Первая живая улитка за пределами тела показывает, как на самом деле работает слух

«Теперь мы можем наблюдать за первыми шагами процесса слуха контролируемым образом, который был ранее невозможным»,-говорит автор ко-первого Франческо Джаноли, постдокторант в лаборатории Hudspeth.

Описано в двух недавних статьях (в ПНА и Исследование слухасоответственно) инновация является продуктом пяти десятилетий работы Хадспта, освещающего молекулярные и нервные механизмы слуха – понимания, которые освещали новые пути для предотвращения или потери слуха.

С помощью этого аванса исследователи также предоставили прямые доказательства объединяющего биофизического принципа, который регулирует слушание по всему животному царству, субъект Хадспет исследовал более четверти века.

«Это исследование является шедевром», – говорит биофизик Марсело Магнаско, глава лаборатории интегративной нейробиологии в Рокфеллере, который сотрудничал с Хадспет в некоторых из его оригинальных результатов. «В области биофизики это один из самых впечатляющих экспериментов за последние пять лет».

Механика слуха

Хотя улитка является чудом эволюционной инженерии, некоторые из ее фундаментальных механизмов уже давно остаются скрытыми. Хрупкость и недоступность органа – встроенная в самую плотную кость в организме – затруднили изучение в действии.

Эти проблемы давно разочаровывают исследователей слуха, потому что большая часть потери слуха приводит к повреждению сенсорных рецепторов, называемых волосами, которые выстраивают улицу. Орган имеет около 16 000 этих волосковых клеток, так называемые, потому что каждый из них увенчан несколькими сотнями мелких «щупальц» или стереоцилией, которые ранние микроскописты сравнили с волосами. Каждый пакет представляет собой настроенную машину, которая усиливает и преобразует звуковые вибрации в электрические ответы, которые затем может интерпретировать мозг.

Хорошо задокументировано, что у насекомых и неподклюженных животных, таких как быки, изученные в лаборатории Хадспет,-биофизическое явление, известное как бифуркация Хопфа, является ключом к процессу слуха. Бифуркация Хопфа описывает своего рода механическую нестабильность, переломную точку между полной неподвижностью и колебаниями. На этом краю ножа даже самый слабый звук дает систему движение, позволяя ему усилить слабые сигналы далеко за пределы того, что в противном случае зарегистрировалось.

В случае Cochlea Bullfrog нестабильность находится в пучках сенсорных волосковых клеток, которые всегда заполнены для обнаружения входящих звуковых волн. Когда эти волны попадают, волосковые клетки движутся, усиливая звук в так называемом активном процессе.

В сотрудничестве с Магнаско Хадспет задокументировал существование бифуркации Хопфа в Cochlea в 1998 году.

Чтобы ответить на этот вопрос, команда Hudspeth решила, что им нужно наблюдать за активным процессом в улитке млекопитающих в режиме реального времени и на большем уровне детализации, чем когда -либо прежде.

Кусочек спирали

Для этого исследователи обратились к уличению песчанок, слушание которого падает в таком же диапазоне, как и люди. Они вырезали кусочки не более 0,5 мм от сенсорного органа, в области улитки, которая поднимает средний диапазон частот. Они рассчитали свое иссечение к моменту развития, когда слушание песчаной зрелости зрелой, но улитка не полностью слилась с очень плотной височной костью.

Они поместили кусочек ткани в камеру, предназначенную для воспроизведения живой среды сенсорной ткани, в том числе непрерывно купание ее в богатых питательными веществами жидкостей, называемых эндолимфой и перилимфой и поддержание его нативной температуры и напряжения. Ключом к разработке этого пользовательского устройства были Брайан Фабелла, специалист по исследованиям в лаборатории Hudspeth, и инженер -инженер Николас Беленко из Rockefeller’s Gruss Lipper Precision Technologies Technologies Center.

Затем они начали играть звуки через крошечный динамик и наблюдали ответ.

Обнаружение биофизического принципа

Среди процессов, которые они стали свидетелями, было то, как открытие и закрытие ионных каналов в пучках для волос добавляют энергию к звуковой вибрации, усиливая их и как внешние волосковые клетки удлиняются и сокращаются в ответ на изменения напряжения с помощью процесса, называемого электромотильностью.

«Мы могли в мелких деталях, что делает каждый кусок ткани на субклеточном уровне», – говорит Джаноли.

«Этот эксперимент потребовал чрезвычайно высокого уровня точности и деликатности», – отмечает Магнаско. «На карту поставлена как механическая хрупкость, так и электрохимическая уязвимость».

Важно отметить, что они наблюдали, что ключом к активному процессу действительно была бифуркация Хопфа – переломная точка, которая превратила механическую нестабильность в усиление звука. «Это показывает, что механика слуха у млекопитающих удивительно похожа на то, что было замечено по всей биосферу»,-говорит ко-то, что автор ко-первого Родриго Алонсо, научный сотрудник в лаборатории.

Устройство, которое может привести к будущим процедурам

Ученые ожидают, что эксперименты с использованием Ex Vivo Cochlea улучшит их понимание слуха и, как мы надеемся, укажут на лучшую терапию.

«Например, теперь мы сможем фармакологически нарушать систему очень целенаправленным образом, который никогда раньше не был возможным, например, путем сосредоточения внимания на конкретных клетках или клеточных взаимодействиях», – говорит Алонсо.

В области есть большая потребность в новой потенциальной терапии. «До сих пор ни один препарат не был утвержден для восстановления слушания в сенсорной обработке, и одна из причин этого заключается в том, что у нас все еще есть неполное механистическое понимание активного процесса слуха», – говорит Джаноли. «Но теперь у нас есть инструмент, который мы можем использовать, чтобы понять, как работает система, и как и когда она сломается – и, надеюсь, думать о способах вмешательства, пока не стало слишком поздно».

Хадспет нашел результаты глубоко удовлетворительными, добавляет Магнаско. «Джим работал над этим более 20 лет, и это венчающее достижение для замечательной карьеры».