เซลล์ขน

เซลล์ขน () เป็นเซลล์รับความรู้สึก (sensory receptor) ของทั้งระบบการได้ยินและระบบการทรงตัว (vestibular system) ในหูชั้นในของสัตว์มีกระดูกสันหลัง
โดยตรวจจับการเคลื่อนไหวของน้ำในระบบผ่านกระบวนการถ่ายโอนแรงกล (mechanotransduction)
ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เซลล์ขนรับเสียงอยู่ในอวัยวะของคอร์ติ ซึ่งอยู่บนเยื่อกั้นหูชั้นใน (basilar membrane) ในอวัยวะรูปหอยโข่ง (คอเคลีย) 
ชื่อของเซลล์มาจากมัดขนที่เรียกว่า stereocilia ที่ยื่นออกมาจากเยื่อหุ้มเซลล์ด้านบน (apical) เข้าไปในน้ำของท่อคอเคลีย (cochlear duct)
เซลล์ขนในคอเคลียของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมสามารถแบ่งโดยกายวิภาคและหน้าที่เป็นสองอย่าง คือ เซลล์ขนด้านนอก (outer hair cell, OHC) และเซลล์ขนด้านใน (inner hair cell, IHC)
ความเสียหายต่อเซลล์ขนทำให้ได้ยินน้อยลง และเพราะว่า เซลล์ขนไม่สามารถเกิดใหม่ ดังนั้น ความเสียหายก็จะคงยืน
แต่ว่า ก็ยังมีสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ เช่น ปลาม้าลายและสัตว์ปีกที่เซลล์ขนสามารถเกิดใหม่ได้
คอเคลียของมนุษย์มี IHC ประมาณ 3,500 ตัว และ OHC 12,000 ตัว
OHC มีหน้าที่ขยายเสียงเบา ๆ ที่เข้ามาในคอเคลีย (แต่ไม่ขยายเสียงที่ดังถึงระดับหนึ่งแล้ว)
ซึ่งอาจเกิดจากการเคลื่อนไหวของมัดขน หรือว่า จากการเคลื่อนไหวของตัวเซลล์เองที่ได้พลังงานจากไฟฟ้า 
ส่วน IHC จะเปลี่ยนแรงสั่นของเสียงในน้ำไปเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ส่งผ่านโสตประสาท (auditory nerve) ไปยังก้านสมอง และต่อไปยังคอร์เทกซ์การได้ยิน (auditory cortex) เพื่อแปลและประมวลผลต่อ ๆ ไป

 เซลล์ขนด้านใน - เปลี่ยนเสียงเป็นสัญญาณประสาท 

การขยับ stereocilia ของเซลล์ขนจะเปิดช่องไอออนเปิดปิดด้วยแรงกล ทำให้ไอออนมีประจุบวก (โดยหลักเป็นโพแทสเซียมและแคลเซียม) ไหลเข้ามาในเซลล์
ไม่เหมือนกับเซลล์ที่ทำงานด้วยไฟฟ้าอื่น ๆ เซลล์ขนเองจะไม่ยิงศักยะงาน
แต่การไหลของไอออนบวกจากน้ำ endolymph ในช่อง scala media เข้ามาจะทำให้เซลล์ลดขั้ว แล้วเกิดศักย์ตัวรับความรู้สึก (receptor potential)
ซึ่งก็จะเปิดช่องแคลเซียมที่เปิดปิดโดยศักย์ไฟฟ้า (voltage gated calcium channel)
ไอออนแคลเซียมที่ไหลเข้ามาก็จะทำให้เซลล์ปล่อยสารสื่อประสาทที่ด้านฐาน (basal lamina) ของเซลล์
ซึ่งจะแพร่ข้ามช่องแคบ ๆ ระหว่างเซลล์กับปลายประสาท เข้ายึดกับหน่วยรับสารสื่อประสาทแล้วจุดชนวนให้เกิดศักยะงานในเส้นประสาท
โดยวิธีการนี้ แรงสั่นที่เป็นสัญญาณเสียงจึงกลายเป็นสัญญาณประสาทที่เป็นไฟฟ้าได้

การกลับขั้วหลังจากการลดขั้วของเซลล์ขนมีลักษณะพิเศษ
คือ น้ำ perilymph ใน scala tympani มีไอออนบวกในระดับต่ำมาก
ความแตกต่างทางเคมีไฟฟ้าจึงทำให้ไอออนบวกไหลออกจากช่องต่าง ๆ ของเซลล์ไปยัง perilymph

ไอออน Ca2+ ยังรั่วเข้ามาในเซลล์ขนเป็นครั้งเป็นคราวด้วย
ซึ่งทำให้ปล่อยสารสื่อประสาทแบบเรื่อย ๆ (tonic) ที่จุดประสานประสาท (ไซแนปส์)
เชื่อว่าการปล่อยสารสื่อประสาทเรื่อย ๆ เช่นนี้ทำให้เซลล์ขนสามารถตอบสนองต่อสิ่งเร้าเชิงกลอย่างรวดเร็ว
แต่ความเร็วก็อาจมาจากสมรรถภาพในการเพิ่มสารสื่อประสาทที่ปล่อยตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงเพียงแค่ 100 μV ของศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ (membrane potential) ได้เหมือนกัน

 เซลล์ขนด้านนอก - ตัวขยายเสียง 
ในเซลล์ขนด้านนอก (OHC) ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม การเกิดศักย์ตัวรับความรู้สึก (receptor potential) จะจุดชนวนให้ตัวเซลล์สั่นอย่างแอคทีฟ
การตอบสนองเชิงกลต่อสัญญาณไฟฟ้าเช่นนี้ซึ่งเรียกว่า somatic electromotility (การเคลื่อนไหวของตัวเซลล์เองโดยไฟฟ้า)
จะทำให้ตัวเซลล์ยืดและหด โดยจะเกิดกับเซลล์ที่ไวความถี่เสียงที่เข้ามาในหู (ซึ่งเป็นตำแหน่งเฉพาะที่เยื่อกั้นหูชั้นใน) เป็นการเพิ่มขยายเสียงแบบป้อนกลับเชิงบวก
แต่ OHC พบแต่ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเท่านั้น 
แม้ว่า สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจะไวเสียงเท่า ๆ กับสัตว์มีกระดูกสันหลังอื่น ๆ
แต่ถ้า OHC ไม่ทำงาน ระดับความไวเสียงจะลดลงประมาณ 50 dB

OHC สามารถยืดความถี่เสียงที่ได้ยินไปถึง 200 kHz ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในน้ำบางชนิด
และสามารถช่วยการได้ยินเสียงที่ความถี่โดยเฉพาะ ๆ (frequency discrimination) ซึ่งให้ประโยชน์ต่อมนุษย์ เพราะทำให้สามารถแยกแยะเสียงพูดและเสียงดนตรีที่ซับซ้อน
ระบบเช่นนี้ขยายเสียงเบา ๆ มากกว่าเสียงที่ดัง (คือไม่ได้ขยายในรูปแบบฟังก์ชันเชิงเส้น) ทำให้แรงดันเสียงมีพิสัยกว้างสามารถเปลี่ยนเป็นการขยับขนเซลล์ในระยะที่มีพิสัยน้อยกว่า

คุณสมบัติการขยายเสียงเช่นนี้เรียกว่า cochlear amplifier
อณูชีววิทยาเกี่ยวกับเซลล์ขนได้เกิดความก้าวหน้าเร็ว ๆ นี้
เมื่อนักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดโปรตีนมอร์เตอร์ (motor protein) คือ prestin ที่เป็นมูลฐานการเคลื่อนไหวของตัวเซลล์เองโดยไฟฟ้า (somatic electromotility) ของ OHC
คือเมื่อเร้าเซลล์ OHC ในการทดลอง นักวิทยาศาสตร์พบว่าเมื่อเซลล์ลดขั้ว (depolarized) เซลล์ก็จะสั้นลง และเมื่อเซลล์เพิ่มขั้ว เซลล์ก็จะยาวขึ้น ซึ่งเป็นผลของการเปลี่ยนทิศทางของโมเลกุล prestin เป็นล้าน ๆ โมเลกุลในเซลล์Principles of Neural Science, 5th edition (2013), "Chapter 31: The Inner Ear", pp. 672-673

การทำงานของ prestin พบว่า ขึ้นอยู่กับการส่งสัญญาณผ่านช่องคลอไรด์ (chloride channel) ซึ่งสามารถเกิดเสียหายได้จากสารฆ่าศัตรูพืชและสัตว์ tributyltin
เพราะว่า สารพิษนี้สามารถส่งต่อขึ้นไปตามลำดับโซ่อาหาร จึงเกิดผลเสียหายที่ชัดเจนในสัตว์ล่าเหยื่อเหนือโซ่สุด เช่นวาฬเพชฌฆาตและวาฬมีฟัน

 การเชื่อมต่อทางประสาท  
นิวรอนของ auditory nerve (โสตประสาท) หรือ vestibulocochlear nerve ซึ่งเป็นเส้นประสาทสมองที่ 8 เป็นตัวส่งสัญญาณต่อจากเซลล์ขนของคอเคลีย และระบบทรงตัว (vestibular system) 
สารสื่อประสาทที่เซลล์ขนปล่อยเพื่อเร้าปลายประสาทของนิวรอนนำเข้า (afferent) ไปยังสมองเชื่อว่าเป็นกลูตาเมต
มีโครงสร้างก่อนไซแนปส์ของเซลล์ขนที่เรียกว่า presynaptic dense body หรือ ribbon synapse
ซึ่งล้อมไปด้วยถุงไซแนปส์ (synaptic vesicle) และเชื่อว่าช่วยให้สามารถปล่อยสารสื่อประสาทได้อย่างรวดเร็ว

มีเส้นประสาทไปยัง IHC มากกว่า OHC มาก
IHC เซลล์เดียวมีเส้นประสาทเชื่อมต่อเป็นจำนวนมาก แต่ว่าเส้นประสาทเส้นเดียวจะเชื่อมกับ OHC เป็นจำนวนมาก
เส้นประสาทไปยัง IHC ยังหุ้มด้วยปลอกไมอีลินด้วย ในขณะที่เส้นประสาทไปยัง OHC ไม่มี
บริเวณ/ตำแหน่งของเยื่อกั้นหูชั้นใน (basilar membrane) ที่ส่งข้อมูลไปทางใยประสาทนำเข้าสามารถพิจารณาว่าเป็นลานรับสัญญาณ (receptive field) ของใยประสาท

ใยประสาทนำออกจากสมองไปยังคอเคลียก็มีบทบาทต่อการได้ยินเสียงด้วย
ใยประสาทจะวิ่งไปสุดที่ OHC และที่ใยประสาทนำเข้าของ IHC
และมีปลายแอกซอน (presynaptic terminal) เต็มไปด้วยถุง (vesicle) ที่มี acetylcholine และ neuropeptide ที่เรียกว่า calcitonin gene-related peptide
สารประกอบเหล่านี้จะมีฤทธิ์ต่าง ๆ กัน เช่น ในเซลล์ขนบางอย่าง acetylcholine จะทำให้เซลล์เพิ่มขั้ว (hyperpolarized) ซึ่งลดความไวเสียงของคอเคลียตรงนั้น ๆ

 การเกิดใหม่ 
งานวิจัยในการสร้างเซลล์คอเคลียขึ้นใหม่อาจจะรักษาปัญหาการได้ยินได้
โดยไม่เหมือนสัตวปีกและปลา มนุษย์และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่น ๆ ไม่สามารถสร้างเซลล์หูชั้นในที่เปลี่ยนสัญญาณเสียงเป็นสัญญาณประสาทขึ้นมาใหม่เมื่อเกิความเสียหายเพราะอายุหรือเพราะโรค
นักวิจัยได้สร้างความก้าวหน้าทั้งในการรักษาด้วยยีน (gene therapy) และการรักษาด้วยเซลล์ต้นกำเนิด ที่ในที่สุดอาจช่วยสร้างเซลล์ที่เสียหายขึ้นมาใหม่
เพราะว่าเซลล์ขนของทั้งระบบการได้ยินและระบบการทรงตัว (vestibular system) ของนกและปลาสามารถเกิดใหม่ได้ จึงมีการศึกษาในสัตว์เหล่านี้
นอกจากนั้นแล้ว เซลล์ขนในอวัยวะของปลาที่เรียกว่า lateral line ซึ่งสามารถถ่ายโอนแรงกลเป็นสัญญาณประสาท ก็พบว่าเกิดใหม่ได้เช่นกันในสัตว์บางชนิดเช่น ปลาม้าลาย

นักวิจัยได้ค้นพบยีนของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่ปกติมีหน้าที่เป็นสวิตช์โมเลกุล (molecular switch) ที่ยุติการสร้างเซลล์ขนขึ้นใหม่ในผู้ใหญ่
เป็นยีน Rb1 ซึ่งเข้ารหัส retinoblastoma protein ซึ่งทำหน้าที่เป็นโปรตีนระงับเนื้องอก (tumor suppressor)
คือ ยีน Rb จะหยุดเซลล์ไม่ให้แบ่งตัว
เซลล์ขนในจานเพาะไม่เพียงแต่เกิดใหม่เมื่อลบยีน Rb1 ออกเท่านั้น แต่หนูหริ่งที่ไม่มียีนนี้จะมีเซลล์ขนมากกว่าหนูกลุ่มควบคุมที่มียีนนี้

นอกจากนั้นแล้ว โปรตีน sonic hedgehog ปรากฏว่ายังระงับฤทธิ์ของ retinoblastoma protein และดังนั้นจะทำให้เซลล์ที่หยุดแบ่งตัวแล้วกลับเข้าสู่วัฏจักรเซลล์ ทำให้เซลล์ใหม่เกิดและเจริญขึ้นได้

สารห้ามวัฏจักรเซลล์อีกอย่าง คือ p27kip1 (CDKN1B) ยังพบว่าช่วยให้เซลล์ขนในคอเคลียเกิดใหม่ในหนูหริ่งเมื่อลบหรือระงับการทำงานของ p27 ด้วย siRNA (primary source) (primary source)
งานวิจัยในการสร้างเซลล์ใหม่เช่นนี้ อาจช่วยค้นพบการรักษาการเสียการได้ยินในมนุษย์เพราะเซลล์ขนเสียหายหรือตาย

 รูปภาพอื่น ๆ 

 เชิงอรรถและอ้างอิง 

 อ้างอิงอื่น 









 แหล่งข้อมูลอื่น 
 Molecular Basis of Hearing
 Outer hair cell dancing "rock around the clock"
 Dancing OHC video Yale Ear Lab
 NIF Search - Hair Cell  via the Neuroscience Information Framework
 Hair-Tuning-Sound-Sensor A concise report on the recent development of sound sensors based on hair tuning by students of SMMEE, IIT Ropar
หมวดหมู่:ระบบการได้ยิน
หมวดหมู่:ตัวรับความรู้สึก
หมวดหมู่:เซลล์มนุษย์