《PNAS》每个人的听力不一样，科学家解析感觉细胞和神经元如何编码声音

　　

耳朵里的感觉细胞和神经元通过分泌神经递质来响应声音刺激进行交流。哥根廷大学医学中心、卓越多尺度生物成像集群和马克斯普朗克多学科科学研究所的科学家描述了这一过程的新细节，该过程调节神经递质的释放，从而控制声音刺激的传播。这项工作的结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

我们的神经系统包含大约1000亿个神经细胞，它们通过大约100万亿个接触点相互交流，这些接触点被称为突触。通讯是通过信使物质进行的，它允许在感觉细胞和神经元之间传递信息。这些信使物质使我们能够处理环境刺激、学习和控制我们的行为。

它们在听觉过程中对声音信息的传递也起着基础性的作用，并可能成为听力障碍的原因。这类疾病非常常见:根据世界卫生组织(WHO)的数据，约有4.66亿人(约占世界人口的5%)患有致残性听力损失。了解听力的基本过程是未来发展更好的治疗听力损失方法的重要前提。

科学家Lina博士María Jaime Tobón和部门主任Tobias Moser教授博士，他们都在大学医学中心（UMG)听觉神经科学研究所工作，在卓越集群“多尺度生物成像:“从分子机器到可兴奋细胞网络”(MBExC)，以及马克斯普朗克多学科科学研究所(MPI-NAT)的研究人员，现在已经研究了内耳感觉毛细胞和听神经神经元之间的突触。

在这些突触中，传入的声音信息被转换成神经元信号，准确地将感知到的声音传递给大脑。利用Erwin Neher和Bert Sakmann在首创的膜片钳技术，首次对听力正常的小鼠内耳中的单个突触进行了分析。这种方法使“观察”声音编码的过程成为可能。

科学家们工作的主要焦点是突触如何将神经递质谷氨酸的释放与声音刺激结合起来。谷氨酸参与了感觉细胞和神经细胞之间的刺激传递。

在感觉细胞内，谷氨酸通过“囊泡”运输到突触。传入的声音激活突触上的钙通道，钙离子通过这些通道进入细胞并触发谷氨酸的释放。结果显示了谷氨酸释放是如何随着刺激强度的增加而增加的，即“声音信号”是如何转化为“谷氨酸信号”的，以及钙通道在这一转化过程中所起的作用。这个过程中的主要参与者是钙通道、钙离子和突触囊泡，它们显然距离通道只有百万分之几毫米远。

详细研究成果

在听觉中，声波从外耳传到鼓膜，导致中耳的小听骨振动。这些振动最终刺激内耳耳蜗的感觉毛细胞。毛细胞将机械刺激转化为电活动，并将其传递给听神经。当听到更大的声音时，细胞的电位变化更大。

在突触中，电位的变化激活了钙离子通道，钙离子通道随后允许钙离子进入细胞。信使物质，如谷氨酸在囊泡中被运送到突触。钙离子通过钙通道进入细胞，进而导致谷氨酸从囊泡释放到毛细胞和神经细胞之间的空隙中。谷氨酸现在可以激活听觉神经的对立神经纤维，它将声音信息以神经冲动的形式传递给大脑。

在他们的研究中，科学家调查了细胞放电如何激活单个突触释放神经递质的问题。结果表明，钙通道和囊泡始终是一个功能单元。每个位于囊泡上的钙传感器，确保信使物质的释放，在信使物质最终被送到邻近的听神经神经细胞之前，显然必须结合四个钙离子。

“这是我们第一次能够以最高的时间分辨率研究单个毛细胞突触中钙通道和神经递质释放的耦合。通过这种方式，我们可以非常详细地研究毫秒短的第一阶段发射器释放，”Tobón博士说，他也是MBExC赫塔斯Sponer学院的成员。“这使我们能够可靠地确定需要与突触囊泡传感器结合以释放的钙离子的数量。”

“这一突破是MBExC卓越集群工作的一个令人兴奋的例子，”该出版物的高级作者Moser教授说。“我们之前的工作已经提供了突触囊泡释放谷氨酸与钙通过邻近钙通道流入的密切空间耦合的初步迹象。在这里进行的测量的高灵敏度现在为我们所知的这一过程提供了最精确的量化，这一过程发生在百万分之几毫米的尺度上。”