Auditivo2016 [Modo de compatibilidad].pdf

Fisiología celular y molecular del sistema
auditivo
I.
Estructura y función del oído en los
mamíferos.
II.
El órgano de Corti.
III.
Mecanotransducción
IV. Fluidos Cocleares. El potencial
Endococlear. Reciclado del K+.
V.
Membrana Basilar. Tonotopía.
VI. Inervación aferente . Sinapsis en cinta
VII. Desarrollo Inervación. Inervación
eferente transitoria
VIII. El amplificador coclear. El sistema
MOC
Eleonora Katz
FSN 2016
El oído humano
Oído externo
medio
Oído interno
htpp://www.iurc.montp.inserm.fr/cric.audition (promenade around the cochlea)
Vias auditivas ascendentes primarias
Via sensorial reticular
Corteza primaria;
memoria, reconocimiento
e integración de la señal
Cuerpo geniculado medial: integración,
pasaje de la información de frecuencia,
intensidad y binauralidad a la corteza,
respuesta vocal
Colículo inferior: Integración,
localización binaural, detección del
timbre , reflejo de alerta y vestíbuloocular
1-sulcus lateral
2-área temporal
3-corteza auditiva
Oliva superior : LSO, MSO, MNTB:
Núcleo
coclear:
decodifican
localización
del se
sonido
en el espacio
aspectos básicos de la señal como
duración, intensidad y frecuencia
Ganglio espiral: en la cóclea (cuerpos de
las neuronas aferentes que inervan las
IHCs y las OHcs)
La percepcion consciente requiere la integridad de ambos sistemas. Durante el sueño la
via auditiva primaria funciona normalmente,pero no hay percepcion consciente posible
porque la conexión entre las vias reticulares y los centros de motivacion y alerta estan
inactivos.
Hay dos parámetros del sonido relevantes para la audición
Sonido = banda audible del espectro mecánico
Frecuencia (ciclos/seg = Hz)
Amplitud (presión = decibeles)
diferenciación del tono
diferenciación de la intensidad
Se utiliza una escala comparativa y logarítmica
1) I1/I2
el log I1/I2 = bel (como es muy grande se utiliza el bel/10)
Decibel (dB) I1 = 1015 e I2 = 1 10 log (1015/1) = (Log 1015 = 15; Log 1 = 0) =
= 10 x 15. Rango dinámico de la audición es de 150 dB
Si se toman presiones: dB = 20 log p1/p2
Como el decibel es una unidad relativa, para las aplicaciones acústicas se asigna
el valor de 0 dB al umbral de audición del ser humano: p2 = 20 µPA (umbral de
detección de un sinusoide de 1000-4000 Hz para un adulto joven) (SPL)
Tono puro: onda regular
intensidad, período y tiempo
Tonos complejos: la onda está compuesta por una
frecuencia característica (tono) más los armónicos
(timbre). Subir el tono en una octava significa aumentar
2x la frecuencia fundamental
Ruido: no tiene una frecuencia característica
Curva audiométrica para un sujeto
con audición normal
Oído externo
El oído externo funciona como una antena acústica: la aurícula junto
con la cabeza, difractan y focalizan las ondas sonoras, el canal auditivo
funciona como un resonador (al oscilar selecciona ondas de frecuencias
preferenciales)
martillo
yunque
estribo
Oído medio
ADAPTADOR
ENTRE EL AIRE
Y EL MEDIO
LÍQUIDO DEL
OIDO INTERNO
SIN SU
FUNCIÓN EL
98% DE LAS
ONDAS SE
REFLEJARIAN
- (1) Malleus ;
- (2) Malleus ligament ;
- (3) Incus ;
- (4) Incus ligament;
- (5) Stapes muscle (stapedius);
- (6) Stapes footplate;
- (7) Eardrum;
- (8) Eustachian tube;
- (9) Malleus muscle (tensor tympani);
- (10) Nerve (chorda tympani) sectioned.
1. Anterior semicircular canal
2. Ampulla (superior canal)
3. Ampulla (lateral canal)
4. Sacculus
5. Cochlear duct
6. Helicotrema
7. Lateral (horizontal) canal
8. Posterior canal
9. Ampulla (posterior canal)
10. Oval window
11. Round window
12. Vestibular duct (scala vestibuli)
13. Tympanic duct (scala tympani)
14. Utricule
Oído interno
0.5 mm
2 mm
La cóclea
Transformar el estímulo acústico en
una señal eléctrica y resolver ese
estímulo en sus frecuencias
componentes.
1-Inner hair cell
2-Outer hair cells
3-Tunnel of Corti
4-Basilar membrane
5-Reticular lamina
6-Tectorial membrane
7-Deiters' cells
8-Space of Nuel
9-Hensen's cells
10-Inner spiral sulcus
Epitelio sensorial del
oído interno:
El órgano de Corti.
2020µM
µM
Células ciliadas internas (CCI)
3.500
1. Nucleus
2. Stereocilia
3. Cuticular plate
4. Radial afferent ending (dendrite of type I
neuron)
5. Lateral efferent ending
6. Medial efferent ending
7. Spiral afferent ending (dendrite of type II
neuron)
Células ciliadas externas (CCE)
12.000
Mecanotransducción en el órgano de Corti
Estímulos sonoros
Células ciliadas
OHC
IHC
Mecanotransducción
● CCE: 30-100
estereocilias
● 1-6 µm de largo
Células ciliadas
externas
Órgano de corti
>Altura
< Altura
Componentes moleculares de los estereocilios
Los tip-links son fundamentales para la mecanotransducción
Assad et al., 1991
Adaptación
Dos formas de adaptación:
1- Rápida: 1-2 ms (Ca2+)
2- Lenta: 10-100s ms (Ca2+ y
Miosina-1c)
Beurg et al., 2006
Identidad del canal mecanotransductor?
ES UN CANAL CATIONICO
INESPECÍFICO PERO AUN NO HA
SIDO CLONADO
Science Dic. 2004
Fin de la Primera clase
Auditory Transduction (2002) [www.keepvid.com].mp4
Compartimentos y fluidos cocleares
La stria vascularis y el potencial endococlear
Secreción activa de K+
Na+-K+ATPasa
Co-transportador
de Na+-Cl--K+
Canales de K+
Conexinas
1-membrana de Reissner
2-ducto coclear
1- mb de Reissner
3-stria vascularis
2- c.marginales
3- c.basales
4- capilares sanguíneos
Recirculación del K+
Mammano & Ashmore 2008
Potenciales receptores
en las células ciliadas
Transducción del
estímulo sonoro y
actividad en las
dendritas de las
neuronas que
forman el nervio
auditivo
Potencial receptor en las CCIs
Como cambian los potenciales receptores en la CCIs al
aumentar la amplitud del estímulo sonoro
Guinea-pig, intracel. recordings
Russell & Sellick, 1983
Como cambian los potenciales receptores en la CCIs al
aumentar la frecuencia del estímulo sonoro
DC component
AC component
Palmer and Russell, 1986
En la cóclea se discriminan las frecuencias componentes del sonido
Tonotopía
Kandler et al., 2009
Enganche de fase
Independientemente de la amplitud del estímulo, las
neuronas que forman el nervio auditivo siempre disparan
en la misma fase de la onda
Count
Sound wave
Auditory
Nerve
1 ms
0
Fig10: 1kHz stim, spont rate 46/s
0.5
Time (ms)
1.0
Rose et al., 1967
Sintonización de las fibras del nervio auditivo
Kiang et al., 1965
Ruggero, 1992
Patrones de expresión diferenciales de numerosas proteínas y
diferencias en la morfología entre la base y el apex de la cóclea
Mamíferos: órgano de Corti
Review: Zoe F. Mann, Matthew W. Kelley 2011
En los mamíferos, la longitud de las OHCs varía a lo
largo de la cóclea en forma consistente con las
propiedades de la membrana basilar cada región
El acople mecánico entre las OHCs y las células de soporte
también varía desde la base al apex de la cóclea
Cochlear animation [www.keepvid.com].mp4
Innervación del órgano de Corti
1. IHCs have 95% of afferent
glutaminergic synapses
(blue).
2. IHC afferents are contacted
by lateral efferent synapses
that originate in the
brainstem (pink).
3. OHCs have 5 % of afferent
synapses; their function is
unknown (green).
4. OHCs have efferent
cholinergic (ACh-activated
synapses (red).
Stephan Blatrix
Inervación Aferente
Fuchs, Glowatzki and Moser, 2003
Rutherford 2015
Proteínas involucradas en liberación vesicular en
sinápsis del SNC
Proteínas involucradas en liberación vesicular en
la sinápsis en cinta
Synaptophysin
Synapsin
Synaptotagmin I
Synaptotagmin II
Safieddine & Wenthold, 1999
Otoferlina: candidato a sensor de Ca2+ para la
exocitosis en las CCI
ABR : P30 mice at 20–100 dB SPL of broadband clicks.
Roux et al., 2006
Otras proteínas asociadas a la “ribbon”
Nouvian et al., 2006
Nouvian et al., 2011
Transmitter release at the hair cell
ribbon synapse. Elisabeth Glowatzki and
Paul A. Fuchs 2002
La liberación es multivesicular y mediada por receptores de glutamato de tipo AMPA
Doble patch para estudiar exocitosis en la sinapsis
aferente de las CCI
Goutman & Glowatzki, 2007
La adaptación que se observa en el nervio auditivo se debe a
adaptación en la transmisión sináptica
Respuestas del nervio auditivo
Adaptación
Función Tasa disparo-Intensidad
Taberner &Liberman 2005
Fibras aferentes de tipo II
Se requiere la activación
de 6 OHCs para producir
un potencial de acción en
la fibra aferente de tipo II
Weisz et al., 2009; 2014
Algunos factores importantes en la transmisión
sináptica en las CCI:
1) Canales de Ca2+ tipo L, de baja inactivación, bajo umbral
2) Sensor de Ca2+, otoferlina candidato
3) Dependencia lineal de la liberación del NT con el Ca2+
4) Ribbon
5) Localización de vesículas, su disponibilidad
6) Liberación multivesicular, mecanismo desconocido, no
necesariamente igual en todas las sinapsis en cinta
7) Receptores postsinápticos de glutamato, GluR2/3, 4, NMDA?
Inervación eferente
La transducción sonora es modulada por
una inervación eferente olivococlear que
va desde el SNC hacia la cóclea.
MOC
Warr & Guinan 1979
LOC
Desde el nacimiento hasta
P12 (comienzo de la audición
en ratas y ratones), las IHC
son también inervadas por el
sistema MOC.
El sistema MOC es inhibitorio
Sinapsis transitoria MOC-IHC
La estimulación de las fibras
Antes del comienzo de la
eferentes MOC reduce la
audición las IHCs disparan
frecuencia de2+PAs. Se postula que
PAs de Ca espontáneos
estaría regulando la actividad y el
que promueven la liberación
correcto establecimiento de la vía
de glutamato en la primer
auditiva durante el desarrollo.
sinapsis del sistema auditivo
Stimulation of MOC fibers
Beutner y Moser 2001
Goutman et al., 2005
Glowatzki & Fuchs 2000
En P9-11
Vm = -40 mV
La sinapsis MOC-IHC
es funcional desde P0
hasta P13-14
Glowatzki & Fuchs, Science 2000; Elgoyhen et al., PNAS 2001; Katz et al., J. Neurosci 2004; GomezCasatti et al., J. Physiol 2005; Goutman et al., J. Physiol 2005; Zorrilla de San Martín et al., J.
Neurosci, 2010; Roux et al., J. Neurosci 2011; Katz, Elgoyhen & Fuchs, 2011; Wedemeyer et al., J.
Neurosci, 2013; Fuchs , 2014; Katz & Elgoyhen, Frontiers in Neurosci 2014;
Electromotilidad (Brownell, 1985)
Vibración de la membrana basilar al ser estimulada
por un tono puro de 10 Hz
Amplificación o
aumento de la
ganancia del sistema
y sintonización fina
No es bloqueada por venenos metabólicos
No requiere ATP
No es un mecanismo basado en movimientos de actina ni
de microtúbulos
Q10 1.3-1.5 (difusión)
Depende el Vm y no de la corriente (remplazan iones y
ven que la I cambia pero sigue habiendo cambio de
longitud que se mantiene en tanto se mantenga ese Vm).
La amplificación y la sintonización son dependientes de la amplitud del
estímulo y de la frecuencia, siendo máximas para la CF.
CF = 18 kHz
Ganancia: desplazamiento de BM/desplazamiento del estribo
Electromotilidad y Estructura de las CCEs
Microscopía de Transmisión Electrónica
100 nM
Microscopía de Fuerza Atómica
Trama subcortical
Actina
Espectrina
Cisternas de RE
Se postuló que tendría que existir una
proteína motora sensible al voltaje
2000
Cambios de longitud de la CCE en función del voltaje
Se cuantifican los cambios de longitud de la
célula en función de los cambios de voltaje
He et al., 1997
La electromotilidad se puede medir también como
cambios en la capacitancia en función del voltaje (CNL)
Ashmore 2008
Dallos & Fakler 2002 review
2000
2001
Ashmore 2009
La prestina es un transportador de aniones de la familia SLC26A5
Ashmore 2009
Hay 2 mecanismos
propuestos para la
amplificación sonora:
electromotilidad somática
de las OHCs y fuerza
generada por los cilios
Hackney y Fettiplace 2006
Respuesta de la MB a estimulación acústica en 17 KHz (CF).
Las respuestas están
normalizadas a la respuesta
pasiva máxima
Ashmore 2010
Amplificación y sintonización fina
XBm = desplazamientos de la membrana basilar
XHB = flexión del haz de cilios
fHB= fuerza generada por los cilios debida al gating del mecanotransductor
VOHC = cambio de voltaje en las OHCs
fOHC = fuerza producida por el movimiento de las OHCs
VTM/RL = velocidad relativa de los cilios de las IHCs entre la mb tectorial y la lamina reticular
ABRs y Eos y DPOAES
En el año 2002 generan un ratón knock-out
de prestina
Mediciones in vivo
En el año 2008 generan un ratón con una modificación
que anula la función de la prestina pero no su expresión
V499G/Y501H
499 o Ki
Registros con la técnica de “patch-clamp” en el modo “whole cell
recording” en células ciliadas de las vueltas medio-apicales de la cóclea
OHCs
sIPSC
eIPSC
Vhold= -90mV
Vhold= -40mV
I. The biophysical and pharmacological profile of electrically evoked IPSCs
in OHCs is consistent with α9α
α10 nAChR + SK2 channel activation.
I (pA)
X
X
I (pA)
Time (ms)
Time (ms)
Time (ms)
II. The MOC-OHC synapse has a low quantal content
Quantum content (m) = average number of vesicles released per AP
sIPSCs
1 Hz - eIPSCs
Results
III. The MOC-OHC synapse presents paired pulse facilitation.
25 ms
50 ms
I (pA)
10 ms
Time (s)
S2
S1
100 ms
VI. Relative contribution of facilitation and summation during high frequency
activity of MOC fibers.
Summation:
Constant P
Summation &
Facilitation:
Variable P
Experimental
data
oWe show that the strength of OHC inhibition changes with the frequency
of MOC activation within their physiological firing range.
oWe propose that short-term plasticity at the MOC-OHC synapse
constitutes a mechanism by which OHCs encode MOC firing frequency to
adjust the sensitivity of the auditory periphery.
Brown 1998
Corrientes sinápticas prolongadas