El amplificador coclear es un mecanismo de retroalimentación positiva dentro de la cóclea que proporciona una sensibilidad aguda en el sistema auditivo de los mamíferos. [1] El componente principal del amplificador coclear es la célula ciliada externa (OHC), que aumenta la amplitud y la selectividad de frecuencia de las vibraciones sonoras mediante retroalimentación electromecánica. [2] [3] [4]
El amplificador coclear fue propuesto por primera vez en 1948 por Gold . [5] Esto fue aproximadamente en la época en que Georg von Békésy publicaba artículos observando la propagación de ondas viajeras pasivas en la cóclea muerta .
Treinta años después, Kemp registró las primeras emisiones procedentes del oído [6] . Esto confirmó la existencia de un mecanismo activo de este tipo en el oído. Estas emisiones se denominan ahora emisiones otoacústicas y son producidas por el amplificador coclear.
El primer intento de modelado para definir el amplificador coclear fue una simple ampliación de la onda viajera pasiva de Georg von Békésy con un componente activo. En un modelo de este tipo, se plantea la hipótesis de una presión asimétrica sobre el órgano de Corti que se suma activamente a la onda viajera pasiva para formar la onda viajera activa. Un ejemplo temprano de un modelo de este tipo fue definido por Neely y Kim. [7] La existencia de emisiones otoacústicas se interpreta como la implicación de ondas viajeras tanto hacia atrás como hacia adelante generadas en la cóclea, como propusieron Shera y Guinan. [8]
Aún hay controversia en torno a la existencia y el mecanismo de la onda viajera activa. Experimentos recientes [9] muestran que las emisiones del oído ocurren con una respuesta tan rápida que las ondas viajeras activas de propagación lenta no pueden explicarlas. Su explicación para la propagación rápida de la emisión es la dualidad de la onda viajera activa, la onda de compresión activa. Las ondas de compresión activa fueron propuestas ya en 1980 por Wilson [10] debido a datos experimentales más antiguos. Un modelo de ejemplo de la onda de compresión activa (onda de presión) es definido por Flax y Holmes [11] .
Existen otras explicaciones para los procesos activos en el oído interno. [12]
En la cóclea de los mamíferos, la amplificación de las ondas se produce a través de las células pilosas externas del órgano de Corti. Estas células se encuentran directamente encima de una membrana basilar (MB) que tiene una alta sensibilidad a las diferencias de frecuencia. Las ondas sonoras entran en la rampa vestibular de la cóclea y viajan a través de ella, llevando consigo varias frecuencias de sonido. Estas ondas ejercen una presión sobre las membranas basilar y tectorial de la cóclea que vibran en respuesta a las ondas sonoras de diferentes frecuencias. Cuando estas membranas vibran y se desvían hacia arriba (fase de rarefacción de la onda sonora), los estereocilios de las células ciliadas externas se desvían hacia los estereocilios más altos. Esto hace que los enlaces de la punta del haz de cilios de las células ciliadas externas se abran, lo que permite la entrada de Na + y K + que despolarizan las células ciliadas externas. Tras la despolarización, las células ciliadas externas pueden comenzar su proceso de amplificación a través de la fuerza generada por los motores de las células ciliadas.
El motor somático es el cuerpo celular del OHC y su capacidad de alargarse o contraerse longitudinalmente debido a los cambios en el potencial de membrana . Esta función está apropiadamente asociada con la estructura del OHC dentro del órgano de Corti. Como se ve a través de imágenes de micrografía electrónica de barrido, el lado apical del OHC está acoplado mecánicamente a la lámina reticular, mientras que el lado basal del OHC está acoplado a la cúpula de la célula de Deiter. [13] Debido a que el cuerpo celular no está en contacto directo con ninguna estructura y está rodeado por la perilinfa similar a un fluido, el OHC se considera dinámico y capaz de soportar la electromotilidad.
La prestina es la proteína transmembrana que sustenta la capacidad de las células OHC de alargarse y contraerse, un proceso esencial para la electromovilidad de las células OHC. Esta proteína es sensible al voltaje. Contrariamente a investigaciones anteriores, se ha demostrado que la prestina también transporta aniones; el papel exacto del transporte de aniones en el motor somático aún se está investigando. [14]
En condiciones de reposo, se cree que el cloruro se une a los sitios alostéricos de la prestina. Tras la deflexión de la membrana basilar (MB) hacia arriba y la posterior deflexión de los haces de pelos hacia los estereocilios más altos, se abren los canales dentro de los estereocilios, lo que permite la entrada de iones y la despolarización de las células madre del ojo. El cloruro intracelular se disocia de los sitios de unión alostéricos de la prestina, lo que provoca la contracción de la prestina. Tras la deflexión de la MB hacia abajo, se produce la hiperpolarización de las células madre del ojo y los iones de cloruro intracelulares se unen de forma alostérica, lo que provoca la expansión de la prestina. [15] La unión o disociación del cloruro provoca un cambio en la capacitancia de la membrana de la prestina. Se produce una capacitancia no lineal (NLC) que conduce a un desplazamiento mecánico inducido por voltaje de la prestina a un estado alargado o contraído, como se describió anteriormente. Cuanto mayor sea la no linealidad del voltaje, mayor será la respuesta de la prestina; esto muestra una sensibilidad al voltaje específica de la concentración de la prestina.
La prestina recubre densamente la bicapa lipídica de las membranas de las células pilosas externas. [14] [15] Por lo tanto, un cambio en la forma de muchas proteínas de prestina, que tienden a conglomerarse juntas, conducirá en última instancia a un cambio en la forma de la célula pilosa externa. Un alargamiento de la prestina alarga la célula pilosa, mientras que la contracción de la prestina conduce a una disminución de la longitud de la célula pilosa externa. [15] Debido a que la célula pilosa externa está estrechamente asociada con la lámina reticular y la célula de Deiter, el cambio de forma de la célula pilosa externa conduce al movimiento de estas membranas superior e inferior, lo que provoca cambios en las vibraciones detectadas en la partición coclear. Tras la desviación inicial de la membrana basal que provoca una desviación positiva del haz piloso, la lámina reticular se empuja hacia abajo, lo que da como resultado una desviación negativa de los haces pilosos. Esto provoca el cierre del canal de los estereocilios, lo que conduce a la hiperpolarización y al alargamiento de la célula pilosa externa. [16]
Debajo del haz de pelos hay una placa cuticular rica en actina. [13] Se ha planteado la hipótesis de que el papel de la despolimerización de la actina es crucial para la regulación del amplificador coclear. Tras la polimerización de la actina, la amplitud electromotriz y la longitud de la capa de la corteza orbital aumentan. [1] Estos cambios en la polimerización de la actina no alteran la capa de la corteza neuronal, lo que demuestra que el papel de la actina en el amplificador coclear es independiente del de la prestina.
El motor del haz piloso es la fuerza generada a partir de un estímulo mecánico. Esto se hace mediante el uso del canal de transducción mecanoeléctrica (MET), que permite el paso de Na + , K + y Ca 2+ . [17] El motor del haz piloso funciona desviando los haces pilosos en la dirección positiva y proporcionando retroalimentación positiva de la membrana basilar, lo que aumenta el movimiento de la membrana basilar, lo que aumenta la respuesta a una señal. Se han propuesto dos mecanismos para este motor: adaptación rápida, o cierre del canal, y adaptación lenta.
Este modelo se basa en un gradiente de calcio generado por la apertura y el cierre del canal MET. La desviación positiva de los enlaces de la punta los estira en la dirección de los estereocilios más altos, lo que provoca la apertura del canal MET. Esto permite el paso de Na + , K + y Ca 2+ . [18] Además, el Ca 2+ se une brevemente a un sitio citosólico en el canal MET que se estima que está a solo 5 nm del poro del canal. Debido a la proximidad a la apertura del canal, se sospecha que la afinidad de unión del Ca 2+ puede ser relativamente baja. Cuando el calcio se une a este sitio, los canales MET comienzan a cerrarse. El cierre del canal cesa la corriente de transducción y aumenta la tensión en los enlaces de la punta, lo que los obliga a volver a la dirección negativa del estímulo. La unión del calcio es de corta duración, porque el canal MET debe participar en ciclos adicionales de amplificación. Cuando el calcio se disocia del sitio de unión, los niveles de calcio caen rápidamente. Debido a las diferencias en la concentración de calcio en el sitio de unión citosólica cuando el calcio se une al canal MET en comparación con cuando el calcio se disocia, se crea un gradiente de calcio que genera energía química. La oscilación de la concentración de calcio y la generación de fuerza contribuyen a la amplificación. [18] [19] La duración de este mecanismo es del orden de cientos de microsegundos, lo que refleja la velocidad necesaria para la amplificación de frecuencias altas.
A diferencia del modelo de adaptación rápida, la adaptación lenta se basa en el motor de miosina para alterar la rigidez de los enlaces de la punta, lo que conduce a alteraciones de la corriente del canal. Primero, los estereocilios se desvían en la dirección positiva abriendo los canales MET y permitiendo la entrada de Na + , K + y Ca 2+ . La corriente entrante primero aumenta y luego disminuye rápidamente debido a la liberación de la tensión de la punta de enlace de la miosina y el cierre posterior de los canales. [20] Se plantea la hipótesis de que el enlace de la punta está unido al motor de miosina que se mueve a lo largo de los filamentos de actina . [21] Nuevamente, la polimerización de actina podría desempeñar un papel crucial en este mecanismo, como lo hace en la electromovilidad de OHC.
También se ha demostrado que el calcio desempeña un papel crucial en este mecanismo. Los experimentos han demostrado que, cuando el calcio extracelular es reducido, el motor de miosina se tensa, lo que da lugar a más canales abiertos. Luego, cuando se abren canales adicionales, la entrada de calcio actúa para relajar el motor de miosina, lo que devuelve los enlaces de la punta a su estado de reposo, lo que hace que los canales se cierren. [20] Se plantea la hipótesis de que esto ocurre a través de la unión del calcio al motor de miosina. El transcurso temporal de este evento es de 10 a 20 milisegundos. Esta escala de tiempo refleja el tiempo que se necesita para amplificar las frecuencias bajas. [19] Aunque el mayor contribuyente a la adaptación lenta es la dependencia de la tensión, la dependencia del calcio actúa como un mecanismo de retroalimentación útil.
Este mecanismo de reacción de la miosina a la desviación del haz de pelos imparte sensibilidad a pequeños cambios en la posición del haz de pelos.
La electromotilidad del haz piloso por modulación de prestina produce fuerzas significativamente mayores que las fuerzas generadas por la desviación del haz piloso. Un experimento demostró que el motor somático producía una fuerza 40 veces mayor en la membrana apical y una fuerza seis veces mayor en la membrana basilar que el motor del haz piloso. La diferencia entre estos dos motores es que existen diferentes polaridades de desviación del haz piloso para cada motor. El motor del haz piloso utiliza una desviación positiva que genera una fuerza, mientras que el motor somático utiliza una desviación negativa para generar fuerza. Sin embargo, tanto el motor somático como el motor del haz piloso producen desplazamientos significativos de la membrana basilar. Esto, a su vez, conduce a un aumento del movimiento del haz y a la amplificación de la señal. [16]
La fuerza mecánica que se genera mediante estos mecanismos aumenta el movimiento de la membrana basilar, lo que a su vez influye en la desviación de los haces pilosos de las células ciliadas internas, que están en contacto con fibras aferentes que son las encargadas de transmitir señales al cerebro.
