人工膜机械耦合毛细胞系统的传出调控新机制及其听觉敏感性调制作用

《Scientific Reports》：Efferent control of hair cells mechanically coupled by artificial membranes

本研究针对听觉与前庭系统中毛细胞在机械耦合条件下的敏感性调控难题，通过电刺激传出神经元，结合人工云母膜构建耦合毛细胞模型，首次揭示了传出激活通过降低毛细胞自发振荡幅度、频率及同步性，显著削弱系统整体敏感性。该工作发表于《Scientific Reports》，为理解神经反馈在群体毛细胞动力学中的作用提供了直接实验证据，对揭示听觉保护机制及疾病治疗策略具有重要价值。

　　

在动物王国中，绝大多数生物依赖听觉和前庭系统进行沟通、导航和避险。这些功能的实现需要从复杂环境中提取微弱信号的能力。脊椎动物的听觉和平衡感知依赖于内耳中的特殊细胞——毛细胞。其顶端具有名为静纤毛束的机械敏感细胞器，能够检测亚纳米级的机械位移。静纤毛的偏转会打开机械敏感 transduction 通道，引发传入神经元产生动作电位。毛细胞不仅是被动的传感器，还通过主动放大过程增强对微弱信号的响应，在某些物种中表现为静纤毛束的自发振荡。

然而，在自然状态下，毛细胞并非孤立工作。不同物种的内耳器官中，毛细胞间存在不同程度的机械耦合。有些器官的静纤毛束是自由站立的，而另一些则通过上覆结构（如顶盖膜或耳石膜）连接成簇或大面积网络。这种耦合会影响毛细胞的主动运动，进而影响信号检测的敏感性和频率选择性。另一方面，传出神经系统作为大脑对感觉上皮的反馈通路，已知具有保护毛细胞免受损伤、调节听觉敏感性的功能。先前对单个毛细胞的研究表明，传出激活会引起毛细胞体超极化，改变静纤毛束的主动运动。但传出活动如何影响机械耦合的毛细胞群体，其集体动力学如何被调控，仍是未解之谜。

为了回答这一问题，研究人员利用北美牛蛙球囊制备，保留了毛细胞的主动运动能力，并通过人工云母膜实现毛细胞间的机械耦合。通过直接电刺激传出神经元，并光学追踪静纤毛束的运动，系统研究了传出活动对耦合毛细胞系统动力学的影响。研究发现，传出激活显著改变了毛细胞自发振荡的幅度、频率和时间特征，并降低了耦合毛细胞间的同步性。这些变化表明，传出反馈通过调节群体动力学，为系统提供了降低整体敏感性的新机制。

本研究主要采用以下关键技术方法：1）离体牛蛙球囊毛细胞制备，模拟生理离子环境（人工内淋巴/外淋巴）；2）传出神经元电刺激技术（双极吸引电极）；3）人工云母膜构建机械耦合毛细胞系统；4）高速光学成像与自定义MATLAB脚本静纤毛束运动追踪；5）基于互相关分析的同步性量化；6）柯尔莫哥洛夫熵计算以表征动力学混沌程度。实验数据来自4个上皮的191个毛细胞追踪记录。

脉冲式传出刺激对耦合毛细胞的影响

当以方波脉冲序列（5–100 Hz，100 μA）刺激传出神经时，耦合毛细胞的运动表现出与刺激频率的锁相现象。耦合细胞与人工膜之间的互相关系数（CC）增加，表明同步性增强。尤其在较高刺激频率下，耦合细胞比自由站立的对照细胞更容易被牵引。此外，耦合细胞振荡频率趋近于刺激频率，而振幅和通道开放概率则呈现下降趋势，形成尖峰状振荡，表明机械敏感性降低。

连续传出刺激对群体同步性的调控

在连续电流阶跃刺激（25–200 μA，10 s）下，毛细胞未出现锁相，但其自发振荡特性被显著调制。耦合细胞的振荡频率增加、振幅减小，且变化幅度弱于对照细胞。更重要的是，耦合细胞间的平均互相关性随刺激电流增强而下降，表明传出活动降低了群体同步性。尽管如此，耦合细胞仍维持在同步阈值以上，部分同步（如嵌合体状态）的模式得以保留。

传出活动对毛细胞动力学混沌程度的调节

通过计算柯尔莫哥洛夫熵（Kolmogorov entropy, KE），研究发现连续传出刺激使毛细胞动力学趋于更混沌的状态，KE值随电流强度增加而上升。耦合细胞在低电流下KE增长较缓，但在高电流（>75 μA）下增长更为显著。混沌动力学的增强可能与系统敏感性的调节有关，传出系统可能通过此机制在检测弱信号与保护系统免受强信号损伤之间取得平衡。

结论与意义

本研究首次在机械耦合的毛细胞系统中揭示了传出活动的多维度调控作用：不仅改变单个毛细胞的振荡特性，还通过降低群体同步性、增强动力学混沌程度，整体上削弱了系统的机械敏感性。这一机制为理解听觉系统在强噪声环境下的自我保护提供了新视角。此外，人工膜耦合模型为研究群体毛细胞动力学提供了可调控的实验平台，未来可结合机械刺激进一步探索传出反馈在信号检测与抗干扰中的作用。该成果对理解感觉系统的神经调控原理及开发相关疾病治疗策略具有重要科学价值。