การเปลี่ยนสัญญาณกลไกเป็นสัญญาณไฟฟ้าของเซลล์ขน (Hair Cell Mechanotransduction)

การเปลี่ยนสัญญาณกลไกเป็นสัญญาณไฟฟ้า (Mechanotransduction) คือขั้นตอนที่เซลล์ขนเปลี่ยนการเคลื่อนไหวเชิงกลให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า เซลล์ขนแต่ละเซลล์มีกลุ่มสเตอริโอซิเลีย (stereocilia) ที่เชื่อมต่อกันที่ปลาย เมื่อเสียงทำให้กลุ่มสเตอริโอซิเลียเบนไป ทิปลิงก์ (tip links) จะดึงช่องไอออนที่ควบคุมด้วยกลไก (mechanically gated ion channels) ให้เปิดออก ทำให้กระแสไหลผ่านและเปลี่ยนแปลงศักย์เยื่อหุ้มเซลล์ การเปลี่ยนสัญญาณนี้เกิดขึ้นภายในเวลาไมโครวินาที ซึ่งทำให้การได้ยินรวดเร็วและไวต่อสิ่งเร้า

Definition

การเปลี่ยนสัญญาณกลไกเป็นสัญญาณไฟฟ้าของเซลล์ขน (Hair-cell mechanotransduction) คือกระบวนการที่การเบนของกลุ่มสเตอริโอซิเลียทำให้เกิดแรงตึงในทิปลิงก์ ซึ่งควบคุมการเปิดปิดช่องไอออนที่ไวต่อกลไก (mechanosensitive ion channels) เปลี่ยนการกระตุ้นเชิงกลให้เป็นศักย์รับความรู้สึก (receptor potential)

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกลไกระดับโมเลกุลและชีวฟิสิกส์ของการเปลี่ยนสัญญาณกลไกเป็นสัญญาณไฟฟ้าของเซลล์ขน: กลุ่มสเตอริโอซิเลีย, ทิปลิงก์, ช่องเปลี่ยนสัญญาณกลไกเป็นสัญญาณไฟฟ้า, การเปิดปิดช่องและการปรับตัว, และวิธีการที่การเปลี่ยนสัญญาณนี้ส่งผลต่อการขยายเสียงในหูชั้นใน (cochlear amplifier) แม้ว่าคำอธิบาย MeSH จะกล่าวถึงเซลล์ขนในอวัยวะทรงตัว (vestibular hair cells) แต่กลไกการเปลี่ยนสัญญาณที่อธิบายไว้ในที่นี้เป็นกลไกร่วมกันของเซลล์ขนในการได้ยิน (cochlear) และเซลล์ขนในอวัยวะทรงตัว และนำเสนอในบทบาทของการได้ยิน บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการอ้างอิงและการศึกษา ไม่ใช่แนวทางในการวินิจฉัยหรือรักษาพยาธิสภาพของเซลล์ขน

Core questions

• การเบนของกลุ่มสเตอริโอซิเลียเปิดช่องเปลี่ยนสัญญาณได้อย่างไร?
• บทบาทของทิปลิงก์ในการเปิดปิดช่องคืออะไร?
• การปรับตัวช่วยปรับความไวและขยายช่วงไดนามิกได้อย่างไร?
• การเปลี่ยนสัญญาณขับเคลื่อนเครื่องขยายเสียงในคอเคลียที่อาศัยเซลล์ขนชั้นนอกได้อย่างไร?

Key concepts

• กลุ่มสเตอริโอซิเลีย (Stereociliary bundle)
• ทิปลิงก์ (Tip links)
• ช่องเปลี่ยนสัญญาณกลไกเป็นสัญญาณไฟฟ้า (Mechanotransduction (MET) channel)
• แบบจำลองสปริงเปิดปิดช่อง (Gating spring model)
• ศักย์รับความรู้สึก (Receptor (transduction) potential)
• การปรับตัวแบบเร็วและช้า (Fast and slow adaptation)
• การพึ่งพาแคลเซียมในการปรับตัว (Calcium dependence of adaptation)
• การเชื่อมโยงกับการเคลื่อนที่ด้วยไฟฟ้าของเซลล์ขนชั้นนอก (prestin) (Coupling to outer-hair-cell electromotility (prestin))

Mechanisms

สเตอริโอซิเลียภายในกลุ่มจะมีความสูงไล่ระดับกันและเชื่อมต่อกันใกล้ปลายด้วยทิปลิงก์ที่ละเอียด การเคลื่อนที่ของส่วนแบ่งในคอเคลียที่เกิดจากเสียงจะทำให้กลุ่มสเตอริโอซิเลียเบนไปทางด้านที่สูงกว่า เพิ่มแรงตึงในทิปลิงก์และเปิดช่องเปลี่ยนสัญญาณกลไกเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ปลายด้านล่างของทิปลิงก์ ไอออนบวก รวมถึงแคลเซียม จะเข้าสู่เซลล์และทำให้เซลล์มีศักย์ไฟฟ้าลดลง (depolarize) ทำให้เกิดศักย์รับความรู้สึกภายในเวลาไมโครวินาที (Vollrath, Kwan, & Corey, 2007) แคลเซียมที่เข้าสู่ช่องจะกระตุ้นการปรับตัว ซึ่งเป็นกระบวนการที่รวดเร็วและช้าลงที่ช่วยปรับความไวของช่องให้กลับสู่สภาวะปกติ รักษาตัวเปลี่ยนสัญญาณให้อยู่ในช่วงการทำงาน และมีส่วนช่วยในการปรับความถี่ (frequency tuning) (Fettiplace & Fuchs, 1999) ในเซลล์ขนชั้นนอก การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงความยาวที่อาศัยโปรตีนเพรสทิน (prestin) ซึ่งส่งพลังงานกลกลับคืนสู่คลื่นเดินทางในฐานะเครื่องขยายเสียงในคอเคลีย (cochlear amplifier) (Zheng et al., 2000; Pickles, 2012)

Clinical relevance

เนื่องจากการเปลี่ยนสัญญาณขึ้นอยู่กับกลุ่มสเตอริโอซิเลียและทิปลิงก์ที่สมบูรณ์ ความเสียหายต่อโครงสร้างเหล่านี้จากเสียงดังหรือปัจจัยอื่น ๆ อาจทำให้การได้ยินบกพร่อง และกลไกร่วมกันนี้เชื่อมโยงการทำงานของระบบประสาทการได้ยินและระบบประสาทการทรงตัว บทความนี้อธิบายการเปลี่ยนสัญญาณปกติเพื่อการอ้างอิงและการศึกษา และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

งานวิจัยทางชีวฟิสิกส์ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 ได้ยืนยันว่าการเปลี่ยนสัญญาณของเซลล์ขนนั้นถูกควบคุมด้วยกลไกและรวดเร็ว นำไปสู่แบบจำลองทิปลิงก์และสปริงเปิดปิดช่อง (gating-spring models) ในขณะที่การศึกษาทางโมเลกุลในช่วงปี 2000 เริ่มระบุส่วนประกอบของอุปกรณ์เปลี่ยนสัญญาณและการปรับตัว ซึ่งเป็นการสังเคราะห์ที่ได้รับการทบทวนโดย Vollrath, Kwan, และ Corey (2007)

Key figures

• David P. Corey
• Robert Fettiplace
• Melissa A. Vollrath
• Peter Dallos

Seminal works

• vollrath-kwan-corey-2007
• fettiplace-fuchs-1999

Frequently asked questions

อะไรเป็นตัวเปิดช่องเปลี่ยนสัญญาณของเซลล์ขน?

การเบนของกลุ่มสเตอริโอซิเลียจะเพิ่มแรงตึงในทิปลิงก์ที่เชื่อมต่อสเตอริโอซิเลียที่อยู่ติดกัน และแรงตึงนี้จะดึงช่องเปลี่ยนสัญญาณกลไกเป็นสัญญาณไฟฟ้าให้เปิดออกด้วยกลไก

เหตุใดการเปลี่ยนสัญญาณกลไกเป็นสัญญาณไฟฟ้าจึงมีความสำคัญต่อการได้ยิน?

เป็นขั้นตอนที่เปลี่ยนการสั่นสะเทือนเชิงกลของเสียงให้เป็นศักย์รับความรู้สึกทางไฟฟ้าของเซลล์ขน และทำได้อย่างรวดเร็วพอที่จะติดตามเสียงที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วได้