音を脳で処理される神経信号に変換する「蝸牛管のいくつかの機能」発見

音を聞くためには、空気の圧縮・減圧である音波を電気的な神経信号に変換し、脳に伝える必要があり、この変換は、内耳の蝸牛という部分で行われます。

蝸牛管の中の有毛細胞の働きは、これまでよくわかっていませんでしたが、その機能について幾つかの発見がありました。

“We found calcium ducts with an appearance that we’ve never seen before. These calcium ducts span the tectorial membrane and connect to the stereocilia of both the inner and the outer hair cells”, says Pierre Hakizimana.

参照元：https://liu.se/en/news-item/forskningsfynd-utmanar-bilden-av-hur-var-horsel-fungerar
– リンショーピン大学 Linköping University. 10 May 2021 –

リンショーピン大学（スウェーデン）の研究者らは、音を脳で処理される神経信号に変換する耳の内毛細胞の機能メカニズムについて、いくつかの発見をしました。

この成果は、科学雑誌『Nature Communications』に掲載され、これまで何十年にもわたって続いてきた聴覚器官の解剖学的構造と機能に関する現在のイメージを覆すものです。

有毛細胞が音によってどのように刺激されるかをより深く理解することは、難聴者のための補聴器や人工内耳の最適化などに重要です。

音を聞くためには、空気の圧縮・減圧である音波を電気的な神経信号に変換し、脳に伝える必要があります。

この変換は、内耳の蝸牛という部分で行われます。

蝸牛は、カタツムリの殻のような形をしていることから、こう呼ばれています。

蝸牛管の中には聴覚器官があり、外有毛細胞と内有毛細胞に分かれた多くの有毛細胞があります。

外有毛細胞は、音の振動を増幅することで、微弱な音を聞き取ったり、人間の会話に含まれる様々な周波数をよりよく認識したりすることができます。

内側の有毛細胞は、音の振動を神経信号に変換します。

今回の研究では、この変換がどのように行われているかを調べました。

内側の有毛細胞が音の振動に刺激されて、どのように神経信号を生成するのかは、まだ明らかになっていません。

外側の有毛細胞は、その上にある膜とつながっていることが古くから知られています。

外有毛細胞にはステレオシリアと呼ばれる髪の毛のような突起があり、音によって膜や聴覚器官が振動すると、この突起が曲がって活動します。

しかし、現在の見解では、内有毛細胞のステレオシリアは、テクトリアル膜と呼ばれるこの膜に接しておらず、全く別のメカニズムで音に刺激を受けていると考えられています。

今回の研究が挑戦しているのは、このモデルです。

有毛細胞とテクトリア膜の関係は、1950年代から電子顕微鏡を使って詳細に研究されてきました。

しかし、このゼラチン状の膜は、耳から外すとすぐに縮んでしまうため、その機能を調べるのは非常に難しいです。

このため、内毛細胞と外耳道膜の関係を保存することは極めて困難です。

また、この膜は透明であるため、これまでは基本的に見えないものでした。

LiUの研究者たちは、耳介膜が緑色の光を反射していることに気づきました。

この発見により、テクトリアル・メンブレンを顕微鏡で見ることができるようになりました。

外殻膜と有毛細胞の間には、何の隙間もありませんでした。

一方、外毛細胞と内毛細胞のステレオ繊毛は、外膜に完全に埋め込まれていました。

リンショーピン大学バイオメディカル＆クリニカルサイエンス学部の主任研究員で、論文の主執筆者であるPierre Hakizimana氏は話します。

「今回の結果は、外毛細胞だけが外膜と接触しているという一般的な考えとは相容れないものです。」

Pierre Hakizimana氏らは、人間の内耳とよく似たモルモットの内耳を研究しました。

膜と有毛細胞の関係をさらに詳しく調べたところ、さらなる発見がありました。

Hakizimana氏は話します。

「今までに見たことのないような形のカルシウム管が見つかったのです。このカルシウム管は、外膜をまたいで、内毛細胞と外毛細胞の両方の立体繊毛につながっていました。」

アンダース・フリッドベルガー教授率いる研究グループは、これまでに、有毛細胞が音で誘発された振動を神経信号に変換するために必要なカルシウムイオンの貯蔵庫として、外膜が機能していることを発見していました。

研究チームは、ダクト内のカルシウムイオンの動きを追跡した結果、カルシウムイオンはダクトを通って有毛細胞に流れ込んでいることが示唆されました。

これにより、有毛細胞がその機能に必要な大量のカルシウムイオンを得る仕組みが説明できるかもしれません。

また、今回の研究では、内毛細胞と外毛細胞のステレオシリアが、テクトリアル膜によって同じように曲げられていることも明らかになりました。

今後は、カルシウムイオンがどのように輸送されるのかをさらに詳しく理解し、新たに発見されたカルシウムダクトを構成するタンパク質を特定することが研究の課題となります。

Hakizimana氏は話します。

「今回の結果により、50年以上にわたって受け入れられてきたモデルとは相容れない、聴覚が機能するメカニズムを説明することができました。教科書に掲載されている聴覚器官とその機能を示す古典的なイラストは、更新されなければなりません。また、聴覚の研究に使われている数学モデルも、この新しい知見を反映したものにしなければなりません。」

私たちの聴覚がどのように機能しているかについての新しい情報は、長期的には人工内耳の開発にも重要となるでしょう。

蝸牛インプラントとは、蝸牛に挿入して電気刺激を与えることにより、難聴の子供や大人が音を認識できるようにする補聴器です。

Hakizimana氏は話します。

「人工内耳は、難聴を治療するための素晴らしいソリューションですが、改善することができます。人工内耳が聴神経を刺激する方法を最適化するためには、内有毛細胞が音によってどのように刺激されるかをより深く理解することが重要です。」