地下鼠听觉系统的适应性进化

地下鼠听觉系统的适应性进化

在研究了半个世纪地下大鼠的力学之后，许多科学家转向了耳蜗活动机制的研究。这项研究深入到分子水平，主要是探索hc含有生殖器官僚机构（hc）的机械交换机制。而这个机制的关键问题在于阐述毛细胞听纤毛上的离子通道问题。哺乳动物耳蜗基本结构大致相同,地下鼠(subterraneanrodents)低频适听机制研究的核心同样在于对其耳蜗活动机制的探讨。在长期的地下生活中,地下鼠类在听觉方面表现出明显的适应性进化。其听觉敏感频率偏于低频,与声波在地下洞道中的传播能力相一致。听觉能力的改变是动物对环境的适应。地下鼠是一类高度特化的动物,其生活的地下环境由于黑暗、低氧、声波不易传播等缺乏刺激源。地下鼠类在感觉系统上出现一系列变化以适应地下生活环境,例如触觉灵敏,嗅觉极为发达,前肢骨骼肌肉构造发生变化以利于挖掘洞道等。适听机制和听觉信号的传导在地下哺乳类动物的交流和避敌中起到至关重要的作用。因此对地下哺乳类动物的感官研究大多集中在听力和发声学研究。1耳蜗外毛细胞的分布听觉毛细胞是动物将声学信号转换为电信号的结构基础。在已研究过的啮齿类中,大鼠乳鼠的耳蜗基底膜铺片显示自内向外十分规则的排列1排内毛细胞和3排外毛细胞的静纤毛。内毛细胞的静纤毛呈弓形,开口向着蜗轴,外毛细胞的静纤毛呈“W”型排列,开口亦朝向蜗轴。IHC的静纤毛呈阶梯状排列,靠近内柱细胞一侧的最长,OHC静纤毛最外一列的为最长,即由耳蜗轴向耳蜗侧壁静纤毛逐渐变长。鼹形鼠耳蜗内毛细胞在形状大小上,神经支配与其他哺乳类动物类似;外毛细胞则和大多数其他哺乳类动物存在差异,表现在结构形状,神经支配模式,听纤毛的组织形式,细胞间液等。相较于对高频声波敏感的哺乳类动物,鼹形鼠耳蜗底部外毛细胞上的听纤毛数量沿着蜗管上行逐渐增加,达到五排,长度也随之增加,这可能就是用于降低高频刺激部位的反应能力。鼹形鼠的这种特点,说明鼹形鼠正处于向营地下生活的鼠类进化过程中,因为进化中的哺乳动物耳蜗外毛细胞听纤毛排数较多。豚鼠(Caviaporcellus)各圈外毛细胞一般有3排,在基底圈可观察到间断分布的4排外毛细胞。基底圈外毛细胞静纤毛呈“W”型排列,顶圈的则呈“V”型排列。内毛细胞为1排,静纤毛呈弧形排列,约30~60根。内毛细胞和静纤毛一直排列到耳蜗顶盲端,毛细胞和静纤毛数目均不减少。外毛细胞及其静纤毛的长度靠近耳蜗轴最短,靠近耳蜗侧壁最长,由蜗底到蜗顶逐渐变长,静纤毛的数目由蜗底到蜗顶逐渐减少。基底圈内毛细胞的静纤毛比外毛细胞的长,随着外毛细胞的增长,顶圈的内毛细胞则比外毛细胞的短。靠近内柱细胞的毛细胞静纤毛最长,从耳蜗底到耳蜗顶,外毛细胞和静纤毛常排列不规则,且可见少数静纤毛自然缺失。斯氏鼢鼠蜗管基部的内毛细胞为1排,胞体呈上细下粗的流线型,周围的支持细胞将其紧密包围。蜗底的外毛细胞有3排,呈柱状,比内毛细胞小,核相对较大,每个细胞顶部静纤毛数量约为18~20根,其长度从内侧到外侧依次增加。相邻外毛细胞顶部由网板相连,每个内毛细胞顶部也有一簇硬纤毛,高度从内侧到外侧递增,但平均长度大于外毛细胞的硬纤毛。近蜗顶的蜗管上的外毛细胞为流线型,和内毛细胞形状非常相似,蜗顶最上方的半圈蜗管上内毛细胞为2排,形状与其它内毛细胞相同,但是没有外毛细胞。2毛细胞机械交换机制的研究2.1振动的部位分布声音振动通过鼓膜,听骨链传至卵圆窗,引起外淋巴液的震动,导致基底膜的振动。Bekesy发现,靠近卵圆窗处的基底膜首先发生振动,然后振动以行波方式沿基底膜向耳蜗顶部方向依次传播。声音频率的不同决定了基底膜上最大行波振幅出现的部位不同。高频声波引起的最大振幅部位临近卵圆窗附近,中频的依次位于基底膜中间部分,低频声波最大振幅部位则靠近蜗顶部位。基底膜行波的振动转变为盖膜与网状板之间的剪切运动(shearingmotion),从而在两膜之间产生剪切力,在该力的作用下使最长的外毛细胞的纤毛与盖膜接触,并发生偏转(deflection);内毛细胞的听毛较短,呈游离状态,由内淋巴的运动使其偏转。纤毛的偏转打开了毛细胞顶部的机械门控离子通道,并发生一系列电生理机制。2.2机械偏射与毛束偏导的物理机制Hudspeth和Corey进行的微操纵实验,为机械—电换能机制依赖于静纤毛的偏转提供了直接证据。他们将牛蛙球囊的耳石膜除去,暴露毛细胞听纤毛,将尖端玻璃管套在纤毛上,通过一系列机械装置使玻璃管能够与毛细胞表面呈水平方向振动,调整位移精确度,振动频率,使纤毛偏转,同时记录细胞内电位变化。结果发现毛束随刺激频率振动或作静态偏转均可导致毛细胞膜的离子通道的激活,产生换能电流和感受器电位。Hudspeth还发现,机械感受器电位仅仅依赖于静纤毛偏转,而单独的动纤毛偏转不产生感受器电位,毛束朝向最高的静纤毛正向偏转,离子换能通道开放,测得电导增加,这就引起了去极化的感受器电位,而后,引起毛细胞神经节的传入纤维兴奋向负向偏转,关闭为数很少的在静息状态下仍开放的通道,引起细胞膜超极化,并产生神经抑制,当毛束朝向与中心轴呈直角方向偏转时,对通道没有任何影响;而当毛束朝向与中心轴平行的方向偏转时,通道最大程度地被激活;朝其它方向偏转时,对通道的激活程度取决于刺激在最佳方向的向量成分。纤毛偏转的输入与输出反应曲线呈S形。2.3毛细胞换分依赖离子通道复杂的离子通道是内耳毛细胞机械电换能通道的核心。毛细胞换能主要依赖钙离子通道和钾离子通道。研究较多的是钙离子通道。钙离子通道分为电压依赖性钙通道和受体操纵性钙通道。2.3.1细胞的l型钙通道相似目前研究较多的是L型钙通道。毛细胞L型钙通道在电导大小、激活电压高低及药物作用的敏感性方面与其它组织细胞如心肌细胞和神经细胞的L型钙通道相似。但毛细胞L型钙通道的激活较其它组织细胞更迅速,可能与毛细胞转导高频刺激的功能相适应。毛细胞电压依赖性钙通道被激活后,细胞外的Ca++流入细胞内,可引起毛细胞钙依赖性递质释放和外毛细胞能动性反应。研究发现氨基贰类抗生素对豚鼠耳蜗外毛细胞电压依赖性钙通道有阻滞作用,从而使毛细胞去极化时Ca++内流减少,推测是其急性耳毒性的机制之一。2.3.2激活ca++内流,降低毛细胞兴坚性目前认为,毛细胞可能存在以下受体操纵的Ca++内流机制:1)乙酞胆碱N受体钙通道复合物、M受体G蛋白偶联钙通道;2)嘌呤受体介导的Ca++内流;3)乙酸胆碱M受体被激动后通过G蛋白、IP3途径促发细胞内贮存的Ca++释放。毛细胞受体操纵性钙通道主要分布于外毛细胞,受耳蜗传出神经递质的调控。钙通道被耳蜗传出神经递质激活后,Ca++内流,当细胞内Ca++达到一定浓度后即激活毛细胞的钙激活性钾通道,使细胞内K+外流而导致毛细胞超级化,从而降低毛细胞的兴奋性。离子通道是机械-电换能的分子基础,除了钙离子通道,还有钾离子、钠离子等通道类型。2.4外毛细胞和内毛细胞之间的差异内毛细胞和外毛细胞的静纤毛均可发生机械—电能转换。大量研究表明,IHC与OHC在组织学形态结构、神经分布和生物特性方面存在较大差异。2.4.1内毛细胞静羊毛内、外毛细胞形态差异,顶部静纤毛排列方式有较大差别,内毛细胞体积较大,顶部听纤毛较少,形态单一,只排列成一排;外毛细胞核相对较大,顶端听纤毛数量较多,一般排列成3~4排,并呈“W”或“V”型。内毛细胞静纤毛从耳蜗底部至耳蜗顶部,长度没有明显变化,而外毛细胞静纤毛长度由耳蜗底部至耳蜗顶部逐步增加。不论从蜗底到蜗顶,内毛细胞静纤毛均比外毛细胞静纤毛长。另外,内毛细胞顶部静纤毛静息时不与盖膜接触,而外毛细胞顶部静纤毛静息时,最高处嵌入盖膜中。2.4.2毛细管细胞的检测外毛细胞具有逆向换能即主动运动的特性,而内毛细胞不具备这样的性质。内毛细胞矢量敏感性高于外毛细胞,前者主要对盖膜位移速率变化有所反应,后者主要对盖膜位移量大小较为敏感。2.4.3内毛细胞与受辐射的种间关系5%左右的传入纤维起自外毛细胞(蝙蝠为10~20%左右),约95%的传入纤维起自内毛细胞,OHC为会聚式联系,IHC与传入纤维呈辐散式联系。内侧橄榄耳蜗系统,直接支配同侧和对侧OHC,并具有对侧优势;边侧橄榄耳蜗系统,主要支配同侧IHC。OHC主要传入低频纤维,IHC与OHC的区别是同时传入低频和高频纤维。3地下通道的振动信号为了解决地下啮齿类动物如何进行个体间交流、避敌等问题,Rado和Heth分别在室内运用人工模拟洞道和野外自然洞道的方式采集到了鼹形鼠用头敲击洞壁产生的震动波信号,这种信号成为联系个体之间的重要讯息,进而发现地下鼠的震动通讯方式。震动通讯(SeismicCommunication)是地下鼠类利用声频通讯的一种重要手段。对于视觉衰减的地下啮齿类动物来说,通过头部敲击出低频声波和骨传导的模式显得十分重要,震动通讯所产生的低频声波在地下传导的距离较远。各项行为生理学研究结果都表明,在特殊的地下环境中,在物种形成和适应的双重进化过程中,震动躯体感觉通讯发展为长距离通讯的途径。空气传导在地下较短距离内迅速衰减,故在地下只能主要用于同一个洞道内的交流的短距离通讯。在长期封闭的地下通道中,鼹形鼠采用用头部敲击洞道顶壁产生的震动信号的交流方式来维护领地和避敌。头部敲击产生的0.1—0.3kHz的低频震动波,可以传播相对较远的距离,只有较小的能量衰减过程并且传播速度较快。鼹型鼠这两种通讯系统,即一种基于土壤—骨震动传导机制,另一种是基于空气声信号传导机制,这种特性使其更好的适应了低频声波传播的地下环境。Heth研究发现以色列盲鼹鼠(Spalaxehrenbergi)在天然洞道中,接受气传导声音的最佳频率为440Hz,而在较高或较低的频率听力迅速衰减,声音传播的有效距离只有5m。说明依靠气传导的声讯通讯在地下洞道中受传播距离的影响。对岬鼠属(Georychus)动物的洞道声讯号测验时发现,只有震动信号成份可以在地下较远距离被感知(3~4m),而在人造洞道中靠空气传播声信号离声源1m之内即衰减到噪音水平。甘肃鼢鼠同样生活在地下,因此也存在震动通讯方式。对模拟人工洞道中甘肃鼢鼠的研究发现,其用鼻吻部连续敲击洞壁发出有节奏的震动声,从震动声的频谱中看,声波能量集中在低频区,主峰频率出现在100Hz左右,并存在雌雄差异,雄鼠发出的震动声主峰频率比雌鼠略低。甘肃鼢鼠的震动通讯主要用于护域和监测。在野外自然环境中,甘肃鼢鼠利用震动通讯的方式避免相邻洞道个体间的侵犯,保持独居。甘肃鼢鼠这种独特的通讯方式,是一种对地下黑暗环境,自身生理方式的适应。啮齿类动物中,加州黄鼠(Spermophilusbeecheyi)和草原犬鼠(Cynomysludovicianus)同样用足部敲击地面来防御敌害;还有旗尾更格卢鼠(Dipodomysspectabilis)通过后足敲击地面,发出保护领域的警告信号。此外,很多行为学证据表明一些地下哺乳类动物都利用震动信号从其生活环境中收集信息。包括金毛鼹科(Chrysochloridae),鼢鼠属(Myospalax)的一些动物,都对震动波敏感。由敲击而产生的动物通讯信号的功能和演化,是一个非常有研究价值的问题。不同种类之间产生震动通讯的差异性提供了物种多样性的探究题材。4低频声波敏感试验国内外已对70余种哺乳动物的听力做过研究,结果表明,虽然所有哺乳动物同样具有中耳和内耳,但因生活环境不同,其听域相差很大。如水中生活的鲸类和空中生活的翼手类,可听到超声波,其听域频率为8KHz~128KHz;生活在地下的啮齿类动物,如裸鼢鼠(Heterocephalusglaber)、鼹形鼠(Spalaxehrenbergi)等对低频声波敏感,对高频声波的听觉很差,其听域频率为80Hz~10KHz,一般低于8KHz;而大象等少数兽类可听到次声波,种群间约75%的通讯采用次声波。听觉能力的改变是动物对环境的适应。鼹形鼠、隐鼠(Cryptomyshottentotus)能听见的声音最高频率为10kHz;鼹形鼠在天然洞穴中,接受气传导声波的最佳频率为440Hz,裸鼢鼠在4KHz听力最好。尽管总体的听力敏感度较低,地下鼠在小于0.8KHz的低频范围内听觉较为敏感,类似于袋鼠鼠和沙鼠这两种地面鼠对低频声波的敏感度。听觉电生理研究和听觉行为学研究表明,鼹形鼠适应低频听觉,并对1.0KHz左右的声波最为敏感,高频区听觉能力非常微弱,在10~12KHz时急剧下降。对甘肃鼢鼠和根田鼠进行听性脑干电位的测定发现,营地下生活的甘肃鼢鼠在短声刺激诱发下,其对中频声波的听觉能力在40±5dB(SPL)水平,超过32kHz的声刺激基本上不能诱发出相关脑干电位,未产生实际波形图。说明甘肃鼢鼠对中低频声波听觉能力较好,而对高频声波的听觉能力较差。营地面生活的根田鼠在短声刺激诱发下,听阈为21±0.67dB(SPL),超过32kHz仍能诱发出相关电位,说明其处理高频声波的能力较强。而造成这样的差异是与物种生活环境密不可分的。甘肃鼢鼠和根田鼠听性脑干诱发电位图显示,甘肃鼢鼠在Ⅲ波以后的波形均得不到很好的相关性,波峰较少,在高频刺激下最低听阈很高,说明对14KHz以上高频声波不敏感。根田鼠在高频率下波比较多,一般多于6个,而且相关性很好,这表明根田鼠在高频刺激下听力较好。而波形多则表明其处理高频中枢比较复杂。虽然甘肃鼢鼠在高频听力不敏感,在低分贝时没有很好的波峰出现,但它对声波的刺激有明显反应,有很多乱而杂的波出现,分析可能是对背景的杂音比较敏感而出现动作电位。根田鼠在出现明显的波峰后出现平缓的近于直线的图形,可能是根田鼠对背景杂音不敏感所致。已知耳蜗蜗核(同侧)、蜗神经(同侧)、外侧丘系核(双侧)、上橄榄核(双侧)和下丘核(双侧)均可诱发听性脑干反应诱发的听神经电位,在波形图上依次产生了I至V波。在甘肃鼢鼠短声刺激诱发出的图形中,甘肃鼢鼠在Ⅲ波以后的波形均得不到很好的相关性,波峰较少,在高频刺激下最低听阈很高,对14KHz以上高频声波不敏感。说明甘肃鼢鼠对声波的分辨能力可能只限于极少神经核团活动,其听觉中枢神经对高频声波的活动已不明显。在相同条件下,根田鼠听性脑干反应诱发得到的波形图显示,其Ⅳ波和Ⅴ波明显,并有相关性较好的Ⅵ波,在高频刺激下听阈较高,反映出根田鼠听觉中枢发达,对高频声波敏感。甘肃鼢鼠的最敏感声频在12kHz左右,最低听阈达到39±0.83dB(SPL),相同测试条件下,根田鼠的最佳听觉频率在24kHz左右,最低听阈达到19±0.17dB(SPL),测试结果可以看出,甘肃鼢鼠在低频区听觉能力有限,最佳听觉能力在中频区。甘肃鼢鼠、根田鼠在给予1.8KHz的刺激时,听力衰减最为明显,提高刺激频率,听觉逐渐恢复。可见,无论是地面鼠还是地下鼠,听觉在某一范围内有相似的局限性。由于受地下生活环境的胁迫,营地下生活啮齿动物的听觉器官发生适应性改变,其听觉能力也趋向于中低频声波,逐步丧失对高频声波的听觉能力。其对高频声波的听觉能力远远不及地面鼠类。其原因可能是与地下土壤环境不利于高频声波的传递有关,地下啮齿类物种对低频敏感的听觉是对独特的