在內耳深處，微小的細胞正忙于將聲音的振動轉換成大腦可以解讀的電信號。這些聽覺內毛細胞（inner hair cells，IHCs）以非凡的精確度和靈敏度完成這項任務。但是，它們究竟是如何將環境中嘈雜的聲音轉化為可辨別的、有意義的聲音的呢？新的研究揭示了鉀離子通道（K+）在這一復雜過程中的驚人作用，展示了聲音檢測的靈敏度和動態范圍1。

翻譯聲音

聲音的世界充斥著各種頻率和強度的聲音。哺乳動物的內耳是 IHCs 的發源地，具有處理和解釋這一廣泛頻譜的非凡能力。這種能力是通過在內耳毛細胞和外毛細胞（outer hair cells，OHC）中將音調聲頻圖轉換成電信號而實現的。然后，這些細胞會產生去極化和超極化受體電位。在 IHC 中，這些電位會激活電壓門控鈣離子通道（Ca2+），從而觸發神經遞質的釋放，并點燃聽覺神經元的動作電位。

沿著耳蝸軸，受體電位的特征差別很大。這就好像耳蝸的不同區域 "擅長 "對聲音的不同方面進行編碼：有些區域更擅長追蹤頻率，有些區域則擅長追蹤強度。這些調諧的分級是通過三種電壓依賴性鉀電流的不同組合實現的。盡管這一過程已得到證實，但仍有一個問題沒有得到解答：這些 IHC 是如何編碼如此復雜的聲景的？

探測鉀離子通道

德國和澳大利亞的研究人員最近開展了一項合作，旨在解開這個聽覺之謎。研究小組發現，IHCs表達一套獨特的六種電壓依賴性鉀傳導組合，每種傳導都由不同的通道調節。這些通道在靜止時都處于活躍狀態，但在聲音刺激時，它們的活性會發生很大變化。這種可變性實現了一種非飽和調諧，使 IHCs 能夠在巨大的電位范圍內做出反應。這些電導中的每一個都有助于優化反應，但所有通道的綜合活動協同增強了相位鎖定和 IHC 可以編碼的動態強度范圍。

研究小組利用 RT-PCR 和熒光免疫組化技術證明了耳蝸裂解物和細胞中 Kv11.1（通過 #APC-016）、Kv11.2（通過 #APC-114）和 Kv11.3 通道的表達（圖 1）。

免疫組化顯示鉀離子通道的表達

圖 1. Kv11 通道的表達分析。(A+B）用針對 Kv11 通道的抗體在（A）急性分離的 Corti 器官頂端轉折處和（B）中國倉鼠卵巢（CHO）細胞中進行免疫組化。面板顯示的是用指定抗體染色的細胞/組織的共聚焦 Z 疊的最大強度投影。(A）使用針對 Kv11.2（左）（Anti-KCNH2 (erg1) Antibody (#APC-016) ）和 Kv11.3（右）（Anti-KCNH6 (erg2) Antibody (#APC-114) ）的抗體時，我們沒有在 IHC 中檢測到陽性信號。請注意，通過使用針對肌球蛋白 VIIa 的抗體（紅色）進行染色，IHC 得到了突出顯示。在這些實驗中，我們在靠近 IHC 的支持細胞中檢測到抗-Kv11.3 信號（所有比例尺代表 10 μm）。(B）是在 CHO 細胞中進行的對照實驗，目的是評估所使用抗體的特異性（用 DAPI 共同染色細胞以觀察細胞核，并用 Lyn11-RFP 作為轉染標記物共同轉染細胞）。(B1）描繪的是轉染了 Kv11.1（左）、Kv11.2（中）或 Kv11.3（右）的 CHO 細胞，用靶向各自通道的一抗和適當的二抗（陽性對照）處理。(B2)顯示用一抗和二抗處理的未轉染 CHO 細胞（陰性對照）。(B3）顯示的是轉染了 Kv11.1（左）、Kv11.2（中）或 Kv11.3（右）（連同 Lyn11-RFP）的 CHO 細胞，只用二抗處理（二抗對照）。由于我們在未轉染的 CHO 細胞中（B2）和未使用一抗的情況下（B3）未檢測到任何陽性表達，因此我們得出結論，所使用的抗體能特異性識別 Kv11 通道（B1 中的比例尺代表 10 μm，B2+B3 中的比例尺代表 40 μm）。圖片和圖例來自 Dierich M 等人，《細胞報告》，2020;32(1):1078691。

令人驚訝的是，研究小組在 IHCs 中發現了三個以前未知的鉀傳導貢獻者： Kv1.8、Kv11.1 和 Kv12。這些通道在 IHCs 中具有功能性，并共同介導了很大一部分鉀電流，這是通過它們的藥理學特征確定的。然而，另一種鉀離子通道 Kv3.3 在 IHCs 中并不存在。
 

雖然IHCs中的Kv12.1電流表現出主要的模式轉換，但研究人員找不到證據證明這種現象與聲音編碼有關。不過，他們被這樣一個想法吸引住了，即在持續的聲音刺激或病理去極化的情況下，IHCs 的生物物理特性可能會通過這種模式轉換而發生變化，從而為固有的 IHC 膜調諧增添一層額外的專業性。
 

鉀傳導的另一個貢獻者 Kv7.4 在 IHCs 中介導兩種不同的成分。這一觀察結果表明，毛細胞特異性相互作用伙伴可能決定了 IHCs 中 Kv7.4 的特性。由于這些電導的比例決定了受體電位的聲調差異，這一發現表明 IHCs 在進化過程中適應了復雜聲音的編碼。

聲音背后的毛細胞復雜性

各種鉀離子通道的表達是一種重要的進化適應，可提高 IHC 反應的動態范圍和時間精度。這些通道具有更高階的波爾茲曼非線性，在接近靜息時具有陡峭的靈敏度，在整個生理電位范圍內都不會達到飽和。這與它們在聲音刺激時的獨特激活相結合，使 IHCs 能夠編碼一系列廣泛的聲音強度和頻率，揭示了一個錯綜復雜、微妙平衡的聲音編碼系統，凸顯了我們聽覺器官的復雜性和獨創性。
 

這項研究豐富了我們對聽覺系統的認識，提供了一個新的視角，讓我們了解離子通道如何使我們的耳朵能夠處理每天環繞在我們周圍的豐富的聲音。最終，這一洞察力讓我們離解碼宏大的聲音交響樂更近了一步，我們的耳朵如此美妙地將這些聲音轉化為我們所熟知的世界。
 

【1】Dierich M, Altoè A, Koppelmann J, Evers S, Renigunta V, Schäfer MK, Naumann R, Verhulst S, Oliver D, Leitner MG. Optimized Tuning of Auditory Inner Hair Cells to Encode Complex Sound through Synergistic Activity of Six Independent K+ Current Entities. Cell Rep. 2020 Jul 7;32(1):107869. doi: 10.1016/j.celrep.2020.107869. PMID: 32640234.