理学的原則を発見する

彼らが目撃したプロセスの中には、髪の束のイオンチャネルの開閉が、音駆動型振動にエネルギーを追加し、それらを増幅する方法と、電気駆動性と呼ばれるプロセスを介した電圧変化に応じて、外側の有毛細胞がどのように伸び、収縮するかがありました。

「組織のすべての部分が細胞内レベルで何をしているのかを詳細に見ることができました」とジアノリは言います。

「この実験には、非常に高いレベルの精度と繊細さが必要でした」とマグナスコは述べています。 「危険にさらされている機械的な脆弱性と電気化学的脆弱性の両方があります。」

重要なことに、彼らは、アクティブプロセスの鍵は実際にはホップの分岐であることを観察しました。これは、機械的不安定性を音の増幅に変えた転換点です。 「これは、哺乳類の聴覚の仕組みが生物圏全体で見られたものと非常に類似していることを示しています」と、研究室の研究員であるロドリゴ・アロンソは言います。

将来の治療につながる可能性のあるデバイス

科学者たちは、ex vivo cochleaを使用した実験が聴覚の理解を改善し、うまくいけばより良い治療を指摘することを期待しています。

「たとえば、特定の細胞や細胞の相互作用に焦点を当てるなど、これまでになかった非常にターゲットを絞った方法でシステムを薬理学的に摂動できるようになりました」とAlonso氏は言います。

この分野には、新しい潜在的な治療法が必要です。 「これまでのところ、感覚的な損失で聴覚を回復するための薬物は承認されていません。その理由の1つは、聴覚の積極的なプロセスについて不完全な機械的理解を持っていることです」とジャノリは言います。 「しかし、今では、システムがどのように機能し、どのように壊れるかを理解するために使用できるツールがあります。できれば、手遅れになる前に介入する方法を考えてください。」

Hudspethは、結果が深く満足していることを発見した、とMagnascoは付け加えた。 「ジムは20年以上にわたってこれに取り組んでいましたが、それは驚くべきキャリアにとって最高の成果です。」