在内耳深处，微小的细胞正忙于将声音的振动转换成大脑可以解读的电信号。这些听觉内毛细胞（inner hair cells，IHCs）以非凡的精确度和灵敏度完成这项任务。但是，它们究竟是如何将环境中嘈杂的声音转化为可辨别的、有意义的声音的呢？新的研究揭示了钾离子通道（K+）在这一复杂过程中的惊人作用，展示了声音检测的灵敏度和动态范围1。

翻译声音

声音的世界充斥着各种频率和强度的声音。哺乳动物的内耳是 IHCs 的发源地，具有处理和解释这一广泛频谱的非凡能力。这种能力是通过在内耳毛细胞和外毛细胞（outer hair cells，OHC）中将音调声频图转换成电信号而实现的。然后，这些细胞会产生去极化和超极化受体电位。在 IHC 中，这些电位会激活电压门控钙离子通道（Ca2+），从而触发神经递质的释放，并点燃听觉神经元的动作电位。

沿着耳蜗轴，受体电位的特征差别很大。这就好像耳蜗的不同区域 "擅长 "对声音的不同方面进行编码：有些区域更擅长追踪频率，有些区域则擅长追踪强度。这些调谐的分级是通过三种电压依赖性钾电流的不同组合实现的。尽管这一过程已得到证实，但仍有一个问题没有得到解答：这些 IHC 是如何编码如此复杂的声景的？

探测钾离子通道

德国和澳大利亚的研究人员最近开展了一项合作，旨在解开这个听觉之谜。研究小组发现，IHCs表达一套独特的六种电压依赖性钾传导组合，每种传导都由不同的通道调节。这些通道在静止时都处于活跃状态，但在声音刺激时，它们的活性会发生很大变化。这种可变性实现了一种非饱和调谐，使 IHCs 能够在巨大的电位范围内做出反应。这些电导中的每一个都有助于优化反应，但所有通道的综合活动协同增强了相位锁定和 IHC 可以编码的动态强度范围。

研究小组利用 RT-PCR 和荧光免疫组化技术证明了耳蜗裂解物和细胞中 Kv11.1（通过 #APC-016）、Kv11.2（通过 #APC-114）和 Kv11.3 通道的表达（图 1）。

免疫组化显示钾离子通道的表达

图 1. Kv11 通道的表达分析。(A+B）用针对 Kv11 通道的抗体在（A）急性分离的 Corti 器官顶端转折处和（B）中国仓鼠卵巢（CHO）细胞中进行免疫组化。面板显示的是用指定抗体染色的细胞/组织的共聚焦 Z 叠的最大强度投影。(A）使用针对 Kv11.2（左）（Anti-KCNH2 (erg1) Antibody (#APC-016) ）和 Kv11.3（右）（Anti-KCNH6 (erg2) Antibody (#APC-114) ）的抗体时，我们没有在 IHC 中检测到阳性信号。请注意，通过使用针对肌球蛋白 VIIa 的抗体（红色）进行染色，IHC 得到了突出显示。在这些实验中，我们在靠近 IHC 的支持细胞中检测到抗-Kv11.3 信号（所有比例尺代表 10 μm）。(B）是在 CHO 细胞中进行的对照实验，目的是评估所使用抗体的特异性（用 DAPI 共同染色细胞以观察细胞核，并用 Lyn11-RFP 作为转染标记物共同转染细胞）。(B1）描绘的是转染了 Kv11.1（左）、Kv11.2（中）或 Kv11.3（右）的 CHO 细胞，用靶向各自通道的一抗和适当的二抗（阳性对照）处理。(B2)显示用一抗和二抗处理的未转染 CHO 细胞（阴性对照）。(B3）显示的是转染了 Kv11.1（左）、Kv11.2（中）或 Kv11.3（右）（连同 Lyn11-RFP）的 CHO 细胞，只用二抗处理（二抗对照）。由于我们在未转染的 CHO 细胞中（B2）和未使用一抗的情况下（B3）未检测到任何阳性表达，因此我们得出结论，所使用的抗体能特异性识别 Kv11 通道（B1 中的比例尺代表 10 μm，B2+B3 中的比例尺代表 40 μm）。图片和图例来自 Dierich M 等人，《细胞报告》，2020;32(1):1078691。

令人惊讶的是，研究小组在 IHCs 中发现了三个以前未知的钾传导贡献者： Kv1.8、Kv11.1 和 Kv12。这些通道在 IHCs 中具有功能性，并共同介导了很大一部分钾电流，这是通过它们的药理学特征确定的。然而，另一种钾离子通道 Kv3.3 在 IHCs 中并不存在。
 

虽然IHCs中的Kv12.1电流表现出主要的模式转换，但研究人员找不到证据证明这种现象与声音编码有关。不过，他们被这样一个想法吸引住了，即在持续的声音刺激或病理去极化的情况下，IHCs 的生物物理特性可能会通过这种模式转换而发生变化，从而为固有的 IHC 膜调谐增添一层额外的专业性。
 

钾传导的另一个贡献者 Kv7.4 在 IHCs 中介导两种不同的成分。这一观察结果表明，毛细胞特异性相互作用伙伴可能决定了 IHCs 中 Kv7.4 的特性。由于这些电导的比例决定了受体电位的声调差异，这一发现表明 IHCs 在进化过程中适应了复杂声音的编码。

声音背后的毛细胞复杂性

各种钾离子通道的表达是一种重要的进化适应，可提高 IHC 反应的动态范围和时间精度。这些通道具有更高阶的波尔兹曼非线性，在接近静息时具有陡峭的灵敏度，在整个生理电位范围内都不会达到饱和。这与它们在声音刺激时的独特激活相结合，使 IHCs 能够编码一系列广泛的声音强度和频率，揭示了一个错综复杂、微妙平衡的声音编码系统，凸显了我们听觉器官的复杂性和独创性。
 

这项研究丰富了我们对听觉系统的认识，提供了一个新的视角，让我们了解离子通道如何使我们的耳朵能够处理每天环绕在我们周围的丰富的声音。最终，这一洞察力让我们离解码宏大的声音交响乐更近了一步，我们的耳朵如此美妙地将这些声音转化为我们所熟知的世界。
 

【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.