การขยายเสียงของคอเคลีย

การขยายเสียงของคอเคลีย
เป็นกลไกป้อนกลับเชิงบวกในหูชั้นในรูปหอยโข่ง (คอเคลีย) ที่ทำให้ระบบการได้ยินของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมไวเสียงมาก
กลไกหลักก็คือ เซลล์ขนด้านนอก (OHC) ซึ่งช่วยเพิ่มทั้งแอมพลิจูด (ความดัง) และความไวความถี่เสียง ผ่านกระบวนการป้อนกลับโดยไฟฟ้าและแรงกล (electromechanical feedback)

นักวิชาการ (T. Gold) ได้เสนอกลไกนี้ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2491 แล้ว
ซึ่งเป็นช่วงเวลาเดียวที่นักชีวฟิสิกส์ชาวฮังการี-อเมริกัน ดร. Georg von Békésy กำลังตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับการเคลื่อนที่เป็นรูปคลื่นของคอเคลียในสัตว์ที่ตายแล้ว (ทำให้ต่อมาเขาได้รับรางวัลโนเบล)

ต่อมาในปี 2521 จึงมีการอัดเสียงที่หูปล่อยเป็นครั้งแรก (โดย D.T. Kemp)
ซึ่งยืนยันว่า มีกลไกที่ทำงานแบบแอคทีฟเช่นนี้จริง ๆ
เสียงเช่นนี้ปัจจุบันเรียกว่า เสียงจากหู (otoacoustic emissions) และเกิดจากกระบวนการที่เรียกว่า การขยายเสียงในคอเคลีย (cochlear amplifier)

แบบจำลองแรกที่พยายามกำหนดการขยายเสียงของคอเคลีย โดยต่อยอดแบบจำลองของ ดร. von Békésy อันแสดงว่าคลอเคลียตอบสนองต่องเสียงเป็นคลื่นวิ่งผ่านแบบสานติ (passive traveling wave) ให้มีองค์ประกอบแบบแอคทีฟด้วย
ยังมีเรื่องที่ไม่ชัดเจนเกี่ยวกับคลื่นที่วิ่งไปแบบแอคทีฟ
งานศึกษาปี 2549 (โดย T. Ren)
แสดงว่า เสียงจากหูเกิดขึ้นเป็นปฏิกิริยาที่เร็วมากกระทั่งว่า คลื่นแอคทีฟที่วิ่งไปแบบช้า ๆ จริง ๆ ไม่สามารถจะมีได้
คำอธิบายเดียวที่สามารถใช้ได้ จะต้องเป็นคลื่นที่เรียกว่า active compression wave
ซึ่งเสนออย่างช้าตั้งแต่ปี 2523 แล้ว (โดย P.J. Wilson)
จากข้อมูลการทดลองที่ล้าสมัย
แต่ว่า เป็นทฤษฎีที่กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ไม่ได้สนใจ จนกระทั่งมีหลักฐานการทดลองที่ชัดเจนที่คัดค้านคลื่นที่วิ่งไปแบบแอคทีฟ (active traveling wave)

30 ปีหลังจากงานปี 2521 (คือปี 2551) ยืนยันการขยายเสียงของคอเคลีย และ 60 ปีหลังจากมีการเสนอทฤษฎีนี้ จึงได้มีการกำหนดการขยายเสียงของคอเคลียแบบ active-compression-wave
ในแบบจำลองนี้ ความดันแบบแอคทีฟจะเท่ากันทั้งสองด้านที่อวัยวะของคอร์ติ ซึ่งทำให้เกิดคลื่นความดันทีวิ่งไปได้อย่างรวดเร็ว แล้วเพิ่มการเคลื่อนไหวในคอเคลีย และทำให้เกิดเสียงผ่านหูชั้นกลางและหูชั้นนอก
แบบจำลองนี้ต่อมาในปี 2554 ก็ใช้อธิบายการขยายเสียงแบบ mixed mode ที่ทั้งยอด (apex) และฐาน (base) โดยวิธีจำลองเดียวกันกับงานปี 2551

ทฤษฎีอื่น ๆ ที่อธิบายกระบวนการขยายเสียงแบบแอคทีฟของหูชั้นในก็ยังมีอยู่
แต่ว่า ทฤษฎีเหล่านี้ไม่นิยมหรือเก่าแก่เท่ากับการขยายเสียงของคอเคลียแบบ active-traveling-wave หรือ active-compression-wave

ในคอเคลียของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม การขยายเสียงจะเกิดขึ้นที่เซลล์ขนด้านนอก (OHC) ในอวัยวะของคอร์ติ
เป็นเซลล์ที่อยู่บนเยื่อกั้นหูชั้นใน (basilar membrane หรือเยื่อฐาน ตัวย่อ BM) ซึ่งไวต่อความถี่เสียงโดยเฉพาะ ๆ ที่จุดต่าง ๆ
คลื่นเสียงความถี่ต่าง ๆ จะวิ่งเข้าไปในท่อ scala vestibuli ของคอเคลียแล้ววิ่งผ่านเซลล์
ซึ่งสร้างแรงดันที่เยื่อฐานและเยื่อคลุม (tectorial membrane) ของคอเคลีย โดยเยื่อจะขยับตอบสนองต่อคลื่นเสียงที่ความถี่โดยเฉพาะ ๆ มีรูปเหมือนกับคลื่นวิ่ง (travelling wave)

เมื่อเยื่อเหล่านี้สั่นและเบนขึ้น (ในเฟส rarefaction ของคลื่น) มัดขน stereocilia ของ OHC ก็จะขยับไปทาง stereocilia ที่สูงสุด
เป็นเหตุให้ใยเชื่อมปลาย (tip links) ที่มัดขน ดึงเปิดช่องไอออนให้ Na และ K ไหลเข้ามาในเซลล์ทำให้เซลล์ลดขั้ว (depolarized)
แล้ว OHC ก็จะเริ่มขยายเสียงโดยการป้อนกลับเชิงบวก
ซึ่งเกิดจากกลไก somatic motor และ hair bundle motor ซึ่งทำงานเป็นอิสระจากกันและกัน

somatic motor เป็นสมรรถภาพของตัวเซลล์ OHC ที่จะยืดหรือสั้นลงตามยาวเนื่องจากความเปลี่ยนแปลงของศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ (membrane potential)
ซึ่งเป็นหน้าที่ที่เหมาะเจาะของ OHC ภายในอวัยวะของคอร์ติ
ถ้าดูผ่านกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดในอุโมงค์ ส่วนยอดของ OHC จะยึดอยู่กับ reticular lamina ในขณะที่ส่วนฐานจะยึดกับ cupula ของ Deiter's cell
เพราะตัวเซลล์ไม่ได้ติดกับโครงสร้างอื่น ๆ แต่ล้อมด้วยน้ำ perilymph ดังนั้น OHC จึงพิจารณาว่าสามารถยืดหยุ่นได้ และเหมาะให้เกิดกระบวนการ electromotility (การเคลื่อนไหวเองของเซลล์อาศัยไฟฟ้า) ได้

Prestin เป็นโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ (transmembrane) ที่เป็นมูลฐานของการยืดและหดได้ของ OHC ซึ่งสำคัญต่อการเคลื่อนไหวได้เองอาศัยไฟฟ้า
โปรตีนนี้ไวต่อความต่างศักย์
และยังเป็นตัวขนส่งแอนไอออนอีกด้วย ที่งานศึกษาก่อน ๆ ได้เข้าใจผิดมาก่อน
แต่ว่า บทบาทของการขนส่งแอนไอออนในกระบวนการ somatic motor ยังไม่ชัดเจน

ภายใต้ภาวะพัก เชื่อว่า คลอไรด์จะยึดอยู่กับจุดยึดแบบ allosteric ของ prestin
เมื่อ BM เบนขึ้นแล้วมัดขนเบนไปทาง steroecilia ที่สูงสุด ช่องที่ stereocilia ก็จะเปิดปล่อยให้ไอออนไหลเข้า ทำให้เซลล์ลดขั้ว
คลอไรด์ภายในเซลล์ก็จะหลุดออกจากจุดยึด allosteric ในโปรตีน ทำให้ prestin หดลง
เมื่อ BM เบนลง เซลล์ก็จะเพิ่มขั้ว คลอไรด์ก็จะเข้ายึดที่จุด allosteric มีผลให้ prestin ขยายตัว

การเข้ายึดหรือหลุดออกของคลอไรด์จะเปลี่ยนค่าความประจุไฟฟ้าของ prestin
มีผลเป็น nonlinear capacitance (NLC) ซึ่งทำให้ prestin ยึดหรือหดลงอาศัยไฟฟ้าตามที่ได้กล่าวแล้ว
การแปรศักย์ไฟฟ้าแบบไม่ใช่เชิงเส้นยิ่งใหญ่เท่าไร prestin ก็จะตอบสนองมากขึ้นเท่านั้น
ซึ่งแสดงความไวศักย์ไฟฟ้าที่อาศัยความเข้มข้นของไอออนที่อยู่รอบ ๆ

prestin เรียงอยู่ที่ชั้นไขมันคู่ (lipid bilayer) ของเยื่อหุ้มเซลล์ของ OHC
ดังนั้น การเปลี่ยนรูปของ prestin จำนวนมาก ซึ่งมักจะรวมจับกัน ในที่สุดก็จะเปลี่ยนรูปร่างของ OHC
และ prestin ที่ยาวขึ้นจะทำให้เซลล์ยืดตัวออก ในขณะที่ prestin ที่สั้นลงจะทำให้เซลล์หดตัว
เพราะว่า OHC ติดอยู่กับ reticular lamina และ Deiter's cell การเปลี่ยนรูปของ OHC จึงทำให้เซลล์ทั้งสองเคลื่อนด้วย และเปลี่ยนแรงสั่นของ cochlear partition โดยสามารถตรวจจับได้

ต่อจากการเบน BM ในเบื้องต้นที่ทำให้มัดขนเบนไปในทางบวก เยื่อ reticular lamina ก็จะได้รับแรงกดลดลง มีผลให้มัดขนเบนไปในทางลบ
ซึ่งทำให้ช่องใน stereocilia ปิด มีผลให้ OHC เพิ่มขั้ว (hyperpolarization) และยืดตัว

ที่ฐานของมัดขนเป็น cuticular plate ที่เต็มไปด้วยโปรตีน actin
สันนิษฐานกันว่า กระบวนการพอลิเมอไรเซชันของ actin มีบทบาทที่ขาดไม่ได้ในการควบคุมการขยายเสียงของคอเคลีย
คือ เมื่อ actin เกิดพอลิเมอไรเซชัน ทั้งแอมพลิจูดของการเคลื่อนไหวเองอาศัยไฟฟ้าและความยาวของ OHC ก็จะเพิ่มขึ้น
แต่ว่า ความเปลี่ยนแปลงต่อ actin ไม่ได้เปลี่ยน NLC ซึ่งแสดงว่า บทบาทของ actin ต่อการขยายเสียงของคอเคลียแยกต่างหากจากของ prestin

hair bundle motor เป็นแรงที่เกิดเนื่องจากสิ่งเร้าเชิงกล
ซึ่งเกิดผ่านช่อง MET (mechanoelectrical transduction) ซึ่งเปิดให้ไอออน Na, K, และ Ca ไหลผ่าน
และทำงานโดยเบนมัดขนไปในทางบวกและให้แรงป้อนกลับเชิงบวกต่อเยื่อฐาน ซึ่งทำให้เยื่อไหวเพิ่มแล้วทำให้ตรวจจับเสียงได้ดีขึ้น
มีกลไกสองอย่างที่ได้เสนอสำหรับกระบวนการนี้ คือ การปรับตัวเร็ว (fast adaptation, channel re-closure) และการปรับตัวช้า (slow adaptation)

แบบจำลองนี้อาศัยเกรเดียนต์ (อัตราความต่าง) ของแคลเซียมที่เกิดขึ้น เมื่อเปิดปิดช่อง MET
การเบนใยเชื่อมปลายในทางบวกจะดึงมัดขนไปทาง stereocilia ที่สูงสุด ซึ่งเปิดช่อง MET
ซึ่งทำให้ Na, K, และ Ca ไหลผ่านได้

นอกจากนั้นแล้ว Ca ยังเข้ายึดกับจุด cytostolic ของช่อง MET ในช่วงสั้น ๆ โดยห่างจากรูของช่องเพียงประมาณแค่ 5 นาโนเมตร
และเพราะว่าใกล้ขนาดนั้น จึงสันนิษฐานว่า สัมพรรคภาพในการยึด (binding affinity) ของ Ca อาจจะค่อนข้างต่ำ
เมื่อแคลเซียมเข้ายึดจุดนี้ ช่อง MET ก็จะเริ่มปิดลง
การปิดช่องจะลดกระแสไฟฟ้าที่กำลังถ่ายโอนและเพิ่มความตึงที่ใยเชื่อมปลาย ทำให้มัดขนกลับไปอยู่ในตำแหน่งลบของตัวเร้า
แต่ว่า การเข้ายึดของแคลเซียมจะมีระยะสั้น เพราะว่า ช่อง MET จะต้องร่วมการขยายเสียงในรอบต่อ ๆ ไป
เมื่อแคลเซียมปล่อยจากที่ยึดแล้ว ระดับแค\เ.รบใก็จะลดลงอย่างรวดเร็ว

เนื่องจากความแตกต่างความเข้มข้นของแคลเซียมที่จุดยึด cytostolic ของช่อง MET เทียบระหว่างเมื่อแคลเซียมเข้ายึดกับเมื่อปล่อยออก เกรเดียนต์ของแคลเซียมจึงเป็นตัวสร้างพลังงานทางเคมี
ดังนั้น การแกว่งกวัดของความเข้มข้นแคลเซียมและการสร้างแรงจึงเป็นตัวสนับสนุนการขยายเสียง
ส่วนระยะเวลาของกลไกนี้อยู่ในระดับร้อย ๆ ไมโครวินาที ซึ่งเป็นความเร็วที่จำเป็นเพื่อขยายเสียงความถี่สูง

เทียบกับแบบจำลองการปรับตัวเร็ว การปรับตัวช้า (slow adaptation) อาศัยโปรตีนมอร์เตอร์ myosin เพื่อเปลี่ยนความแข็งอ่อนของใยเชื่อมปลาย (tip link) ที่เป็นตัวเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าผ่านช่อง

ในขั้นต้น stereocilia จะเบนไปในทางบวกแล้วเปิดช่อง MET ปล่อยให้ไอออน Na, K, และ Ca ไหลเข้ามาได้
กระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าตอนแรกจะเพิ่มแล้วลดลงอย่างรวดเร็วเพราะ myosin จะลดความตึงของใยเชื่อมปลายมีผลเป็นการปิดช่อง
สันนิษฐานว่า ใยเชื่อมปลายยึดอยู่กับมอร์เตอร์ myosin ที่วิ่งขึ้นลงตามใย actin ของ stereocilia
และกระบวนการพอลิเมอไรเซชันของ actin ก็อาจจะมีบทบาทสำคัญในกลไกนี้ เหมือนกับที่มีในการเคลื่อนไหวเองอาศัยไฟฟ้าของ OHC

ยังมีหลักฐานว่า แคลเซียมก็มีบทบาทสำคัญในกลไกนี้
คือ งานศึกษาแสดงว่า เมื่อระดับแคลเซียมนอกเซลล์ลง โปรตีนมอร์เตอร์คือ myosin ก็จะตึงขึ้น ทำให้ช่องเปิด
เมื่อช่องเปิด การไหลเข้าของแคลเซียมก็จะลดความตึงของ myosin ซึ่งทำให้ใยเชื่อมปลายกลับไปสู่สภาพเดิมแล้วปิดช่อง
ซึ่งสันนิษฐานว่า มีเหตุจากแคลเซียมเข้ายึดกับ myosin
โดยระยะเวลาของกลไกนี้อยู่ที่ 10-20 มิลลิวินาที
ซึ่งเป็นค่าเวลาที่ต้องใช้ขยายเสียงความถี่ต่ำ

การอาศัยความตึงแข็ง (ของใยเชื่อมปลาย) และการอาศัยแคลเซียม (ของมอร์เตอร์ myosin) เป็นกลไกป้อนกลับที่สำคัญ
และปฏิกิริยาของ myosin ต่อการเบนของมัดขน ทำให้มันไวต่อการเปลี่ยนตำแหน่งของมัดขนเพียงเล็ก ๆ น้อย ๆ

การเคลื่อนไหวเองอาศัยไฟฟ้าอาศัย prestin ของ OHC มีแรงมากกว่าที่เกิดจากการเบนมัดขน
โดยงานทดลองหนึ่งแสดงว่า somatic motor ทำให้เกิดแรงเป็น 40 เท่าที่เยื่อหุ้มเซลล์ที่ยอด (apical) และ 6 เท่าที่เยื่อฐาน (basilar membrane) มากกว่า hair bundle motor
ความแตกต่างอย่างหนึ่งระหว่างระบบมอร์เตอร์ทั้งสองอย่างนี้ก็คือการเบนขนตรงข้ามกัน
คือ hair bundle motor อาศัยการเบนในทางบวกเพื่อสร้างแรง ในขณะที่ somatic motor อาศัยการเบนตรงกันข้าม

อย่างไรก็ดี ทั้งสองสามารถทำให้เยื่อฐานขยับได้อย่างสำคัญ
ซึ่งช่วยเบนขน IHC และขยายสัญญาณเสียง
คือ แรงกลที่เกิดจากกลไกเหล่านี้จะเพิ่มการเคลื่อนไหวของเยื่อฐาน
ซึ่งก็จะมีอิทธิพลต่อการเบนขนของ IHC
อันเป็นเซลล์ที่เชื่อมกับปลายประสาทนำเข้าที่ส่งสัญญาณเกี่ยวกับเสียงไปยังสมอง