La cóclea VI. Transducción

MECANISMOS DE TRANSDUCCIÓN Y EXCITACIÓN EN LA CÓCLEA

1.   INTRODUCCIÓN

2.  EL CITOESQUELETO DE LA REGIÓN DEL TRANSDUCTOR

a) Estereocilios y lámina cuticular

Los estereocilios están compuestos de paquetes de filamentos de actina , que pueden ser demostrados en una preparación con el fragmento S1 de las moléculas de miosina.  La actina forma una asociación con estos fragmentos S1 en la misma forma que lo hace en el músculo , lo que se puede observar al microscopio como un característico patrón de cabeza de flecha , en que apuntan hacia abajo, hacia el cuerpo celular.

Los filamentos de actina dentro de los estereocilios están en un arreglo o disposición llamada paracristalina.    En una sección transversal de los estereocilios se observan en un patrón hexagonal.

Los estereocilios actúan como palancas rígidas , flexionándose solo en el punto de su inserción en la placa cuticular y fracturándose si la fuerza ejercida pasa de cierto punto.

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para observar la animación haga CLICK sobre cualquier punto de la figura

Después de una sobre-estimulación acústica la disposición paracristalina se ve desordenada con un espaciamiento irregular de los filamentos en la vista longitudinal y pérdida de las estriaciones horizontales.   El área desordenada se asocia a una lesión o ruptura de los estereocilios , lo cual sugiere que la rigidez mecánica del estereocilio depende de la integridad del paracristal.

Los estereocilios se adelgazan en su extremo inferior y continúan en la placa cuticular como una densa raíz.   El estrechamiento de los estereocilios justo antes de entrar a la placa cuticular le permite flexionarse en ese punto.

La placa cuticular está compuesta de una densa red de filamentos de actina.  Los filamentos de la raíz se unen a los de la placa por finas uniones de 3 nm de espesor.   En una sección paralela a la superficie de la placa se observa que discurren radialmente desde la raíz hacia fuera , como los rayos de una rueda.

La densa matriz de filamentos de actina interconectados en la placa cuticular sugiere que es la responsable de darle una considerable rigidez.   Por otro lado , la presencia en la zona de proteínas asociadas con movilidad muscular (tropomiosina, alfa-actinina, miosina y proteínas ligadas a Ca2+) hace pensar que esa propiedad mecánica es modificable.

b) Los enlaces cruzados de los estereocilios

Los estereocilios en un paquete ciliar poseen muchas conexiones cruzadas en una variedad de formas. Tienen uniones laterales que van paralelas a la placa cuticular.  Estos enlaces conectan más bien a estereocilios de filas diferentes que a los de su misma fila , sirviendo estos últimos probablemente para acoplar mecánicamente a los estereocilios  , con el resultado que en los experimentos de micromanipulación todos los estereocilios tienden a moverse juntos al ser empujados.  

Los enlaces que conectan filas diferentes están concentrados en una banda justo por debajo de la punta de los estereocilios más cortos y mantienen esas puntas cerca del estereocilio adyacente más alto , de tal modo que las filas de estereocilios parecen triángulos cuando se observan lateralmente.

Este grupo ha generado intrés porque pude acoplar el movimiento ciliar inducido por el estímulo sonoro a las áreas de transducción del estereocilio.  Un único enlace vertical emerge desde la punta de cada estereocilio más corto y se dirige hacia arriba hasta unirse al estereocilio más alto de la siguiente fila.     Cada enlace de la punta consiste en una fina banda de 6 nm rodeada de una capa variable.   Esa banda central tiene aproximadamente el mismo diámetro que un filamento de actina.   Se inserta en  densas regiones especializadas del estereocilio.   La capa externa es probablemente una continuación del material glucoconjugado que rodea las superficies del estereocilio.   


3.  MECANISMOS DE TRANSDUCCIÓN

POTENCIALES DE LA MEMBRANA CELULAR

Las membranas de las neuronas son más permeables a unos iones que a otros ; por ejemplo , en el estado de reposo , son mucho más veces permeables a los iones de K+ que a los de Na+.    Debido a que existe una alta concentración de K+ dentro de la célula y porque la membrana celular es permeable al K+ , el K+ tiende a difundir pasivamente hacia afuera , bajando su gradiente de concentración y llevando con él cargas positivas , y dejando entonces el interior de la célula con un potencial negativo neto.  Este se conoce como potencial de difusión.    La difusión continúa hasta que el potencial negativo dentro de la célula es suficiente para detener una posterior emigración de iones K+ hasta el punto en que en un sistema ideal el K+ se mantendría en equilibrio.

 

NATURALEZA DE LOS CANALES DE TRANSDUCCIÓN

a) La transducción depende de la inclinación de los estereocilios. La  manipulación de los estereocilios de una célula ciliada con una barrita de vidrio mientras se registra con un fino microeletrodo internamente muestra que la inclinación en el sentido del kinocilio o del estereocilio más alto origina depolarización intracelular y activación de la neurona subyacente , como se observa en esta figura

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En la figura que continúa se ilustra también la situación contraria de hiperpolarización si los estereocilios son inclinados en dirección contraria al estereocilio mayor o al kinocilio.  Esta es una célula ciliada interna por su forma de matraz o frasco y el núcleo en posición central.   El kinocilio persistenta arrriba y a la izquierda nos indica que esta célula está todavía inmadura.  Después este kinocilio desaparecerá , pero permanece en las células ciliadas vestibulares.     Los potenciales eléctricos indicados son los de reposo en la endolinfa (+80 mV) y dentro de la célula (-45 mV).   En la célula ciliada externa el potencial de reposo intracelular es de -70mV.

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Célula ciliada interna con los distintos potenciales de reposo indicados

Ya Lowenstein y Wersäll habían concluído en 1959 (aunque menos directamente) que la inclinación de los estereocilios en dirección del kinocilio era excitatoria y en dirección opuesta era inhibitoria. El kinocilio puede ser separado en forma espontánea (por maduración de la célula o artificialmente y esto no produce ningún cambio en los fenómenos referidos.

b)  la transducción abre canales en la membrana apical de la célula ciliada ; la depolarización de la célula está asociada a una disminución en la resistencia de la membrana , mientras que la hiperpolarización está asociada com un aumento.   Hudspeth y Corey (1977) enviaron pulsos de corriente hacia abajo por sus electrodos de registro y encontraron que los cambios de voltaje intracelular eran pequeños cuando los estereocilios estaban inclinados hacia el kinocilio , es decir , cuando la célula esta depolarizada, y grandes cuando la célula estaba hiperpolarizada porque la inclinación ciliar era en sentido contrario.   

Posteriormente Corey y Hudspeth demostraron que la permeabilidad de la membrana apical en la región que sostiene los estereocilios había cambiado por el estímulo mecánico.

c) el número de canales de transducción ( uno o pocos por estereocilio) ;  Holton u Hudspeth en 1986 encontraron , mediante estudios de conductancia , que en la espira basal de la cóclea de conejillos de Indias existía , a grandes rasgos , un canal de transducción por cada estereocilio.

c) la selectividad iónica del canal

d) evidencia cinética de la naturaleza de la transducción ;   los canales de transducción parecen abrirse y cerrarse con un intervalo muy corto de 40 microsegundos a 22°C    Esta corta latencia parece ser concordante con lo requerido para la percepción de frecuencias muy altas en los mamíferos , por ejemplo , de 120 kHz en delfines  y de 150 kHz en las focas.   Esta latencia es dependiente de la temperatura disminuyendo por un factor de 2,5 por cada 10° de aumento entre 1° y 38°C.

Estos resultados sugieren que el mecanismo de la transducción podría ser más bien simple , pero los avances en su conocimiento están configurando una imagen cada vez más compleja.


EL SITIO DE LOS CANALES DE TRANSDUCCIÓN


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Las nuevas investigaciones están entregando una imagen bastante compleja de los fenómenos de la transducción

     

4.  EL ORIGEN DE LA SINTONÍA FINA DE LA CÓCLEA

5.  NO LINEARIDAD EN LA CÓCLEA

6.  CÉLULAS CILIADAS Y ACTIVACIÓN NEURAL

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7.  RESUMEN

A.  Los estereocilios están compuestos de filamentos de actina empaquetados estrechamente lo que les da considerable rigidez.    Sus raíces se insertan en la placa cuticular  que también está compuesta de filamentos de actina , aunque en forma menos organizada.     Los estereocilios y la placa cuticular contienen las proteínas fimbrina, alfa-actinina, miosina, tropomiosina y espectrina.

B.  Los estereocilios de una célula ciliada tienen enlaces cruzados de tal manera que todos tienden a moverse cuando son empujados.  Enlaces especializados emergen de la punta superior de los estereocilios más cortos.   Estos enlaces de la punta estarían implicados en la transducción sensorial.

C.  Inclinación de los estereocilios abre los canales iónicos en la membrana apical de la célula ciliada.  Las células son polarizadas de tal modo que la inclinación de los estereocilios en la dirección del estereocilio más alto abre los canales y en la dirección de los estereocilios más cortos los cierra.  Medición de los flujos de corriente extracelular sugieren que los canales iónicos están cerca de los enlaces de la punta.   La mejor hipótesis hasta el momento sugiere que el estiramiento de estos enlaces entre los estereocilios  abre los canales en uno o ambos extremos de los enlaces.

D.  Existen 1 a 4 canales iónicos por cada estereocilio.    Estos canales no parecen ser relativamente específicos para cada catión , aunque estos canales requieren la presencia de Ca++ como cofactor para su operación.   El tamaño límite del canal es aproximadamente 0,7 nm.    El canal se abre y se cierra con una latencia muy corta (40 microsg a 22°C).    Investigaciones sugieren que los canales se abren o se cierran espontáneamente bajo la influencia de energía térmica y el ingreso mecánico determina las probabilidades relativas de los estados de apertura o cierre.    En esta teoría, por tanto, el canal no tendría un umbral absoluto.

E.  La sintonía fina en la cóclea probablemente requiere un mecanismo activo, adicional al sistema mecánico pasivo.    Esta evidencia viene de 5 hechos principales:

i.      es difícil producir curvas de sintonía del tipo observado experimentalmente solo con modelos mecánicos pasivos

ii.    la sintonía fina es muy vulnerable y es difícil ver cómo podría suceder esto si no dependiera de un proceso fisiólogico activo

iii.  manipulaciones como estimulación del Haz olivo-coclear cruzado que tienen sus mayores efectos en las células ciliadas externas , perturban la sintonía fina

iiii. los procesos mecánicos activos ocurren en la cóclea como se demuestra , por ejemplo , en el eco coclear; en ese caso, si la cóclea es estimulada con sonido , devuelve un eco acústico al canal auditivo que puede tener más energía que el originalmente introducido

iiiii.  las ciliadas externas pueden generar movimientos al ser estimuladas aunque no se conoce aún si esa es la forma correcta de retroalimentar y amplificar la onda viajera.

F.  La resonancia de la partición coclear puede ser más compleja de lo que originalmente se pensaba , con la membrana tectorial actuando como un segundo resonador , dirigido por la onda viajera de la membrana basilar.   De tal modo que el estímulo a las células ciliadas externas y de ahí quizás la retroalimentación mecánica a la onda viajera puede depender de la oscilación de un segundo sistema resonante.

G.  La onda viajera en la cóclea tiene características de nolinearidad cerca de su peak , con una nolinearidad  de saturación tal que el resultado crece más y más lento a medida que la amplitud de la onda aumenta.     La nolinearidad puede muy bien depender de un proceso mecánico activo que probablemente hace su máxima contribución alrededor de los 40 dB SPL.    Asi como hay un crecimiento no linear de las respuestas , la nolinearidad también produce cambios d.c. en la posición de la membrana basilar durante la estimulación acústica.

H.   La nolinearidad produce la supresión bitonal , de tal modo que un estímulo puede reducir la respuesta a otro.    Esto puede ocurrir porque el primer estímulo reduce la extensión a la cual el proceso activo amplifica la onda viajera del segundo estímulo.    Esto puede depender de las respuestas no lineares de las células ciliadas externas , con el estímulo supresor conduciendo a las células ciliadas lejos de los puntos de mayor respuesta de sus funciones de ingreso y salida.    Sin embargo, el mecanismo no se ha aclarado.

I.   La nolinearidad también significa que la cóclea genera tonos de combinación en respuesta a un estímulo bitonal.   El más notorio es la distorsión tonal cúbica a la frecuencia 2ƒ1 – ƒ2, en que los tonos de estimulación son las frecuencias ƒ1 y ƒ2 , siendo ƒ2 > ƒ1.    El tono de distorsión cúbica es producido en la cóclea cuando las ondas viajeras a ƒ1 y ƒ2 se sobreponen y producen su propia onda viajera con un peak en un lugar característico propio de la cóclea , además de producir un tono de distorsión acústica emitido en el canal auditivo.

J.  Los estereocilios de las células ciliadas internas no contactan a la membrana tectorial directamente y son movidos , al parecer , por el drenaje viscoso de los líquidos alrededor.   A bajas frecuencias , sin embargo , las células ciliadas internas responden a la velocidad de la membrana basilar.  Los estereocilios de las células ciliadas externas  hacen contacto con la membrana tectorial y estas células responden al desplazamiento de la membrana.

Las ciliadas internas parecen estar preparadas para detectar el componente a.c.  en la respuesta de la membrana basilar ,  la cuál señalan al sistema nervioso central.    Las células ciliadas externas responden tanto a los componentes a.c. como d.c.    Es posible que las aferencias a las células ciliadas externas señalen el componente d.c. en la respuesta de la membrana basilar.

 

 



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