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内耳对速度有需求

利心震
导读 允许我们走路、跳舞和转动头部而不会头晕或失去平衡的感觉器官包含专门的突触,其处理信号的速度比任何其他人体都快。在一项超过15年的发现

允许我们走路、跳舞和转动头部而不会头晕或失去平衡的感觉器官包含专门的突触,其处理信号的速度比任何其他人体都快。

在一项超过15年的发现中,来自几个机构的一小群神经科学家,物理学家和工程师已经解开了突触的机制,为研究铺平了道路,这些研究可以改善眩晕和平衡障碍的治疗,这些疾病影响多达三分之一的美国人超过1岁。

发表在《美国国家科学院院刊》上的这项新研究描述了“前庭毛细胞 - 花萼突触”的工作原理,这些突触存在于最内侧的耳朵器官中,可以感知头部位置和不同方向的运动。

“没有人完全理解这种突触怎么会如此之快,但我们已经揭示了这个谜团,”莱斯大学生物工程师Rob Raphael说,他与芝加哥大学的Ruth Anne Eatock,伊利诺伊大学的Anna Lysakowski,现任莱斯研究生Aravind Chenrayan Govindaraju和前莱斯研究生Imran Quraishi共同撰写了这项研究。 现为耶鲁大学助理教授。

突触是神经元可以相互传递信息和其他身体部位的生物连接点。

人体包含数千万亿个突触,几乎所有突触都通过量子传递共享信息,这是一种通过神经递质传递的化学信号形式,至少需要0.5毫秒才能通过突触发送信息。

先前的实验表明,更快的“非定量”传递发生在前庭毛细胞 - 花萼突触中,其中运动感应前庭毛细胞遇到直接连接到大脑的传入神经元。这项新研究解释了这些突触是如何如此迅速地运作的。

在每个中,一个信号接收神经元用称为花萼的大杯状结构包围其伴侣毛细胞的末端。花萼和毛细胞仍然被一个微小的缝隙或裂缝隔开,尺寸仅为几十亿分之一米。

“前庭花萼是大自然的奇迹,”Lysakowski说。“它的大杯形结构是整个神经系统中唯一的。结构和功能密切相关,大自然为产生这种结构投入了大量精力。长期以来,我们一直在努力找出它的特殊目的。

作者创建了第一个计算模型,能够定量描述来自毛细胞及其相关花萼中表达的离子通道的信号跨越这个纳米级间隙的非定量传输。模拟非定量传递使研究小组能够研究整个突触裂中发生的事情,突触裂在前庭突触中比其他突触更广泛。

“这种机制被证明是非常微妙的,动态相互作用产生了非量子传输的快速和缓慢形式,”Raphael说。“为了理解这一切,我们根据突触的详细解剖学和生理学制作了突触的生物物理模型。

内耳建模机制

该模型模拟花萼对机械和电刺激的电压响应,跟踪钾离子通过从突触前毛细胞到突触后花萼的低压激活离子通道的流动。

拉斐尔说,该模型准确地预测了突触间隙中钾的变化,提供了关于电势变化的关键新见解,这些电势变化是非定量传递快速分量的原因;解释了单独的非定量传递如何触发突触后神经元中的动作电位,并展示了快速和慢速传递如何取决于毛细胞上花萼形成的紧密而广泛的杯子。

Eatock说:“关键能力是预测裂隙内每个位置的钾水平和电势。这使得团队能够说明非定量传输的大小和速度取决于花萼的新结构。这项研究证明了工程方法阐明基本生物学机制的力量,这是生物工程研究的重要但有时被忽视的目标之一。

Quraishi 在 2000 年代中期开始构建模型并与 Eatock 合作,当时他是拉斐尔研究小组的研究生,她在贝勒医学院任教,距离休斯顿德克萨斯医疗中心的赖斯仅几个街区。

他的第一个模型版本捕获了重要的突触特征。不过,他表示,“我们对构成模型的特定钾通道和其他成分的了解太有限,无法声称它是完全准确的。

从那时起,Eatock,Lysakowski和其他人发现了花萼中的离子通道,这改变了科学家对离子电流如何流过毛细胞和花萼膜的理解。

Qurashi说,“未完成的工作压在了我身上”,当应用物理学博士生Govindaraju加入Raphael的实验室并于2018年恢复该模型的工作时,他既松了一口气,又感到兴奋。

“当我开始这个项目时,更多的数据支持非定量传输,”Govindaraju说。“但机制,特别是快速传播的机制,尚不清楚。建立该模型使我们能够更好地了解不同离子通道的相互作用和目的,花萼结构以及突触裂隙中钾和电势的动态变化。

拉斐尔说:“我最早的资助之一是开发内耳离子传输模型。实现复杂生理过程的统一数学模型总是令人满意的。在过去的30年里,自从最初观察到非量子传递以来,科学家们一直在想,“为什么这个突触这么快?”以及“传播速度是否与独特的花萼结构有关?”我们已经为这两个问题提供了答案。

他说,花萼的结构和功能之间的联系“是进化如何推动形态专业化的一个例子。一个令人信服的论点是,一旦动物从海中出现并开始在陆地上移动,在树上摆动和飞行,对前庭系统的需求就会增加,以快速告知大脑头部在空间中的位置。这时,花萼出现了。

Raphael说,该模型为更深入地探索前庭突触中的信息处理打开了大门,包括研究量子和非定量传递之间的独特相互作用。

他说,对于研究神经系统其他部位电传输的研究人员来说,该模型也可能是一个强大的工具,他希望它能帮助那些设计前庭植入物的人。这些神经修复装置可以恢复那些失去平衡的人的功能。