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 โมเลกุลในเซลล์

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
งานวิจัยในการสร้างเซลล์ใหม่เช่นนี้ อาจช่วยค้นพบการรักษาการเสียการได้ยินในมนุษย์เพราะเซลล์ขนเสียหายหรือตาย

รูปภาพอื่น ๆ

เชิงอรรถและอ้างอิง

อ้างอิงอื่น 
 
  in Manley et al. (2004)
 
 
 
  in Manley et al. (2004)

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
ระบบการได้ยิน
ตัวรับความรู้สึก
เซลล์มนุษย์