声波到大脑信号:识别闸门弹簧

我们的耳朵的内部工作已经很好地理解了一段时间，但研究人员之间仍然存在重大辩论，这些研究人员如何将声学振动转化为电脑信号。在他的研究中，通过研究用电激发细胞在内耳中连接微小的振动毛发的蛋白质来讨论洛克菲勒大学博士在洛克菲勒大学揭示了新的光线。他的作品已经回答了关于这些春片状蛋白质的刚度的长期问题，并且表明分子中的突变可以改变它们的机械性能。

无论我们站在地球表面，我们的周围环境都会是丰富的声音景观。声音行进是因为振动空气分子在持续的链反应中诱导其相邻分子中的振动。几乎不可避免地，我们的身体已经进化以充分利用这些复杂的声学模式，现在他们是我们用来互相通信的系统的基本部分。正如Hudspeth博士解释所示，声波所代表的各种频率和幅度都需要一些复杂的复杂解剖学来捕获。“当声音冲击外耳时，相关机械信号穿过中耳的微小骨骼，进入卷曲的耳蜗，”他说。“然后振动波沿着耳蜗传播，并且在由原始声音中存在的频率确定的位置处的峰值传播。”

与我们的其他感觉器官不同，我们的耳朵不会直接将刺激转化为我们认为声音的电脑信号。在那之前，在内耳内发生进一步的过程，由名为“立体纤维”的小毛发驱动。通过与耳蜗的复杂振动相互作用，立体纤胺最终可以诱导大脑中的信号。

“耳蜗的振动被内耳的感觉毛细胞捕捉，”Hudspeth博士继续说道。“每个毛细胞上面都有一束头发，由多达几百根被称为静纤毛的垂直束组成。当毛束振动时，机械感应通道打开;随后的电流刺激毛细胞，导致突触传递素的释放。源自相关神经纤维的动作电位传播到大脑，并唤起声音的感觉。”解剖学家了解这些受体细胞的作用已经有一段时间了，但由于这些结构如此复杂，发挥着如此复杂的作用，它们是如何工作的仍然是个谜。

识别选门弹簧
从声波到脑信号的翻译中仍然很差的脑信号的一步涉及与它们相应的机械敏感通道连接立体区域的微小结构。正如Hudspeth博士所描述的那样，“早期的实验表明，每个通道通过”门控弹簧“打开，弹性元件传送到通道的发射束的位移。”

在设计常规弹簧时，工程师必须考虑在使用过程中可能遇到的各种因素，以确定所需的弹簧刚度。例如，汽车的悬架弹簧如果太柔韧，在颠簸的道路上行驶时就会造成无法控制的弹跳，但如果太硬，则几乎不会使行驶变得柔软。相比之下，如果闸门弹簧对发束振动响应太大或响应不够灵敏，那么它将毫无用处;每一种情况都意味着我们对声音的感知与耳朵听到的震动并不一致。

“An appropriate stiffness of the gating spring would permit the discrimination of different sound amplitudes: if the spring were too stiff, however, then a faint sound would elicit the same response as a loud one, opening all of a cell’s channels,” explains Dr Hudspeth. “Although a structure named the ‘tip link’ – a fine protein filament connecting the top of each stereocilium to an adjacent one – might be the gating spring, its physical characteristics have remained controversial.”

围绕这一尖端连接假说的争论起因于使用电子显微镜和晶体学等技术的研究表明，这些蛋白质远比它们作为有效闸门所需的更硬。在他们的研究中，Hudspeth博士和他的同事们——尤其是博士后研究员Tobias Bartsch博士——旨在通过首次详细探索尖端连接的分子尺度特性，揭示闸门弹簧的特性和运作机制。

门控弹簧的适当刚度将允许辨别不同的声音幅度。

刺激尖端链接
Hudspeth博士的团队面临的第一个主要挑战是尖端链接的内在复杂性;由于这些结构是在单个分子的规模上，直接探测它们以确定它们的性质是非常困难的。研究人员在2016年的一项研究中解决了这个问题，他们用DNA链设计了系绳，用高磁性珠把牛蛙耳朵的尖端连接起来。然后，他们可以通过将珠子置于强磁场中对尖端连接施加机械力。

此设置允许Hudspeth博士和同事刻意测试尖端链路经历的机械力的差异转换为电信号的差异。该实验首次证实了尖端链路中的张力确实负责打开机械敏感通道。通过这些实验基础，研究人员可以详细探讨尖端链路的性质，允许它们确认尖端链路是否是门控弹簧。

可协调的刚度
在他最新的研究中，Hudspeth博士利用命名激光镊子的尖端技术，或者光学陷阱，其可以使用高度聚焦的激光束来抓住单个分子，包括尖端链路蛋白。“使用高精度的光学陷阱，我们已经证明了尖端链路蛋白的机械性能符合各个浇口弹簧体内，“他描述了。在2019年的研究中，哈德斯佩斯博士的团队对个人单体的作用进行了特别重要的发现，这是作为尖端链路的构建块的作用。

我们已经证明了顶端连接蛋白的力学性质与门控弹簧的力学性质一致体内．

事实上，尖端连接是由两种特殊的二聚体蛋白组成，分别叫做原cadherin 15和cadherin 23。在使用光学陷阱探测了前一种蛋白质的单体后，研究人员发现这种蛋白质作为一种远比其分子结构所暗示的更柔软的弹簧。他们得出结论，这是因为蛋白质是“熵”的，意思是随着时间的推移，它倾向于从有序状态变为无序状态。在这种情况下，熵变发生了，因为尖端连接蛋白可以聚集成一个复杂的扭结模式，可以以多种不同的方式拉直。因此，尖端连杆的机械性能，包括它的刚度，将取决于所施加的力纠正蛋白质紊乱的程度。

此外，Hudspeth和同事博士发现尖端链路的展开行为在尖端链路中的张力和钙离子的周围浓度影响。当这些因素变化时，蛋白质将以不同的方式展开，这意味着它们对机械性能直接影响，因此对尖端连杆的总刚度。总的来说，这表明尖端连杆确实可能是门控弹簧的重要部分，因为它的机械性能可以通过张力和通过钙离子浓度自然调谐。

提高我们对听力的理解
Hudspeth博士和他的同事们的发现代表着我们对内耳复杂工作机制的理解取得了重大进展。特别是，他们的工作代表了将耳聋与尖端连接蛋白的某些缺陷联系起来的进展——这是医学研究人员广泛期待的见解。Hudspeth博士总结道:“我们还发现，与耳聋相关的蛋白质突变会导致蛋白质展开异常，这种不稳定性可能是导致听力损失的原因。”总的来说，他的发现让研究人员更接近于填补我们对闸门弹簧在将声波振动转化为我们对声音的有意识感知中所扮演的角色的知识差距。