La coclea, la struttura dell'orecchio interno deputata alla trasduzione sensoriale
uditiva, è uno dei piu' straordinari prodotti dell'ingegneria evoluzionistica. Essa
contiene un sofisticatissimo dispositivo di sensori capaci di trasdurre in pochi
microsecondi gli stimoli sonori in segnali nervosi, riproducendone fedelmente le
caratteristiche di intensità e frequenza. Inoltre, è dotata di un potente meccanismo
di amplificazione attiva del segnale, che incrementa ulteriormente la prestazione
dell'apparato recettoriale uditivo in termini di sensibilità e di capacità di discriminazione
in frequenza. Tutto questo diviene ancora piu' sorprendente quando si pensa che queste
funzioni sono svolte da appena 15-16.000 cellule recettrici, contenute in una struttura
non piu' grande di un pisello.
La coclea è un canalicolo spiraliforme situato nella regione anteriore del labirinto osseo, che, nell'uomo, compie due giri e mezzo su una lunghezza di circa 35 mm . Al suo interno, le strutture del labirinto membranoso delimitano tre scale (o rampe) che corrono parallele per tutta la lunghezza. La scala vestibolare parte dalla finestra ovale, nella quale è inserita la platina della staffa, sale fino all'apice del canalicolo cocleare, dove - attraverso l'elicotrema - comunica con la scala timpanica. Quest'ultima termina alla base della coclea, in corrispondenza della finestra rotonda, un forellino nell'osso temporale chiuso da una membrana elastica. Fra queste due scale si trova la scala media. Di sezione triangolare con l'apice rivolto verso il modiolo, la scala media è delimitata da tre membrane: la membrana basilare, che la separa dalla scala timpanica, la membrana di Reissner, che la separa dalla scala vestibolare, e la stria vascolare, che la delimita verso la faccia esterna della coclea
Le scale timpanica e vestibolare contengono perilinfa, mentre la scala media contiene endolinfa. L'apparato recettoriale uditivo vero e proprio è costituito dall'organo di Corti, un ispessimento dell'epitelio che copre la membrana basilare, il quale contiene, oltre a cellule di sostegno, i recettori acustici: le cellule cigliate.
Nella coclea dei mammiferi vi sono due popolazioni distinte di cellule cigliate,
chiamate cellule cigliate interne ed esterne secondo la loro posizione rispetto
al modiolo. La porzione apicale delle cellule recettrici presenta una sofisticata
struttura trasduttrice, il ciuffo di stereociglia, che si affaccia nel lume della
scala media. Sopra i ciuffi è posta la membrana tectoria, che articola con le stereociglia
piu' lunghe delle cellule cigliate esterne. Lo stimolo sonoro viene raccolto dalla
membrana del timpano e trasferito attraverso la catena degli ossicini alla
platina della staffa che compie un movimento simile a quello di un pistone
all'interno della finestra ovale. La trasmissione della vibrazione ai liquidi endolabirintici
è resa possibile dalla presenza della membrana elastica posta sulla finestra rotonda
che compie un movimento reciproco rispetto a quello della platina della staffa.
In questo modo la vibrazione si propaga attraverso la perilinfa delle scale vestibolare
e timpanica e viene trasmessa alla scala media che entra, a sua volta, in vibrazione.
Le membrane basilare e tectoria vibrano con un movimento simile a
un battito d'ali, facendo perno sul punto di inserzione sul modiolo. Dato che le
due membrane hanno punti d'inserzione diversi, durante la vibrazione compiono movimenti
di scivolamento reciproco, che si trasmettono ai ciuffi delle cellule cigliate esterne
e interne. Il movimento del ciuffo di stereociglia riproduce fedelmente l'ampiezza
e la frequenza della vibrazione impressa alla membrana basilare dallo stimolo sonoro.
Le cellule cigliate sono elementi epiteliali specializzati per la trasduzione sensoriale
meccanoelettrica, situati in regioni specifiche dell'epitelio che ricopre la superficie
interna del labirinto membranoso, quali le macule dell'utricolo e del sacculo, le
creste ampollari dei canali semicircolari e l'organo di Corti della coclea. Nell'organo
di Corti dei mammiferi, le cellule cigliate interne, circa 3.500, sono disposte
in un'unica fila per tutta la lunghezza della membrana basilare, mentre le cellule
cigliate esterne, circa 12.000, sono disposte in tre file parallele. Le cellule
cigliate hanno forma cilindrica. La porzione basale della cellula poggia sugli elementi
epiteliali di sostegno e, oltre ai diversi organuli deputati alle funzioni biologiche
essenziali, presenta strutture specializzate per la trasmissione sinaptica in contatto
con i prolungamenti periferici dei neuroni del ganglio di Corti o, nel caso
delle cellule esterne, con i terminali degli assoni efferenti provenienti dal sistema
nervoso centrale. La porzione apicale si affaccia nel lume della scala media e contiene
il ciuffo delle ciglia, deputato al processo di trasduzione. Dato che la superficie
luminale del-l'epitelio che ricopre la scala media è sigillata da giunzioni serrate,
le due porzioni della cellula cigliata sono esposte a condizioni ambientali differenti:
quella apicale è immersa nell'endolinfa, mentre quella basale è circondata dal normale
liquido extracellulare. Nonostante queste caratteristiche comuni, le due popolazioni
di cellule recettrici presentano profonde differenze di struttura e di innervazione
che riflettono il diverso ruolo funzionale.
Le cellule cigliate sono dotate di innervazione afferente, deputata a trasmettere i segnali nervosi al sistema nervoso centrale, e di innervazione efferente, proveniente dal sistema nervoso centrale e destinata a regolare la funzione dei recettori. Tuttavia, le modalità di innervazione delle cellule esterne e interne sono profondamente diverse.
Le cellule interne trasmettono l'informazione sensoriale
ai prolungamenti periferici dei neuroni di tipo Idei ganglio di Corti, i cui neuriti
centrali mielinizzati si dirigono ai nuclei cocleari. I neuroni di tipo I sono circa
30.000 e rappresentano il 95% della popolazione neuronale del ganglio. Ogni cellula
cigliata forma, in media, dieci contatti sinaptici con altrettanti neuroni sensoriali,
ognuno dei quali riceve informazioni da un singolo recettore. In altri termini,
ogni cellula cigliata interna possiede numerosi canali privati attraverso i quali
invia il proprio segnale al sistema nervoso centrale. Va sottolineato che il numero
di prolungamenti periferici in contatto con una singola cellula recettrice è maggiore
nelle porzioni centrali della coclea e diminuisce andando verso la base o l'apice.
Questo suggerisce che l'innervazione sia organizzata in modo da privilegiare la
trasmissione di frequenze particolarmente rilevanti per la specie. L'innervazione
efferente delle cellule interne deriva dai neuroni del nucleo olivare superiore
laterale ipsilaterale (sistema efferente laterale), i cui assoni non terminano sul
recettore, ma si articolano con l'elemento postsinaptico posto sul prolungamento
periferico del neurone del ganglio di Corti. Le cellule cigliate esterne sono in
contatto con i prolungamenti periferici dei neuroni amielinici di tipo II, che rappresentano
il 5% restante dei neuroni del ganglio di Corti e proiettano ai nuclei cocleari.
In generale, ogni prolungamento periferico è dotato di diverse ramificazioni terminali
e prende contatto con numerosi recettori. Le cellule esterne possiedono un'importante
in-nervazione efferente, che origina bilateralmente dal nucleo olivare superiore
mediale {sistema efferente mediale) e prende contatto direttamente con la porzione
basale della cellula. Le cellule interne hanno, quindi, connessioni afferenti notevolmente
divergenti e sono dotate di numerosi canali di trasmissione privati; l'innervazione
efferente prende contatto con l'elemento post-sinaptico, il prolungamento periferico
del neurone del ganglio di Corti. Le cellule esterne hanno connessioni afferenti
fortemente convergenti con appena il 5% dei neuroni del ganglio di Corti, ma possiedono
un'importante innervazione efferente che termina direttamente sul recettore.
Queste diverse modalità di innervazione suggeriscono che le cellule interne svolgano
la funzione recettoriale vera e propria con notevoli capacità di discriminazione
e analisi dello stimolo sensoriale. Per contro, l'innervazione delle cellule esterne,
piu' simile a quella di un organo effettore che sensoriale, indica che esse svolgono
una diversa funzione, che necessita di un fine controllo centrale.
Un'importante caratteristica della cellula cigliata è quella di essere situata all'interfaccia
fra l'endolinfa, contenuta nella scala media, e il liquido extracellulare, nel quale
è immersa la porzione basolaterale del recettore. L'endolinfa ha una composizione
ionica particolare, con un'alta concentrazione di ioni potassio (K+) e una bassa
concentrazione di ioni sodio (Na+), determinata dall'attività di pompe sodio-potassio
situate nelle membrane delle cellule marginali della stria vascolare, le quali trasportano
attivamente ioni K+ dal liquido extracellulare all'endolinfa, scambiandoli con ioni
Na+ . Grazie a questa condizione, fra l'endolinfa e il liquido extracellulare vi
è una differenza di potenziale pari a circa +80 mV . Dato che il potenziale di
riposo delle cellule cigliate (la differenza di potenziale fra l'interno della cellula
e il liquido extracellulare) è intorno a -60 mV, fra l'interno del recettore e la
scala media vi è una differenza di potenziale di circa -140 mV, che svolge un ruolo
fondamentale nel processo di trasduzione.
La
trasduzione dello stimolo acustico in un segnale bioelettrico è operata dal ciuffo
di ciglia: lo stimolo meccanico prodotto dall'onda sonora determina una deflessione
del ciuffo, che viene trasformata in una variazione della permeabilità ionica
della membrana e quindi del potenziale di membrana del recettore. Sebbene la struttura
del ciuffo sia differente nelle cellule interne e in quelle esterne, il meccanismo
della trasduzione è simile in entrambe le popolazioni recettoriali.
Ogni ciuffo è costituito da alcune decine di stereociglia, rigide estroflessioni
citoplasmatiche di forma cilindrica ripiene di filamenti di actina, che protrudono
nella scala media. Le stereociglia che compongono un ciuffo hanno diversa lunghezza
e sono precisamente disposte in linee parallele ordinate secondo l'altezza, come
le canne di un organo. La punta di ogni stereociglio è connessa con lo stereociglio
adiacente appartenente alla fila successiva per mezzo di un filamento proteico,
detto tip-link. Alle estremità il tip-link è collegato con la porta di una proteina
canale, detta canale di trasduzione, situata nella membrana dello stereociglio.
Il tip-link è costituito da una catena di molecole di caderina 23
disposte in doppia elica a formare un filamento poco estensibile, connesso all'estremità
con una molecola di anchirina, la quale è invece elastica. Nell'insieme,
l'apparato funziona come una molla: se viene messo in trazione, la porta del
canale si apre e gli ioni possono fluire attraverso il poro; se viene
rilasciato, la porta si chiude e il canale non è piu' pervio. La disposizione a scalare delle
file di stereociglia di diversa lunghezza fa si' che quando il ciuffo si flette verso
la fila delle stereociglia piu' lunghe, la distanza fra le punte delle stereociglia
delle file successive aumenta, il tip-link viene stirato e le porte dei canali si
aprono. Al contrario, un movimento in direzione opposta, avvicina le punte delle
stereociglia, riduce la tensione del filamento proteico e determina la chiusura
del canale di trasduzione .
La risposta della cellula cigliata agli stimoli meccanici dipende dunque dalle caratteristiche strutturali del ciuffo e, in particolare, dalla precisa organizzazione delle file di stereociglia disposte secondo l'ordine di altezza e dalla disposizione dei tip-link che collegano le stereociglia di file adiacenti. Il ciuffo presenta quindi un preciso asse di polarizzazione morfologica parallelo al gradiente di altezza delle stereociglia. Quando il ciuffo si trova in posizione di riposo, i tip-link non sono completamente rilasciati e i canali di trasduzione sono in parte aperti. Questa condizione è particolarmente importante poichè permette alla cellula recettrice di rilevare deflessioni del ciuffo dirette in entrambe le direzioni lungo l'asse di polarizzazione. La deflessione verso le stereociglia piu' alte induce una depolarizzazione del recettore, mentre la deflessione in direzione opposta induce un'iperpolarizzazione. In questo modo, il potenziale di membrana del recettore varia secondo il movimento delle stereociglia, riproducendo fedelmente le fasi di compressione e decompressione dell'onda sonora, almeno fino a frequenze di alcuni chilohertz. Nella fase di compressione lo stimolo sensoriale spinge il ciuffo verso la fila delle stereociglia piu' alte, determinando l'apertura dei canali di trasduzione. La differenza di potenziale di -140 mV fra l'interno della cellula cigliata e l'endolinfa genera un flusso di ioni K+ verso l'interno del recettore. L'ingresso delle cariche positive depolarizza la cellula, generando il cosiddetto potenziale di recettore. La variazione di potenziale induce l'apertura di canali del calcio voltaggio-dipendenti, posti nella membrana basolaterale della cellula. L'ingresso di questi ioni incrementa ulteriormente la depolarizzazione e innesca la liberazione di neurotrasmettitore a livello dei contatti sinaptici con i prolungamenti periferici dei neuroni del ganglio di Corti. Nella fase successiva, lo stimolo meccanico spinge il ciuffo verso la fila delle stereociglia piu' basse, determinando la chiusura dei canali di trasduzione e interrompendo il flusso di ioni K+ . Gli ioni calcio (Ca2+), fluiti all'interno della cellula cigliata, inducono l'apertura di canali permeabili per gli ioni K+ posti sulla membrana della porzione basolaterale del recettore. A questo livello la cellula cigliata è immersa nel liquido extracellulare e il gradiente elettrochimico spinge gli ioni K+ verso l'esterno. Contemporaneamente, gli ioni Ca2+ vengono attivamente estrusi per mezzo di pompe ioniche poste sulla membrana del recettore. Si determina cosi' un flusso di cari-che positive verso l'esterno che iperpolarizza la membrana del recettore e interrompe la trasmissione sinaptica. Il potenziale di riposo viene nuovamente raggiunto alla fine del ciclo dell'onda sonora, quando le stereociglia tornano alla posizione di partenza e ha inizio un nuovo ciclo. Le variazioni del potenziale di membrana, la quantità di neurotrasmettitore liberato e la conseguente attività dei neuroni del ganglio di Corti sono proporzionali all'entità delle deflessioni del ciuffo di stereociglia, che sono tanto piu' marcate quanto piu' forte è lo stimolo. In questo modo, il recettore misura l'intensità dello stimolo meccanico e la traduce in un preciso codice di segnali bioelettrici. Va ancora sottolineata l'altissima sensibilità di questa struttura che è in grado di rispondere a spostamenti delle stereociglia dell'ordine di pochi nano-metri: uno stimolo di 60 dB induce uno spostamento delle stereociglia di appena +10 nm, mentre il movimento prodotto da uno stimolo al livello di soglia è inferiore a 1 nm.
Fin dai primi studi di fisiologia dell'apparato uditivo è stato riconosciuto che una funzione sensoriale fondamentale svolta dalla coclea è di operare l'analisi spettrale delle frequenze che compongono lo stimolo sonoro . Hermann von Helmoltz (1821-1894) propose che la membrana basilare fosse costituita da una serie di elementi capaci di risuonare selettivamente per le diverse frequenze dello spettro udibile. Georg von Bèkèsy (1899-1972) dimostro' che lo stimolo sonoro produce un'onda viaggiante che si propaga lungo la membrana basilare. A causa delle caratteristiche meccaniche di quest'ultima, stretta e rigida alla base della coclea e via via sempre piu' larga e flessibile andando verso l'apice, le onde generate da stimoli di differente frequenza si propagano per distanze diverse e, soprattutto, raggiungono il picco di ampiezza massima in punti precisi, caratteristici per ogni frequenza. In questo modo le frequenze dello spettro udibile vengono rappresentate in maniera continua lungo la membrana basilare: le alte frequenze nelle porzioni basali, le basse frequenze in quelle apicali. Secondo questo modello la capacità di un recettore di rispondere selettivamente a una determinata frequenza dipende esclusivamente dalla propria posizione sulla membrana basilare. Negli anni Quaranta, tuttavia, si ipotizzo' l'esistenza di meccanismi attivi che amplificano lo stimolo meccanico e modificano la forma dell'onda viaggiante in modo da aumentare la sensibilità e la selettività in frequenza dei recettori. L'ipotesi dell'esistenza di un meccanismo attivo è stata suffragata dall'osservazione che, in certe condizioni, l'orecchio è in grado di produrre suoni, le cosiddette otoemissioni acustiche, che possono essere registrate da un microfono posto in prossimità della cassa timpanica. Negli ultimi ventanni la ricerca in questo campo ha ottenuto risultati straordinari che hanno permesso di chiarire gran parte dei processi cellulari e molecolari che costituiscono il meccanismo attivo di amplificazione dello stimolo acustico.
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