Actas de Fisiología, 5: 79-107, 1999
Las células ciliadas de la cóclea, un ejemplo de transducción bidireccional
Marisa Pedemonte*, Peter M. Narins**
Entender una melodía, reconocer las palabras, reconocer cientos de voces diferentes aunque digan o canten las mismas cosas, tener respuestas motoras reflejas frente a determinados sonidos, tener respuestas vegetativas frente a otros, emocionarse al oír un poema, son algunas de las funciones que involucran al sistema auditivo en el contexto de todo el cerebro. Sin embargo, todo este proceso de adquisición de información, almacenamiento, generación de memoria y evocación, comienza con la llegada de las ondas sonoras como una información que debe ser "entendida" por el sistema nervioso. Este proceso de traducción o transducción desde el idioma físico de una onda sonora a las señales electrofisiológicas procesadas por el sistema nervioso central, está realizado por las células ciliadas de la cóclea. Estos receptores son transductores mecano-eléctricos extremadamente sensibles. Como cada célula ciliada es sensible a un limitado margen de estímulos, deben combinarse miles de receptores para dar salida a un mensaje completo.
Para tener los mejores resultados funcionales en este proceso de transducción la evolución ha desarrollado complicadas estructuras que modifican las ondas sonoras, tales como el oído externo, el oído medio y la cóclea -parte del oído interno- en donde asientan las células receptoriales. Es necesario entonces, conocer el ambiente que hace posible el proceso de tranducción, para lo cual haremos una pequeña reseña histológica de la cóclea, recordando que los receptores no trabajan aislados y la percepción del sonido depende de la interacción estructural y funcional entre células así como de la integridad del medio en el que asientan.
1. Estructura de la cóclea de mamíferos
El caracol o cóclea es un órgano del oído interno con forma de tubo arrollado en espiral, constituido por un laberinto óseo tapizado de estructuras celulares que forman un laberinto membranoso (Figura 1).
El eje central de la cóclea, el modiolo, es un tubo óseo dentro del cual corren las fibras del nervio auditivo. La espiral ósea arrollada alrededor del modiolo está separada en 3 compartimientos: la escala vestibular, la escala media y la escala timpánica (Figura 2).
La escala timpánica se separa de las otras dos por la membrana basilar; la membrana de Reissner, compuesta por dos capas celulares, separa la escala media de la vestibular. Las escalas timpánica y vestibular -rellenas de perilinfa- se comunican en el vértice de la cóclea por un orificio, el helicotrema. En la base de la cóclea la escala timpánica termina en la ventana redonda. Un pequeño tubo, el acueducto coclear, conecta la perilinfa con el líquido cefalorraquídeo. La escala vestibular, en la base de la cóclea, se corresponde con la ventana oval en el oído medio donde se articula el estribo. Las escalas media y vestibular se continúan en la base de la cóclea con la porción vestibular del oído interno. La escala media conecta con el sáculo a través del ductus reuniens y la endolinfa contenida en ella está en comunicación con el saco endolinfático.
En la escala media, limitada por la lámina reticular, la membrana de Reissner, la estría vascular, el ligamento espiral y la prominencia espiral, se encuentra el órgano de Corti que contiene, entre otras estructuras celulares, el receptor auditivo: las células ciliadas.
1.1. El órgano de Corti
Las células ciliadas se ubican en el órgano de Corti que asienta sobre la membrana basilar, siguiendo la estructura en espiral a lo largo de la misma. Alberga unas 15.000 células ciliadas en el humano (esto varía con las especies) que se interdigitan de forma muy organizada con células de soporte. Estos receptores son sensibles a sonidos dentro de una gama de frecuencias entre unas decenas de Hertz (Hz) hasta unos 20 kHz en el humano joven. Los sonidos naturales integrados por muchas frecuencias se descomponen en cada una de ellas, que a su vez excitan la porción que les corresponde de células ciliadas ubicadas en la membrana basilar.
Debemos distinguir desde un principio dos poblaciones de células ciliadas, las células ciliadas internas (CCI) y las células ciliadas externas (CCE) que son funcional e histológicamente diferentes. Las CCI forman una única hilera, cercana al modiolo y las CCE forman tres hileras, separadas de las CCI por las células pilares de soporte, que dejan entre si un túnel: el túnel de Corti.
Estas células y sus estructuras acompañantes cambian sus características según su ubicación en la cóclea, seguramente dependiendo de las necesidades funcionales de cada porción de la misma.
El polo apical de las células ciliadas, que mira hacia la escala media, detecta el estímulo y realiza la transducción sensorial. En el polo basal las células ciliadas hacen contactos sinápticos especializados con las fibras aferentes, que conducen la información hacia el sistema nervioso central, y fibras eferentes que controlan la entrada sensorial.
El análisis estructural fino de la cóclea ha permitido distinguir varios tipos celulares diferentes pero aun son muy inciertos los roles funcionales de cada célula. Las células adyacentes a los receptores están especializadas en el soporte mecánico y metabólico.
La cara endolinfática del limbo espiral tiene células secretorias encargadas de la formación de la membrana tectoria, esta membrana contiene material extracelular de tipo gelatinoso. Por su ubicación sobre las células ciliadas se piensa que tiene un papel fundamental en el mecanismo de transducción.
Algunas células separan los compartimientos que contienen endolinfa de aquellos con perilinfa en tanto que otras participan en la formación y mantenimiento de ambos fluídos. Estas células de soporte presentan especializaciones de membrana, uniones intercelulares, tales como las uniones de hendidura o tipo "gap" (gap junctions), desmosomas (desmosomes), uniones adherentes (adherens junctions) y uniones estrechas (tight junctions) fueron encontradas en el órgano de Corti (Gulley & Reese, 1976; Iurato et al. 1976 a,b; Nadol et al. 1976; Nadol, 1978).
Otra función de las células de soporte podría ser la de desarrollarse como nuevas células ciliadas sin proliferación. Esto está sugerido por el hecho de que en áreas lesionadas disminuye la densidad de las células de soporte mientras que el número de células ciliadas aumenta (Mahanthappa, 1994).
1.2. Mecanismos homeostáticos en la cóclea
El oído interno posee una variedad de mecanismos micro-homeostáticos que son la base de la integridad, sensibilidad y el rango dinámico del órgano de Corti para hacer posible la transducción de las señales sonoras (Hawkins, 1973; Wagemann & Schacht, 1996). Estos mecanismos homeostáticos responden a varias escalas temporales, desde milisegundos para restaurar disbalances iónicos hasta minutos u horas cuando se involucran procesos tales como la transcripción genética y la síntesis proteica. Un ejemplo pionero es el modelo de la "batería" de Davis (Davis, 1965) en donde se demuestra cómo la estría vascular actuando como una batería mantiene un potencial contínuo (DC) en la endolinfa de la escala media que posibilita el mecanismo de transducción por los receptores. Así la endolinfa contiene una alta concentración de potasio y un potencial positivo con respecto a la perilinfa, mantenido por las células marginales de la estría vascular, mediante una bomba Na+-K+ ATPasa que produce una salida neta de K+ a la escala media.
El alto consumo de energía requiere de una adecuada disponibilidad de sustratos energéticos -siendo la glucosa el principal- nutrientes esenciales y oxígeno, así como la posibilidad de remover los desechos metabólicos y el anhídrido carbónico que se van produciendo. No debe olvidarse además, que los contínuos procesos de transducción generan cambios metabólicos constantes que deben ser rápidamente corregidos.
Todo lo antedicho justifica el alto grado de vascularización que posee la cóclea. Sin embargo hay mucho por conocer aún acerca de los mecanismos de control del flujo sanguíneo coclear y más aún en el humano dado que la mayoría de la investigación es realizada en animales. Han sido descritos mecanismos de autorregulación (Brown & Nuttall, 1994) como por ejemplo que el alto flujo de potasio hacia la escala media podría influir sobre la estría vascular. Los sonidos a cierto nivel pueden aumentar el flujo sanguíneo coclear (Prazma et al. 1983) en tanto que ruidos intensos lo reducen (Thorne & Nuttall, 1987). El sistema vegetativo simpático noradrenérgico sería un potencial modulador del flujo sanguíneo coclear a través de receptores beta-adrenérgicos (Spoendlin & Lichtensteiger, 1966; Brechtelsbauer et al. 1990; Laurikainen et al. 1993).
2. Morfología de las células ciliadas
Las células ciliadas pueden agruparse en internas y externas, con marcadas diferencias como la posición en el órgano de Corti, la ultraestructura, la implantación de las estereocilias y la inervación (Figura 3).
Estas diferencias están al servicio de dos acciones diferentes, conocidas hace ya dos décadas: las CCIs y las CCEs actúan como transductores mecano-eléctricos del sistema auditivo mientras que las CCEs actúan además, como transductores electro-mecánicos, es decir, como células motoras. Las CCEs responden a cambios de potencial cambiando su longitud. La fuerza generada por ellas es capaz de alterar los delicados mecanismos cocleares incrementando la sensibilidad auditiva y la selectividad de las frecuencias. Según Nobili et al. (1998) cada frecuencia seleccionada se resalta con un efecto mecánico equivalente a las inhibiciones laterales de las estructuras neurales; estos procesos son explicados por el interjuego de interacciones hidrodinámicas entre las diferentes particiones cocleares y el efectivo comportamiento no-lineal de estas células motoras.
2.1. Características ultraestructurales
Tanto las CCI como las CCE tienen cilias rígidas que asemejan dedos proyectándose desde la superficie apical de la célula sensorial hacia el espacio endolinfático. Hace ya mucho tiempo que se conocen las estereocilias en células del órgano de Corti sugiriéndose que fueran responsables de la transducción, pero esto fue confirmado directamente sólo recientemente (Hudspeth & Corey, 1977; Russell et al. 1986).
En la superficie apical cada célula ciliada externa tiene sus estereocilias ordenadas en hileras en forma de "U" o "W". Cada hilera contiene estereocilias de similar longitud, las hileras de esterocilias mas cortas miran hacia el modiolo y las mayores hacia la pared lateral. El largo de las estereocilias va aumentando de la base al ápex del conducto coclear. Todas estas características han sido revisadas tanto en mamíferos como en no mamíferos (Nielsen & Slepecky, 1986).
Existe material fibrilar que establece conexiones cruzadas entre las cilias de un mismo haz: algunas conectan esterocilias adyacentes de la misma hilera y tamaño similar a través de su superficie lateral (within-row) y otras conectan estereocilias de una hilera con las más altas ubicadas detrás (across-row). Estos tipos de conexiones parecen ser la causa de que el haz de esteroacilias se mueva como un grupo cuando sólo los extremos de las más largas son inclinados.
Otros puentes van desde la punta de una estereocilia corta hasta una esterocilia vecina de mayor tamaño (tip-link). Estos puentes podrían estar implicados en el proceso de transducción dado que su tironeamiento podría abrir canales iónicos relacionados a sus puntos de inserción (Pickles et al. 1984).
Por dentro de cada estereocilia se observa un haz de filamentos de actina unidos entre si y con la membrana plasmática. Si bien se pensó que la estereocilia no se movía por si misma, recientes estudios encontraron miosina I y calmodulina que sugieren la posibilidad de una estructura contráctil, que tendría implicancias importantes en la adaptación de las células ciliadas. La adaptación a la inclinación contínua de las estereocilias es sensible al calcio y bloqueable por antagonistas de la calmodulina (Assad & Corey, 1992).
La cara apical de las células ciliadas constituye la placa cuticular y está formada por una malla de filamentos de actina desordenados que contribuirían al soporte y motilidad.
Aparte de todas las características antedichas compartidas por las CCEs y las CCIs, existen algunas diferencias.
2.1.1. Células ciliadas internas
Estas células tienen el cuerpo globuloso, con sus estereocilias ordenadas linealmente sin hacer contacto con la superficie inferior de la membrana tectoria. La porción basal de las CCIs hacen sinapsis directamente con las fibras aferentes que proyectan al sistema nervioso central. Las fibras nerviosas y las células de soporte rodean la superficie basolateral de forma que la CCI no hace contacto con la membrana basilar. Estas células poseen uniones estrechas (tight junctions) a nivel de la lámina reticular, con las células de soporte (células del pilar interno y falángicas internas). Su superficie apical está separada de las otras CCI, por células de soporte. Sin embargo, las CCIs contactan con sus vecinas en las zonas en donde el cuerpo se ensancha a nivel del núcleo. Por lo tanto cabría la posibilidad de una comunicación directa entre ellas, pero aún no ha sido encontrada.
2.1.2. Células ciliadas externas
Estas células son alargadas y cilíndricas con el núcleo en situación más basal. De menor diámetro que las internas su superficie apical contacta con las células de soporte mediante uniones estrechas (tight junctions) y uniones adherentes (adherens junctions). Cada CCE está envuelta en su base por una célula de Deiters que presentan una prolongación alargada que forma parte de la lámina reticular. A diferencia de las CCIs, las CCEs tienen libres sus superficies laterales que sólo contactan con el fluído circundante. Esto imposibilita la comunicación directa entre ellas pero, no obstante, facilita su función contráctil. Sin embargo pueden estar acopladas a células de soporte a través de uniones de hendidura (gap junctions). Actualmente hay evidencias funcionales controvertidas acerca de la existencia o no de conexiones eléctricas (Oesterle & Dallos, 1989; Santos-Sacchi, 1986; Zwislocki et al. 1992).
Las estereocilias de las CCEs están ordenadas en "W" y graduadas en altura siendo más largas y finas que las de las CCIs de la porción de la cóclea equivalente. Las estereocilias de las hileras más alargadas están unidas firmemente a la membrana tectoria y en su porción basal terminan en un cono proyectado a mitad de camino de la placa cuticular que aparece como una malla más organizada que a nivel de las CCIs. Las CCEs presentan densas bandas longitudinales asociadas con microtúbulos, vesículas de membrana y mitocondrias, entre la placa cuticular y el núcleo.
Encima del núcleo el citoplasma es homogéneo con ribosomas, mitocondrias y retículo endoplásmico. Debajo del núcleo hay abundantes microfilamentos y microtúbulos .
En la base de las células se observan las sinapsis aferentes y eferentes. Se piensa que las señales neurales desde el sistema eferente produce cambios que modifican las propiedades mecánicas de las CCE influyendo en la mecánica de la membrana basilar.
Existen receptores de membrana para la acetilcolina y el acido gama amino butírico (GABA) en la base de las CCEs (Canlon et al. 1989; Zenner et al. 1989), sin embargo la acción del sistema eferente sobre las CCEs no es aun conocida.
Las CCEs asientan en la porción de membrana basilar no soportada por hueso, por lo tanto esta región del órgano de Corti tiene movimientos significativos durante los estímulos vibratorios. Esto implica que las células de soporte deben resistir las fuerzas mecánicas producidas por estos estímulos. Esta rigidez estructural está reforzada por microfilamentos y microtúbulos entre las células.
2.2. Distribución de la inervación de las células ciliadas
Desde trabajos piorenos de Lorente de Nó (1937) se describen las características estructurales de la inervación de la cóclea. Los estudios anatómicos han identificado fibras aferentes y eferentes determinando el número y la distribución de las terminales nerviosas en cada tipo de célula ciliada y en los distintos niveles de la cóclea (Figura 4). Estos estudios han sido desarrollados en distintas especies (Rasmussen, 1940; 1953; Spoendlin, 1966; Kimura, 1975; Nadol, 1988; Eybalin, 1993). En forma característica se reconoce en las sinapsis con fibras aferentes que las células ciliadas muestran acúmulos de vesículas sinápticas. En las sinapsis eferentes la acumulación de las vesículas sinápticas aparece en el nervio y en las células ciliadas aparecen las cisternas subsinápticas.
Las fibras aferentes están subdivididas en dos grupos: (a) las fibras de las células ganglionares Tipo I, gruesas, mielinizadas y que hacen contacto con las CCIs y (b) las fibras de las células ganglionares Tipo II, finas, no mielinizadas que contactan con las CCEs (Rosenbluth, 1962).
El sistema eferente fue inicialmente dividido en dos subsistemas (Warr & Guinan, 1979): (a) el medial, contactando con las CCEs y (b) el lateral haciendo sinapsis sobre las fibras aferentes que contactan con las CCIs. Con estudios inmunocitoquímicos para neurotrasmisores han sido sugeridas otras subdivisiones (Eybalin, 1993).
2.2.1. Inervación de las células ciliadas internas
Inervación aferente
En estudios realizados en gato y cobayo se demostró que el 90%-95% de las fibras en el nervio auditivo contacta sólo con las CCIs (Spoendlin, 1973; Morrison et al. 1975), correspondiendo a las células ganglionares Tipo I.
Cada fibra termina sobre una CCI habiendo una especialización sináptica por fibra. Cada CCI contacta con 20 diferentes fibras aferentes; pudiendo aumentar ese número en regiones de frecuencias funcionalmente importante para la especie, por ejemplo en el humano y en el gato la densidad neural es mayor en la región media de la cóclea. Esto implica una gran divergencia de la información desde cada CCI.
Estas sinapsis tienen una delgada densidad de membrana presináptica y una densa membrana postsináptica, observándose en la hendidura sináptica filamentos y material granular.
Las fibras postsinápticas han sido divididas según criterios morfológicos así como por el número de sinapsis eferentes que reciben (Liberman et al. 1990). Estas características determinan diferencias fisiológicas así como cambios en el umbral y frecuencias de descarga. Las fibras gruesas de bajo umbral y alta frecuencia de descarga espontánea se agrupan cercanas a las células pilares internas, las finas de alto umbral y baja frecuencia de descarga se encuentran en la cara modiolar de las CCIs.
Inervación eferente
Las fibras eferentes que llegan a la región de las CCIs son finas, transcurren por el túnel en forma espiral donde dan ramas y forman varicocidades y terminan realizando sinapsis "en passant" con las fibras aferentes radiales que provienen de las CCIs.
No han sido encontradas sinapsis recíprocas en las CCIs de cócleas adultas. Esto significa que una misma fibra nerviosa contenga las especializaciones sinápticas aferentes y eferentes. Sin embargo, estas sinapsis si fueron encontradas en cultivos de órganos de Corti (Sobkowicz et al. 1993).
2.2.2. Inervación de las células ciliadas externas
Inervación aferente
Las fibras aferentes que inervan las CCEs están altamente subdivididas terminando cada fibra haciendo sinapsis con pequeños botones sinápticos con varias CCEs. Cada CCE a su vez, hace sinapsis con muchas fibras aferentes diferentes (Smith, 1975; Berglund & Ryugo, 1987; Dannhof & Bruns, 1993). Cada fibra está ramificada de forma tal que una sola fibra puede recibir información de entre 6 y 100 CCEs, usualmente de la misma hilera. La mayoría de las células ganglionares Tipo II harán sinapsis con las CCEs de la primera hilera que son las que a su vez tienen el mayor número de contactos sinápticos. Las restantes células ganglionares Tipo II son más ramificadas y hacen contacto con la tercera hilera de CCEs. Las especializaciones sinápticas entre estas terminales y las CCEs son diferentes a las de las CCIs; en la zona activa la CCE presenta una invaginación que se corresponde a una evaginación de la fibra terminal. Para salir del órgano de Corti las fibras espirales cruzan la parte baja del túnel de Corti y pasan entre las células pilares internas saliendo con las aferentes radiales.
Inervación eferente
Las fibras eferentes que inervan las CCEs cruzan el túnel de Corti radialmente luego de haber pasado entre las células pilares internas y luego lo recorren dando ramas que terminan en las CCEs (Engström, 1958; Spoendlin, 1968). La mayoría de las fibras eferentes terminan en la primera fila de CCEs existiendo además una graduación de la base al ápex, con el mayor número de terminales en la base. Si bien la mayoría de las fibras eferentes hace sinapsis en la base de las CCEs, más de un 25% de las CCEs del ápex de la cóclea tienen terminales sinápticas por encima del núcleo (Altschuler et al. 1984; Liberman et al. 1990). En algunas especies existen evidencias de sinapsis recíprocas sobre las CCEs, es decir una sola terminación nerviosa posee especializaciones aferentes y eferentes (Nadol, 1983). Varios son los neurotrasmisores implicados en el sistema eferente, siendo la acetilcolina el más importante. También se ha encontrado GABA -preferentemente distribuída en fibras del ápex- encefalinas y dinorfinas (Thompson et al. 1986; Fex & Altschuler, 1986; Eybalin, 1993). No debemos olvidar la inervación simpática que colabora en el mantenimiento de la homeostasis de la cóclea, a la cual ya nos hemos referido.
3. Fisiología de las células ciliadas
Transducciones mecano-eléctrica y electro-mecánica
Las células ciliadas en los mamíferos comienzan a elaborar respuestas con una alta sensibilidad, frente a mínimos desplazamientos del extremo apical del haz de cilias, del orden de ± 0.3 mm (Sellick et al. 1982). Cada receptor tiene un máximo de sensibilidad para determinada dirección del estímulo. Dallos (1996) compara el desplazamiento necesario de una cilia para producir una respuesta umbral al desplazamiento de 5 cm en la punta de la torre Sears de Chicago con una altura aproximada de 500 m.
Muchos son los problemas que existen para abordar el mecanismo de transducción de las células ciliadas. La mayoría de los trabajos en mamíferos son basados en células cultivadas, con registros in vitro en donde, por ejemplo, el sólo cambio de la temperatura altera dramáticamente muchas de las conductancias iónicas.
Los mayores aportes científicos acerca de la transducción y la electrofisiología de la membrana se han realizado en las células ciliadas aisladas de vertebrados no mamíferos dado que es muy dificultoso acceder a las células ciliadas de la cóclea de los mamíferos por ser muy pequeñas, sensibles a la privación de flujo sanguíneo y estar el oído interno incluído en el hueso temporal, extremadamente duro.
Hudspeth & Corey (1977) han desarrollado experimentos sobre las células ciliadas del oído interno de la rana toro (Rana catesbeiana). Extirpando el sáculo y quitando la membrana otolítica realizaron, bajo microscopio, el registro intracelular del receptor mientras se movía el penacho ciliar con una micropipeta.
Otros experimentos fueron realizados en mamíferos in vivo; Dallos et al. (1982) lograron registros intracelulares de células ciliadas de las vueltas apicales de la cóclea introduciendo el microelectrodo a través de una ventana que abrieron en la escala media. Russell & Sellick (1978) registraron células ciliadas basales atravesando la membrana basilar desde la escala timpánica.
El proceso de transducción comienza con el desplazamiento relativo de las cilias entre la lámina reticular y la membrana tectoria. Posiblemente el flujo de endolinfa en el estrecho espacio entre las dos superficies que se mueven podría colaborar en la estimulación de las cilias que no están unidas a la membrana tectoria.
El estímulo excitatorio es la inclinación de las estereocilias hacia el kinocilio, en caso de las ranas (Hudspeth & Corey, 1977), y hacia las estereocilias de mayor tamaño en las células de mamíferos (Russell & Richardson, 1987). Los movimientos en la dirección opuesta son inhibitorios y los perpendiculares son inefectivos (Figura 5).
Las mediciones de corrientes extracelulares indican que los canales involucrados en la respuesta eléctrica de la célula están ubicados cerca del extremo distal de las estereocilias. Por lo tanto, existe la hipótesis de que cerca de la punta de las estereocilias estarían los canales iónicos responsables de la transducción cuya apertura o cierre estarían regulados por los cambios de tensión de los ligamentos descritos con anterioridad (tip-links).
Hay una serie de observaciones que sustentan esta teoría (Slepecky, 1996): (a) Esta polarización morfológica ocurre en todas las especies de vertebrados examinadas e.g. mamíferos (humanos, gatos, cobayos, chinchillas, ratas) pájaros, reptiles, ranas y peces. (b) En todos los animales mencionados anteriormente existen kinocilios en las células ciliadas, con la excepción del mamífero adulto en quienes sólo se encuentra el cuerpo basal como un centro organizador de los microtúbulos citoplasmáticos e indicando la polaridad de la célula. La transducción no requiere entonces de la presencia de kinocilio. (c) Los relativamente pocos canales iónicos envueltos en la tranducción están localizados cercanos al extremo de las estereocilias (Hudspeth, 1982; Jaramillo & Hudspeth, 1990; Hackney et al. 1991). (d) Sólo pequeños desplazamientos de la punta de un haz alcanzan para lograr la apertura máxima de canales (Russell et al. 1986). (e) La cinética derivada de experimentos electrofisiológicos sugiere que la fuerza aplicada a los canales transductores es trasmitida por las propiedades elásticas de las conexiones (Corey & Hudspeth, 1983).
Se estima que son pocos los canales dependientes de cada estereocilia (Howard & Hudspeth, 1988) y que la oscilación de la compuerta sería de 4 nm y el tiempo de cierre y apertura sería menor de 50 ms.
Los canales de transducción son poros acuosos no selectivos que permiten el pasaje tanto de cationes mono- como divalentes (Corey & Hudspeth, 1979). Como las cilias están en contacto con la endolinfa con un potencial positivo y alta concentración de potasio sería este ión el responsable de conducir las corrientes hacia adentro, empujado por un gradiente de concentración y un gradiente eléctrico que es la suma del potencial negativo de reposo de la célula más el potencial positivo endolinfático. Se estima que en ausencia de estimulación entre un 5% y un 15% de los canales de transducción están abiertos (Hudspeth & Corey, 1977; Crawford & Fettiplace, 1981; Russell et al. 1986). El potencial de reposo en las CCIs in vivo es de -40 a -50 mV (Russell & Sellick, 1978; Dallos, 1985).
Asumiendo que la resistencia de entrada de las células ciliadas in vivo es de unos 50 MW (Russell & Sellick, 1978) se calculó que el potencial receptorial producido puede ser del orden de 0.1 mV cuando una cilia se desplaza 1 nm.
Es importante destacar que todo lo hablado hasta ahora de transducción en células ciliadas fueron experimentos realizados en vertebrados no mamíferos. Por lo tanto la extrapolación a las funciones de las células ciliadas de los mamíferos debe ser cautelosa.
4. Potencial receptorial en la membrana basolateral
Hasta ahora los hallazgos acerca del potencial de membrana basolateral son controvertidos y no permiten generalizaciones fáciles (ver revisiones, Dallos, 1996; Kros, 1996).
La estimulación acústica y sus consecuencias mecánicas producen una señal AC (corriente alterna), es decir, la suma de variaciones sinusoidales alrededor de un valor de reposo. Las no-linealidades en algún nivel del procesamiento pueden distorsionar la composición de las frecuencias de la señal y sumar un componente DC (corriente contínua) debido a rectificación y asimetrías. Siempre que se analice un potencial receptorial debe distinguirse entre los cambios AC, frecuencia dependientes, y los componentes DC unidireccionales.
El potencial receptorial es el resultado de múltiples conductancias activas. Si bien existen diferencias de conductancias entre registros en tortugas (Crawford & Fettiplace, 1981) y en mamíferos (Kros & Crawford, 1990), un denominador común es que la influencia de la membrana basolateral, cuya resistencia y capacitancias se encuentran en paralelo, funciona como un filtro pasa-bajos (low-pass filter).
En células ciliadas de animales no mamíferos fueron encontrados canales de Ca2+ voltaje-dependientes y de K+ Ca2+-dependientes. En estos vertebrados rápidamente se activan corrientes de entrada de Ca2+ que inducen corrientes de salida de K+ Ca2+-dependientes que interactúan produciendo las oscilaciones del potencial de membrana (Crawford & Fettiplace, 1981; Lewis & Hudspeth, 1983; Pitchford & Ashmore, 1987; Fuchs & Evans, 1988; Fuchs et al. 1988).
En las CCIs las conductancias de la membrana basolateral están dominadas por dos canales de K+ voltaje-dependientes los cuales están activos en un rango de potencial de membrana entre -60 y -20 mV, valores que están de acuerdo con el potencial de reposo de estas células. Distintas técnicas de registro coinciden en los valores de los potenciales de reposo, siendo aproximadamente para las CCIs de -40 mV y para las CCEs de -70 mV. Ninguno de estos canales parece ser dependientes del influjo de Ca2+ (Kros & Crawford, 1990). Las CCEs tienen en sus membranas basolaterales dos tipos de canales de K+ Ca2+-dependientes (Ashmore & Meech, 1986).
A bajos niveles de sonido la respuesta AC aumenta en forma proporcional al nivel de la señal no pasando lo mismo con la respuesta DC. Todas las respuestas se saturan a altos niveles de sonido, siendo esto más evidente en el sentido de la hiperpolarización. La saturación de la respuesta es mayor en valores cercanos a la frecuencia característica siendo más lineal lejos de ésta (Figura 6).
Puesto que el potencial receptorial para las altas frecuencias es filtrado en las CCIs éste no puede ser efectivo para estimular la liberación del neurotrasmisor de la sinapsis. La relación del estímulo con la frecuencia de descarga de la fibra aferente debe ser gobernada por el potencial receptorial DC producida como respuesta no lineal de la propia CCI.
En anuros, ha sido demostrado que cambios en la temperatura corporal modifican las respuestas del oído interno y, en consecuencia, las respuestas de las fibras del nervio auditivo. Han sido descritos -como efecto de modificación de la temperatura- cambios en la transferencia de información en el sistema auditivo periférico a través de cambios en la relación señal/ruido (Narins et al. 1997); en la precisión de la sintonía y el mejor umbral de las fibras del nervio auditivo (Stiebler & Narins, 1990); en las áreas de supresión por dos tonos (two tone-suppression, Benedix et al. 1994) y en la frecuencia de resonancia de las células ciliadas (Smotherman & Narins, 1995).
5. Las células ciliadas externas y su motilidad
Las CCEs son capaces de responder a las vibraciones a través de sus haces de estereocilias mecano-sensibles y de retroalimentar el sistema generando fuerzas mecánicas que mejoran tanto la sensibilidad como la selectividad de las frecuencias. Estas fuerzas mecánicas resultan de la motilidad (contracción o expansión) de las CCEs en respuesta al sonido. Además, la inervación eferente que reciben sería utilizada para modular estas respuestas (Holley, 1996).
La complejidad funcional del órgano de Corti -donde las células ciliadas son el centro transductor- está además determinada por un poderoso control central del sistema nervioso. Así, el sistema eferente cuyas fibras terminan sobre el receptor y fibras del nervio auditivo, provee una forma de acción directa modulando, a través de acciones GABAérgicas en la protuberancia, la actividad del receptor (Velluti & Pedemonte, 1986). Con esta base anátomo-funcional se explican las acciones observadas a nivel periférico, relacionadas con los cambios del comportamiento, e.g., de vigilia y sueño (Velluti et al. 1989).
Se pueden distinguir dos tipos de motilidad:
(a) Cambios de longitud del cuerpo de la célula de alta frecuencia que pueden seguir las frecuencias acústicas y que no son directamente dependientes del ATP u otro intermediario químico. Sin embargo, indirectamente dependen del ATP usado por la estría vascular para mantener los gradientes químicos y eléctricos entre la endolinfa y la perilinfa. Observaciones experimentales sugieren que este mecanismo es lo suficientemente rápido y fuerte como para afinar los desplazamientos mecánicos producidos por el sonido en la membrana basilar.
(b) El segundo tipo de contracción que presentan estas células es mucho mayor en longitud pero con un curso temporal mucho más lento. Esta forma de motilidad depende directamente del ATP y probablemente de otros intermediarios químicos.
Los haces de cilias podrían ser capaces de generar sus propias oscilaciones intrínsecas o en otros casos se ha sugerido que en procesos de adaptación durante la transducción mecano-eléctrica los puentes interciliares pueden arrastrar activamente a las estereocilias adyacentes.
5.1. Cambios de longitud de alta frecuencia en las células ciliadas externas
Es realmente impresionante la capacidad de estas células de generar cambios de longitud a muy altas frecuencias. Este fenómeno fue observado primeramente con células estimuladas con electrodos extracelulares ubicados en los extremos del eje mayor de la célula (Brownell et al. 1985; Kachar et al. 1986). Otras mediciones fueron realizadas estimulando eléctricamente con electrodos de parche (patch) y registrando los cambios de longitud con un fotodiodo (Ashmore, 1987; Santos-Sacchi & Dilger, 1988). Las CCEs de los cobayos se acortan o se alargan aproximadamente un 5% de su longitud cuando su potencial de membrana es despolarizado o hiperpolarizado, respectivamente. La latencia es menor de 100 ms y las contracciones pueden seguir frecuencias de más de 10 kHz; cuando la frecuencia es mayor de 100 Hz la magnitud de los cambios de longitud disminuye. Por la rápida evolución temporal de estos movimientos, estos cambios de longitud no pueden ser mediados por el pasaje de corrientes iónicas sino que deben ser producidos directamente por los cambios de voltaje de la membrana plasmática (Figura 7). Existen evidencias que apoyan la idea de que los canales iónicos no están involucrados con estos movimientos rápidos, por ejemplo, la mayoría pueden ser bloqueados por aplicación de cadmio, bario, tetraetilamonio en el medio extracelular o poniendo cesio a través del electrodo de parche, y estos tratamientos no inhiben la motilidad (Ashmore, 1987; Santos-Sacchi & Dilger, 1988; Dallos et al. 1991).
Las CCEs están casi completamente elongadas a -70 mV de potencial de membrana, el potencial de reposo in vivo, pero el acortamiento es más lineal en la dirección de despolarización cercana a los +20 mV (Santos-Sacchi, 1989). La relación entre potencial de membrana y longitud celular también fue estudiada por la técnica de microcámara (microchamber) que consiste en que la punta de una micropipeta puede sellarse alrededor de cualquier punto de la longitud de la CCE y esto permite estudiar dos porciones de la misma célula en forma independiente (Dallos et al. 1991; Evans et al. 1991). Con esta técnica se mostró que la sensibilidad de la respuesta mecánica aumenta cuando la célula es despolarizada. Así, una célula tiene menos sensibilidad al campo eléctrico externo (5 nm/mV) cuando su potencial de membrana es -50 mV que cuando está despolarizada a +17 mV (25 nm/mV). Este comportamiento no lineal podría introducir cambios significativos en la funcionalidad de la cóclea (Evans et al. 1991).
Con esta técnica se pudo reproducir lo que acontece in vivo, en donde la superficie apical está bañada en endolinfa rica en potasio y la basal en perilinfa rica en sodio. También permitió, a una misma célula, hiperpolarizar un extremo mientras se despolarizaba el otro. De esta forma se observó que las unidades motoras funcionaban como una serie de anillos que podían ser activados independientemente a lo largo del eje celular mayor. Estos experimentos sugieren que el sensor para la transducción electromecánica debe estar ligado a la membrana plasmática, probablemente, para ser eficiente, dentro de la bicapa lipídica. La estructura encontrada en la pared lateral de las CCEs está constituída por tres capas: (a) una cisterna lateral formada por capas ordenadas en línea en la superficie de la membrana plasmática; (b) el citoesqueleto proteico con propiedades elásticas y (c) la membrana plasmática lateral (Figura 8).
Se postulan elementos motores que deberían estar acoplados a los sensores de cambio de voltaje de membrana. El último modelo planteado son motores moleculares dentro de la membrana plasmática que cambian su configuración espacial en respuesta a un cambio de potencial de membrana (Kalinec & Kachar, 1995)
Cálculos basados en la energía disponible en el sistema sugieren que las CCEs pueden producir suficiente fuerza para desplazar a la membrana basilar in vivo (Ashmore, 1992; Iwasa & Chadwick, 1992). Actualmente, las principales investigaciones están volcadas en caracterizar al amplificador coclear en su anatomía y función de mejorar la resolución espectral del sistema auditivo.
5.2. Motilidad somática lenta en las células ciliadas externas
Esta motilidad es mucho más difícil de caracterizar. Datos experimentales sugieren que la respuesta no depende del calcio dado que no se observan inhibiciones luego de remover el calcio extracelular (Zenner et al. 1985; Dulon et al. 1988). A pesar de las teorías que decían que las bandas longitudinales asociadas con microtúbulos, vesículas de membrana y mitocondrias, entre la placa cuticular y el núcleo, podría ser responsable del lento acortamiento de las CCEs, esta hipótesis fue descartada porque esta estructura no se encuentra en todas las células que tienen motilidad (Carlisle et al. 1988; Slepecky, 1989).
La motilidad lenta somática podría tener efectos sobre la geometría del órgano de Corti. Podría funcionar modulando la sensibilidad de las CCIs: frente a sonidos de baja intensidad las CCEs acercarían -mediante estas contracciones lentas- la membrana tectoria a la membrana basilar, aumentando la sensibilidad de las CCIs. Lo opuesto ocurriría en respuesta a sonidos de alto nivel. Luego de traumas reversibles por sonido, fue observada la reducción en la distancia entre la membrana basilar y la lámina reticular (Harding et al. 1992).
Si bien fueron muchos los adelantos en estos últimos años, aun son más las preguntas que las respuestas acerca del complejo mecanismo que interrelaciona los estímulos sonoros, los cambios de potencial y la actividad motora de las CCEs; para progresar en el conocimiento se requerirá de estudios multidisciplinarios como la biología molecular y la fisiología in vivo.
5.3. Las emisiones otoacústicas
Desde hace dos décadas es conocido que pueden ser detectados sonidos de baja intensidad producidos por el oído durante y después de un estímulo sonoro (Kemp, 1978). Este sonido, llamado Eco de Kemp, es más que una simple reflexión pasiva del sonido en el canal auditivo, la membrana timpánica y la cavidad aérea del oído medio, siendo el resultado de una respuesta activa de la cóclea que involucra un aporte adicional de energía que se suma a la energía proveniente del sonido estimulante. Además de la secuencia normal de conversión de energía sonora a movimiento debemos considerar entonces esta secuencia revertida, en donde configuraciones de movimientos creados en la estructura intracoclear causan desplazamientos de la cadena de huesecillos y la membrana timpánica, que son registrados en el conducto auditivo externo, como emisiones de energía acústica provenientes de la cóclea a las que globalmente se denominan emisiones otoacústicas, que se observan tanto en forma espontánea (Dijk et al. 1996) como provocada. Si bien el origen de estas emisiones es aún desconocido, actualmente se tiende a piensar que las células ciliadas externas, como elementos mecánicos activos y con una poderosa inervación eferente que contribuye a la regulación de la sensibilidad y la selección de las frecuencias en la cóclea, podrían ser las responsables de la generación de dichas emisiones (Ryan & Dallos, 1975, Dallos & Harris, 1978).
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