有毛細胞

有毛細胞
コルチ器官の断面。拡大図。(上部近くに「外有毛細胞」のラベル、中央近くに「内有毛細胞」のラベル)。
蝸牛の断面。内有毛細胞は「内有毛細胞神経」の終点に位置し、外有毛細胞は「外有毛細胞神経」の終点に位置します。
詳細
位置	蝸牛
形	ユニーク（本文参照）
関数	音波を増幅し、聴覚情報を脳幹に伝達する
神経伝達物質	グルタミン酸
シナプス前結合	なし
シナプス後結合	聴神経を経由して前庭蝸牛神経を経て下丘に至る
識別子
ニューロレックスID	sao1582628662、sao429277527
神経解剖学の解剖用語 [Wikidataで編集]

有毛細胞は、すべての脊椎動物の耳と魚類の側線器官にある聴覚系と前庭系の両方の感覚受容器です。機械伝達を介して、有毛細胞は周囲の動きを感知します。^[1]

哺乳類では、聴覚有毛細胞は内耳の蝸牛にある薄い基底膜の上にあるコルチ器官内にあります。有毛細胞の名前は、細胞の頂端面から液体で満たされた蝸牛管に突き出ている、毛束と呼ばれるステレオシリアの房に由来しています。ステレオシリアは各細胞に50～100個あり、密集しており^{[2] 、}運動繊毛から遠ざかるほどサイズが小さくなります。^[3]

哺乳類の蝸牛有毛細胞には、外有毛細胞と内有毛細胞という解剖学的にも機能的にも異なる2つのタイプがある。これらの有毛細胞が損傷すると聴覚感度が低下し、内耳の有毛細胞は再生できないため、この損傷は永久的である。^[4]有毛細胞が損傷すると前庭系が損傷し、バランスをとるのが難しくなる。しかし、よく研究されているゼブラフィッシュや鳥類などの他の脊椎動物には再生可能な有毛細胞がある。^{[5] [6]} ヒトの蝸牛には出生時に約3,500個の内有毛細胞と12,000個の外有毛細胞が含まれている。^[7]

外耳道は蝸牛に入る低レベルの音を機械的に増幅する。^{[8] [9]}増幅は毛束の動きによって行われる場合もあれば、細胞体の電気的運動によって行われる場合もある。このいわゆる体性電気運動は、すべての四肢動物において音を増幅する。これは毛束の先端にある機械的感覚イオンチャネルの閉鎖機構の影響を受ける。^[要出典]

内有毛細胞は蝸牛液中の音の振動を電気信号に変換し、それが聴神経を介して聴性脳幹と聴覚皮質に伝えられます。

有毛細胞のステレオシリアが偏向すると、機械的に制御される イオンチャネルが開き、小さな正に帯電したイオン（主にカリウムとカルシウム）が細胞内に入ることができます。^[10]他の多くの電気的に活性な細胞とは異なり、有毛細胞自体は活動電位を発しません。代わりに、中央階の内リンパからの正イオンの流入により細胞が脱分極し、受容体電位が発生します。この受容体電位により、電位依存性カルシウムチャネルが開き、カルシウムイオンが細胞内に入り、細胞の基底端で神経伝達物質の放出を引き起こします。神経伝達物質は、有毛細胞と神経末端の間の狭い空間に拡散し、そこで受容体に結合して神経の活動電位を引き起こします。このようにして、機械的な音信号が電気的な神経信号に変換されます。有毛細胞の再分極は特別な方法で行われます。鼓室階の外リンパには、正イオンの濃度が非常に低くなっています。電気化学勾配により、陽イオンはチャネルを通って外リンパに流れます。

有毛細胞は慢性的にCa2+を漏出する^。この漏出により、シナプスへの神経伝達物質の持続放出が起こる。この持続放出により、有毛細胞は機械的刺激に対して非常に迅速に反応できると考えられている。有毛細胞の反応が速いのは、膜電位のわずか100μVの変化に反応して神経伝達物質の放出量を増加させることができるためである可能性もある。^[11]

有毛細胞は、2つの方法のいずれかで音の周波数を区別することもできます。最初の方法は、非哺乳類にのみ見られ、有毛細胞の基底外側膜の電気共鳴を使用します。この方法の電気共鳴は、印加された電流パルスに反応する膜電位の減衰振動として現れます。2番目の方法は、基底膜の音調的差異を使用します。この差異は、有毛細胞の位置の違いから生じます。高周波共鳴を持つ有毛細胞は基底端に位置し、著しく低い周波数共鳴を持つ有毛細胞は上皮の先端端にあります。^[12]

哺乳類の外有毛細胞では、変化する受容器電位が細胞体の能動振動に変換されます。電気信号に対するこの機械的反応は体性電気運動と呼ばれます。^[13] これは細胞の長さの変化を駆動し、入ってくる音信号に同期し、進行波へのフィードバックによって機械的増幅を提供します。^[14]

外有毛細胞は哺乳類にのみ存在します。哺乳類の聴覚感度は他のクラスの脊椎動物と似ていますが、外有毛細胞が機能しないと、感度は約 50 dB 低下します。^[15]外有毛細胞は、一部の海洋哺乳類の聴覚範囲を約 200 kHz まで拡張します。^[16]また、外有毛細胞は周波数選択性 (周波数弁別性) も向上させており、これは人間にとって特に有益であり、洗練された会話や音楽を可能にします。外有毛細胞は、細胞内の ATP が枯渇した後でも機能します。^[13]

このシステムの効果は、大きな音よりも静かな音を非線形に増幅し、広範囲の音圧をはるかに狭い範囲の毛髪変位にまで低減できることです。^{[17]この増幅特性は}蝸牛増幅器と呼ばれています。

有毛細胞の分子生物学は近年大きな進歩を遂げており、外有毛細胞の体細胞電気運動の基礎となるモータータンパク質（プレスチン）が特定されました。プレスチンの機能は塩素イオンチャネルシグナルに依存しており、一般的な海洋殺虫剤トリブチルスズによって阻害されることが示されています。このクラスの汚染物質は食物連鎖の上位に濃縮されるため、シャチやハクジラなどの海洋の頂点捕食者ではその影響が顕著です。^[18]

カルシウムイオンの流入は、有毛細胞が信号の増幅に適応する上で重要な役割を果たします。これにより、人間はもはや目新しいものではない一定の音を無視し、周囲の他の変化に敏感になることができます。重要な適応メカニズムは、モータータンパク質ミオシン-1cから生まれます。これは、ゆっくりとした適応を可能にし、伝達チャネルを敏感にする張力を提供し、シグナル伝達装置にも関与します。^{[19] [ 20]}最近の研究では、カルシウム感受性のカルモジュリンとミオシン-1cの結合が、適応モーターと伝達装置の他のコンポーネントとの相互作用を実際に調整できることが示されています。^{[21] [22]}

高速適応：高速適応の間、開いたMETチャネルを通ってステレオ繊毛に入ったCa ²⁺イオンは、チャネル上またはその近くの部位に急速に結合し、チャネルの閉鎖を誘発します。チャネルが閉じると、先端リンクの張力が高まり、束を反対方向に引っ張ります。^[19]高速適応は、前庭細胞よりも、音や聴覚を感知する有毛細胞でより顕著です。

緩やかな適応：支配的なモデルでは、緩やかな適応は、束の移動中に張力が上昇したことに反応してミオシン1cがステレオ繊毛を滑り落ちるときに起こると示唆されている。^[19]結果として先端リンクの張力が低下し、束は反対方向にさらに移動できるようになる。張力が減少すると、チャネルが閉じ、変換電流が減少します。^[19]緩やかな適応は、空間移動を感知する前庭有毛細胞で最も顕著であり、聴覚信号を検出する蝸牛有毛細胞ではそれほど顕著ではない。^[20]

聴神経または前庭蝸牛神経（第8脳神経）のニューロンは、蝸牛と前庭の有毛細胞を支配します。^{[23]有毛細胞から放出され、}求心性（脳に向かう）ニューロン の末梢軸索の末端神経突起を刺激する神経伝達物質は、グルタミン酸であると考えられています。シナプス前接合部には、明確なシナプス前緻密体またはリボンがあります。この緻密体はシナプス小胞に囲まれており、神経伝達物質の急速な放出を助けると考えられています。

内有毛細胞に対する神経線維支配は、外有毛細胞に対する神経線維支配よりはるかに密です。1 つの内有毛細胞は多数の神経線維によって支配されますが、1 つの神経線維は多数の外有毛細胞を支配します。内有毛細胞の神経線維は髄鞘化が非常に進んでおり、髄鞘化していない外有毛細胞の神経線維とは対照的です。特定の求心性神経線維への入力を供給する基底膜の領域は、その受容野と考えることができます。

脳から蝸牛への遠心性投射も音の知覚に関与しています。遠心性シナプスは外有毛細胞と内有毛細胞の下の求心性軸索に発生します。シナプス前終末部は、アセチルコリンとカルシトニン遺伝子関連ペプチドと呼ばれる神経ペプチドを含む小胞で満たされています。これらの化合物の効果はさまざまで、一部の有毛細胞ではアセチルコリンが細胞を過分極させ、蝸牛の感度を局所的に低下させます。

蝸牛細胞の再生に関する研究は、聴力を回復させる医療につながる可能性がある。鳥類や魚類とは異なり、人間や他の哺乳類は、音を神経信号に変換する内耳の細胞が加齢や病気によって損傷した場合、一般的にその細胞を再生することができない。^{[6] [24]}研究者らは、 損傷した細胞の再生を可能にする可能性のある遺伝子治療や幹細胞治療の進歩を遂げている。鳥類や魚類の聴覚系および前庭系の有毛細胞は再生することがわかっているため、その能力は長らく研究されてきた。^{[6] [25]}さらに、機械変換機能を持ち、無羊膜類に見られる側線有毛細胞は、ゼブラフィッシュなどの種で再生することが示されている。^[26]

研究者らは、成人の蝸牛有毛細胞の再生を阻害する分子スイッチとして通常機能する哺乳類遺伝子を特定した。 ^[27] Rb1遺伝子は、腫瘍抑制因子である網膜芽細胞腫タンパク質をコードする。Rbは細胞周期からの離脱を促すことで細胞の分裂を止める。^{[28] [29]} Rb1遺伝子を削除すると培養皿の有毛細胞が再生するだけでなく、遺伝子を欠くように飼育されたマウスは、遺伝子を持つ対照マウスよりも多くの有毛細胞を成長させる。さらに、ソニックヘッジホッグタンパク質は網膜芽細胞腫タンパク質の活動を阻害し、それによって細胞周期の再進入と新しい細胞の再生を誘導することが示された。^[30]

ガンマセクレターゼ阻害剤LY3056480を含むいくつかのNotchシグナル伝達経路阻害剤は、蝸牛の有毛細胞を再生する潜在能力について研究されている。^{[31] [32]}

TBX2（Tボックス転写因子2）は、内耳と外耳の分化におけるマスターレギュレーターであることが示されています。 ^[33]この発見により、研究者は有毛細胞を内耳または外耳のいずれかに発達させるように指示することができ、死んだ有耳細胞を置き換え、難聴を予防または回復させるのに役立つ可能性があります。^{[34] [35]}

細胞周期阻害剤p27kip1（CDKN1B）も、遺伝子の欠失またはp27を標的としたsiRNAによるノックダウン後にマウスの蝸牛有毛細胞の再生を促進することがわかっています。^{[36] [37]有毛細胞の再生に関する研究は、有毛細胞の損傷または死によって引き起こされるヒトの}難聴の臨床治療に近づく可能性があります。

• 成人の体内の異なる細胞タイプのリスト

• 
  網状板とその下の構造。
• 
  カエルの内耳の立体毛

• Coffin A、Kelley M、Manley GA、Popper AN (2004)。「感覚有毛細胞の進化」。Manley 他 (編) 『脊椎動物の聴覚システムの進化』 pp. 55–94。
• Fettiplace R、 Hackney CM (2006)。「聴覚有毛細胞の感覚と運動の役割」。 ネイチャーレビュー。神経科学。7 ( 1): 19–29。doi :10.1038/nrn1828。PMID 16371947。S2CID 10155096  。
• カンデル ER、シュワルツ JH、ジェッセル TM (2000)。神経科学の原理(第 4 版)。ニューヨーク：マグロウヒル。 590–594ページ。ISBN 0-8385-7701-6。
• Manley GA、Popper AN、Fay RR (2004)。脊椎動物の聴覚系の進化。ニューヨーク：Springer- Verlag。ISBN 0-387-21093-8。
• Manley GA (2004)。「脊椎動物の聴覚系の進化に関する研究の進歩と展望」。Manley 他編『脊椎動物の聴覚系の進化』 360～368 ページ。
• Rabbitt RD、 Boyle R、Highstein SM (2010 年 2 月 1 ～ 5日)。「三半規管における有毛細胞による機械的増幅」。 米国科学アカデミー紀要。107 (8): 3864–3869。Bibcode :2010PNAS..107.3864R。doi : 10.1073 / pnas.0906765107。PMC 2840494。PMID 20133682。 
  • 「内蔵アンプ：微妙な頭の動きや静かな音が脳に伝えられる仕組み」Medical Xpress、2010年2月9日。
• Breneman KD、Brownell WE、Rabbitt RD (2009 年 4 月 22 日)。Brezina V (編)。 「有毛細胞束: 内耳のフレキソエレクトリックモーター」。PLOS ONE。4 ( 4 ): e5201。Bibcode : 2009PLoSO  ... 4.5201B。doi : 10.1371/journal.pone.0005201。PMC 2668172。PMID 19384413。 
  • 「聴覚のパワーステアリング: 耳には音を増幅する小さな「フレキソエレクトリック」モーターが搭載されている」。Phys.org (プレス リリース)。2009 年 4 月 22 日。

ウィキメディア・コモンズには、有毛細胞に関連するメディアがあります。

• 聴覚の分子的基礎
• 外有毛細胞が「24時間ロック」を踊る
• 踊るOHCビデオ イェール耳研究所
• NIF 検索 – 有毛細胞 2016-03-03 にWayback Machineでアーカイブされました(Neuroscience Information Framework経由)
• ヘアチューニングサウンドセンサー 2021-08-26にWayback MachineでアーカイブされましたSMMEE、IIT Roparの学生によるヘアチューニングに基づくサウンドセンサーの最近の開発に関する簡潔なレポート