粘弹性解释了哺乳动物听觉放大系统中快速适应的现象

《Biophysical Journal》：Viscoelasticity explains fast adaptation in the auditory amplifiers of mammals

外毛细胞粘弹性适应机制通过数学模型验证，揭示了动态范围与刺激频率的依赖关系，粘弹性元件刚度变化模拟钙离子减少效应，显著影响耳蜗放大器的电流灵敏度、相位超前及高通滤波特性。

　　

摘要

当我们听到声音时，声波会导致我们的感觉外毛细胞束发生变形，这种变形会被转化为受体电流。这些受体电流驱动耳蜗放大器，而耳蜗放大器对于我们耳朵的高灵敏度、宽广的动态范围以及精确的频率选择性至关重要。适应性机制能够保持受体电流对毛细胞束变形的敏感性，但外毛细胞束适应性背后的具体机制仍存在争议，且在生理相关频率下适应性是如何发挥作用的也不清楚。我们提出了一种基于粘弹性适应性元素的适应性机制来解释最快的适应性过程。为了验证这一假设，我们将一个包含粘弹性适应性元素的外毛细胞束的数学模型与十二项独立的实验观测结果进行了拟合。通过成功预测一项未用于模型拟合的实验结果（即快速适应性能够维持多少受体电流的敏感性），我们验证了该模型的有效性。该模型能够预测生理相关频率下快速适应性的效应。实验结果表明，存在显著的变形电流滞后现象；受体电流能够在很大程度上驱动毛细胞束的变形，并且快速适应性会对受体电流进行高度的高通滤波。由于粘弹性快速适应性的存在，外毛细胞束的动态范围会受到刺激频率的影响。增加适应性元素的硬度可以模拟实验中观察到的钙离子减少所产生的效果，这表明适应性元素的粘弹性特性可能与钙离子有关。这些预测以及其他相关结论都可以通过实验进行验证。由于粘弹性快速适应性显著影响受体电流的敏感性、滞后现象、相位延迟、高通滤波以及动态范围，我们预计它会对耳蜗放大器和听觉功能产生重要影响。