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[转帖]这么多年,我听歌都靠的是毛
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汪元 于 2018/7/6 17:03:03 发布在 凯迪社区 > 音乐之声
    对我们来说,听觉是非常重要的一种感官。对美妙音乐的欣赏、与他人交流时的对话、感知周围正在发生的许多事物……要体会到这些声音都必须依靠我们敏锐的听觉。

    人耳之于声音的敏感就如同眼睛之于光线。

    但是,我们是如何区分声音的?它是微弱是嘹亮?是远还是近?来看看研究听觉的科学家们怎么说。

    

    研究听觉,他们得了个奖

    当我们大多数人对听觉习以为常的时候,有三位科学家却深入研究了听觉,并荣获了2018年度的卡弗里神经科学奖(Kavli prize in Neuro Science)。这三位科学家分别是James Hudspeth、Robert Fettiplace和Christine Petit,他们在听觉的分子和神经机制上做出了开创性工作。

    

    James Hudspeth, Robert Fettiplace 和 Christine Petit荣获了2018年度的卡弗里神经科学奖,共享100万美元的奖金。|http://kavliprize.org

    具体来说,他们通过钻研生物物理学以及前沿的人类遗传学,揭开了听觉里毛细胞(hair cell)将声音转化为大脑中电脉冲的细胞和分子机制。

    卡弗里科学奖每两年颁发一次,分别授予极大的天文物理学、极小的纳米科学、以及极复杂的神经科学,今年是奖项设立的10周年。

    

    关于听觉的旧知识:振动的耳蜗

    几十年前,人们对于听觉的了解还多限于基本的解剖学和生理学,对超出这些范围的领域知之甚少。声波进入外耳的耳道,引起耳膜的振动;振动经过中耳的骨头抵达内耳的耳蜗。这个微小器官,它的形状就像是蜗牛的壳。耳蜗只有几毫米宽、长32毫米。声压波能穿过它充满液体的腔室,并通过听觉神经将触发的电脉冲传送至大脑。

    

    这是颜色增强过的豚鼠内耳听觉器官或耳蜗的扫描电子显微照片。沿着螺旋结构的是对不同声音频率起反应的一排排感觉细胞。| Dr. David Furness/Wellcome collection

    在耳蜗中大约有16,000多个毛细胞铺在基底膜(basilar membrane)上,将耳蜗内充满液体的导管分开。

    

    耳蜗 | giphy

    毛细胞以其在电子显微镜下呈可见的毛状突起簇而得名。这些簇称为毛束(hair bundle),一般由20到300根被称为静纤毛(stereocilia)的凸起构成,它们以不同的高度整齐地排列,并嵌入一层被称为盖膜(tectorial membrane)的果冻状覆盖层中。科学家怀疑毛细胞可能就是声音信号的关键传感器。

    据显微镜检查显示,在人的一生中,很多原因会对毛细胞造成破坏,例如使用了链霉素一类的药物、患有风疹或弓形虫病等感染、和暴露于高分贝的声响之下时,毛细胞就会受到损害从而丧失功能。由于它们无法再生,因此这甚至可能导致听力的完全丧失。

    

    内耳的耳蜗。豚鼠耳内的扫描电子显微图像(左)。沿着螺旋结构的是柯蒂氏器官(右),它包含一排排对不同频率的声音起反应的感觉毛细胞。| Dr. David Furness/Wellcome collection

    

    新知识:从动物耳朵开始

    2018年卡弗里神经科学奖的三位获得者分别独立地对毛细胞在听力中所起到的作用进行了研究。

    从上世纪70年代后期开始,有着生物物理学背景的Hudspeth和Fettiplace就开始对由耳蜗中的膜振动而引起的毛束振动,是否能触发电信号的传导而感到好奇。

    为了更容易的接触到耳蜗(在哺乳动物中,耳蜗会嵌入颅骨的颞骨内),二人最初都决定先从动物开始着手研究耳蜗,Hudspeth选择了牛蛙,Fettiplace选择的是乌龟。这两种动物都比较大、也比较适合实验室中的操作,作为冷血动物它们都对温度波动有较好的承受能力。研究者们必须小心翼翼地在不撕裂动物的毛束结构的情况下将它们的盖膜剥离。

    

    想飞的龟 | giphy

    Hudspeth塑造了一种非常精细的玻璃纤维,直径在0.5到0.8微米之间,可以用它来轻轻推动每个毛束的尖端。他用一个压电传动装置来精确地控制玻璃纤维,再用一个同样精密的微电极来测量单个毛细胞上的电位变化。他首次证明了在最高排静纤毛方向上的一个毛细胞束的机械位移,能触发细胞膜上电荷的改变(去极化)。这一过程所需的位移量非常小,Hudspeth把它比作是埃菲尔铁塔顶端发生的拇指宽的移动。

    Hudspeth发现,电反应的产生需要钾粒子和钙离子穿过静纤毛尖端上的膜。静纤毛的运动能机械地将膜通道拉开,从而让带正电荷的钾离子和钙离子流入细胞中。

    他从电子显微镜拍摄的短杆状结构的图像中获得了灵感,他认为,当这些杆状结构连接静纤毛尖端时,会因静纤毛的运动而被拉伸,从而施加了一个打开离子通道的力。当静纤毛朝相反的方向移动时,尖端的连接会松弛,且离子通道会关闭。这与以下想法是一致的:声波在耳蜗的流体导管中搏动,导致基底膜和盖膜振动并相互移动,从而在毛束上产生剪力。

    在接下来的30年里,Hudspeth持续发展他的系统,并揭示了更多毛细胞及其假定离子通道的生物物理与生化特性。毛束会积极活跃的抽动,而不是作为被动的接收器,这使它对声音振动的灵敏度提高了100到1000倍。换句话说,它就像是一个内置的扬声系统。随着年龄的增长,这种扬声器般的放大效应会最先消失。

    Robert Fettiplace研究的是乌龟的耳蜗。他在1980年报告说,对不同声音频率的敏感性可以沿基底膜划分,就像钢琴的琴键一般。通过记录内毛细胞的电性变化,他按照频率记录了一系列声音灵敏度,称为频率响应分布图。根据它们沿着膜的位置,单个毛细胞都在窄的频率范围内产生声频共振。位于较窄、较硬的耳蜗基部的毛细胞对高频作出响应;而位于更宽、更松软的膜的顶点处的毛细胞会对低频作出响应。

    Fettiplace预测,不同离子通道的开启和关闭次数和速度会影响毛细胞的电性和机械性能,这是每个毛细胞微调的原因。在后来的二十年中,他通过实验证明了这一点。耳蜗两端毛细胞的离子通道的组成和毛束的高度都不同。而离子通道的身份以及它们是如何打开和关闭的仍是一个谜。

    

    内耳毛细胞中的力传导。(A)毛束的扫描电子显微照片。(B)力传导模型。(C)在不能伸长的纤毛尖端上的张力反应的作用下,打开了依附在细胞内弹性元件上的离子通道。

    后来,Fettiplace还发现在哺乳动物中,声音敏感度的放大是由于外毛细胞的移动,它增强了基底膜局部的振动。

    到上个世纪90年代初,Hudspeth,Fettiplace和其他人在理解听觉系统的生物物理学和生理学知识方面取得了重大进展,但对于其分子机制仍知之甚少。这是特别难以研究的,因为耳蜗中对不同声音频率响应的毛细胞非常少。

    

    新知识:耳聋的基因

    Christine Petit的研究完善了Hudspeth和Fettiplace的研究之处。她曾在法国接受过医学培训,对遗传性耳聋的遗传基础非常感兴趣。 Petit与叙利亚、黎巴嫩、阿尔及利亚、突尼斯、摩洛哥和约旦的医生进行广泛的合作,在那些国家,严重的耳聋在一些大家庭中似乎特别普遍。其中一种形式就是乌谢尔综合征(先天性聋视网膜色素变性综合征),以进行性的失明和听力缺陷为特征。Petit发现这与几种不同的基因有关。有超过100种这样的遗传综合征,涉及许多不同基因的突变。

    通过遗传学、分子生物学和生物化学分析,Petit已经鉴定了20多种不同的基因,一旦这些基因有缺失或突变,就会通过影响毛细胞的发育和功能等途径对听力造成破坏。根据其他信息表明,还有一些基因也可能参与了听觉皮层(大脑中解码声音信息的部分)的布线。

    

    毛细胞显微镜图 | semantic scholar

    Petit的工作精确描述了Hudspeth和Fettiplace提出的分子机器核心的蛋白质,并为数百种人类丧失听力的不同形式提供了解释。在未来,他们的工作甚至可能通过基因治疗、或用再生的内耳毛细胞代替已被损坏的毛细胞,而变得更加具有实际应用价值。

    Kavli奖神经科学委员会成员Christine Dulac说,获奖者展示了“这种基础研究与临床研究之间存在着相互依存的关系。那些截然不同的科学领域实则是密不可分的。”

    参考来源

    1.http://kavliprize.org/prizes-and-laureates/prizes/2018-kavli-prize-neuroscience

    本文转载自公众号原理

    (ID:principia1687)
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