Fisiologia cocleare: basi anatomiche, cellulari ed elettrofisiologiche

Fisiologia cocleare: basi anatomiche, cellulari ed elettrofisiologiche

 I – 20-020-A-10 Fisiologia cocleare: basi anatomiche, cellulari ed elettrofisiologiche N. Saroul, F. Giraudet, L. Gilain, T. Mom, P. Avan Fino al 1...

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I – 20-020-A-10

Fisiologia cocleare: basi anatomiche, cellulari ed elettrofisiologiche N. Saroul, F. Giraudet, L. Gilain, T. Mom, P. Avan Fino al 1980, la fisiologia cocleare sembrava gravitare intorno a una tonotopia passiva fornita dalla membrana basilare, di cui due grandi scienziati (Helmholtz e Békésy) avevano proposto e, poi, dimostrato il comportamento vibratorio sotto l’effetto di suoni di frequenza diversa. La complessità delle tappe presinaptiche dell’analisi periferica dei suoni è apparsa solo più di recente, innanzitutto con la scoperta di due categorie di cellule sensoriali dai ruoli differenti, le cellule ciliate esterne amplificatrici e le cellule ciliate interne trasduttrici. Lo studio dei loro ciuffi stereociliari ha, poi, rivelato un’architettura altamente specializzata nei confronti di una meccanotrasduzione dalle performance che raggiungono i limiti ultimi della fisica, reagendo con precisione a delle pressioni acustiche la cui ampiezza copre un intervallo da uno a un milione, per delle deflessioni della soglia uditiva che oltrepassano appena il picometro. L’avvento della genetica, seguito rapidamente da quello della fisiologia molecolare, ha, poi, permesso di scomporre i meccanismi fisiologici, molecola per molecola, per cominciare a comprendere realmente come vengono messe in atto le performance uditive normali, il modo in cui vengono influenzate in maniera diversa secondo la fisiopatologia del deficit e come diagnosticare con precisione la disfunzione e risalire alla sua origine. Riguardo alle stereociglia e alla meccanotrasduzione, lo studio delle sinapsi uditive ha rivelato l’esistenza di sottili meccanismi di neurotrasmissione per la codifica accurata delle intensità e delle strutture temporali fini. È progredito anche lo studio dei fluidi endococleari, della loro produzione, della regolazione della loro composizione ionica e della loro pressione e del riciclaggio degli ioni coinvolti nella trasduzione. Lo scopo di questo articolo è quello di riassumere lo stato delle conoscenze di anatomia macroscopica e fisiopatologia molecolare, a sostegno della logica che dovrebbe ormai permettere di individuare la causa precisa della sordità neurosensoriale, al fine di correggere i disturbi della percezione che essa comporta e di prendere in considerazione degli approcci terapeutici. © 2016 Elsevier Masson SAS. Tutti i diritti riservati.

Parole chiave: Fisiologia cocleare; Meccanotrasduzione uditiva; Amplificazione cocleare; Tonotopia cocleare; Onda propagata; Canale di meccanotrasduzione; Tip-link; Prestina; Sinapsi a nastro

 Introduzione

Struttura dell’articolo ■

Introduzione

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Descrizione anatomica macroscopica Coclea nell’orecchio interno Embriologia della coclea Vascolarizzazione della coclea Innervazione cocleare Fluidi cocleari

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Descrizione microscopica della coclea e basi molecolari dell’udito Parete laterale della scala media: stria vascolare e legamento spirale Fisiologia del microcircolo labirintico Fisiologia dell’omeostasi ionica labirintica Patologia uditiva e regolazione dell’omeostasi ionica del labirinto Fisiologia e patologia della regolazione dei fluidi labirintici Parete mediale della scala media: lamina spirale, lembo spirale, membrana tectoria Membrana basilare e organo del Corti Innervazione e fisiologia nervosa della coclea

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Conclusioni

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EMC - Otorinolaringoiatria Volume 15 > n◦ 1 > marzo 2016 http://dx.doi.org/10.1016/S1639-870X(16)76223-4

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L’orecchio interno traduce un segnale fisico, il suono, in segnali bioelettrici, cioè in potenziali d’azione a livello del nervo cocleare. Questo fenomeno viene chiamato trasduzione uditiva. La trasduzione avviene all’interno dell’orecchio interno e, in particolare, nella coclea. La fisiologia cocleare ha conosciuto, negli ultimi anni, dei grandi sconvolgimenti in parte dovuti all’approccio genetico che permette un’analisi molecolare della fisiologia uditiva. Lo scopo di questo articolo è quello di presentare i dati della fisiologia cocleare e di introdurre brevemente l’esplorazione di queste funzioni e delle loro conseguenze cliniche.

 Descrizione anatomica macroscopica Coclea nell’orecchio interno (Fig. 1) L’anatomia dell’orecchio esterno e medio è oggetto di un altro articolo dell’EMC. L’orecchio interno è costituito da una cavità

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D

E

A

B

C

Figura 1. La coclea nell’orecchio interno. A. Rappresentazione schematica dell’orecchio umano. L’orecchio è composto dall’orecchio esterno, dall’orecchio medio e dall’orecchio interno. L’orecchio interno è, a sua volta, diviso in due parti: la coclea, organo dell’udito, e il vestibolo, organo responsabile dell’equilibrio. B. Visione in microscopia elettronica a scansione di coclea di piccolo mammifero (gerbillo di Mongolia, Merione unguiculatus). Questa immagine mette in evidenza l’avvolgimento caratteristico della coclea. La membrana tectoria è stata rimossa durante la preparazione per mostrare le tre file di cellule ciliate esterne e la fila di cellule ciliate interne. C. Rappresentazione schematica di una sezione coronale della coclea. Questa sezione evidenzia la scala vestibuli in alto, la scala media in mezzo e la scala tympani in basso. Si vede precisamente, a livello della scala media, l’organo del Corti, con le sue tre file di cellule ciliate esterne e la fila di cellule ciliate interne. D. Vista ravvicinata, al microscopio elettronico a scansione, di ciuffi stereociliari di cellule ciliate esterne e di cellule ciliate interne. E. Rappresentazione schematica di una cellula ciliata esterna (4), sostenuta dalle cellule di Deiters (1), e del suo ciuffo stereociliare (3). 2. Stereociglia.

ossea irregolare, il labirinto osseo. Il labirinto osseo è costituito da due organi principali: l’organo dell’equilibrio (vestibolo e canali semicircolari) e l’organo dell’udito (coclea). La coclea è un canale a forma di spirale (canale spirale) avvolto intorno a un cono osseo che si chiama modiolo. Il suo avvolgimento comprende spire un po’più lunghe di due giri e mezzo. Il senso di rotazione è orario per la coclea destra e antiorario per la coclea sinistra. L’avvolgimento non avviene perfettamente su se stesso, in modo tale da creare una base mediale scavata corrispondente alla parte anteriore del condotto uditivo interno e un apice laterale corrispondente alla parte anteriore del promontorio. La parte ossea esterna prende il nome di capsula otica. Questa capsula otica ha due aperture: la finestra rotonda e la finestra ovale. Non avvolto, il canale spirale misura da 3,1 a 3,3 cm di lunghezza e da 1 a 2 mm di diametro (ma con un’alta variabilità interindividuale). Esso è diviso dalla lamina spirale che si avvolge intorno al modiolo. Questa lamina spirale è attraversata dai neuroni uditivi principali, il cui ganglio (ganglio spirale) si trova all’interno del modiolo. Il bordo periferico della lamina spirale viene completato dalla membrana basilare che si proietta alla periferia del canale spirale per dividerlo in due parti: la scala vestibolare (scala vestibuli) e la scala timpanica (scala tympani). La scala vestibuli termina nella finestra ovale, mentre la scala tympani termina nella finestra rotonda. Le due scale comunicano tra di loro all’apice del canale spirale mediante un orifizio chiamato elicotrema (superficie di circa 0,05 mm2 ). Il labirinto osseo comunica con lo spazio intracranico mediante l’acquedotto della coclea, che si apre nell’endocranio al di sotto del meato acustico interno (spazio subaracnoideo della fossa cerebellare).

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Il labirinto osseo contiene, al suo interno, il labirinto membranoso. Il labirinto membranoso è un lungo tubo di origine ectodermica diviso in labirinto posteriore membranoso e anteriore membranoso. Queste due parti comunicano tramite il ductus reuniens. Il labirinto membranoso ha la caratteristica di essere tappezzato da epitelio sensoriale. Nella parte anteriore, prende il nome di canale cocleare (chiamato anche scala media). Si tratta di un condotto a spirale, cieco, con un cul-de-sac alla sua origine nel vestibolo e un altro cul-de-sac alla sua fine nell’elicotrema. In sezione, il suo aspetto è approssimativamente triangolare con una parete inferiore o timpanica costituita dall’organo del Corti (chiamato anche organo spirale) e dalla membrana basilare, mentre, nella parte superiore o vestibolare, si trova la membrana vestibolare (membrana di Reissner), che separa il canale cocleare dalla scala vestibolare, e, nella sua parte esterna, un ispessimento particolare dell’endostio comprendente il legamento spirale che si collega alla membrana basilare e che, sopra di esso, presenta una zona altamente vascolarizzata chiamata stria vascolare.

Embriologia della coclea (Fig. 2) Nell’orecchio interno, i neuroni sensitivi acustici si sviluppano a partire da un particolare ispessimento dell’ectoderma: il placode otico. Questo placode si invagina e forma l’otocisti durante la quinta settimana di embriogenesi. L’otocisti è formata da due vescicole distinte, una vescicola dorsale che dà origine al vestibolo e una vescicola ventrale alla base della formazione della coclea. Il primo giro della coclea si forma a sette settimane e i due giri e EMC - Otorinolaringoiatria

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Periodo fetale 3 mese

Differenziazione delle cellule cocleari

Prima infanzia

Infanzia 5–6 anni

5 mese

nascita

2 anni

Coclea funzionale

Coclea matura

Vie uditive periferiche mature

Figura 2. Cronologia della maturazione funzionale della coclea e delle vie uditive.

Cervello uditivo maturo

2

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2 3

1

B

A

Figura 3. (secondo [2] ). A. Rappresentazione schematica della vascolarizzazione cocleare. Rappresentazione dell’avvolgimento dell’arteria spirale modiolare (1) a livello del modiolo; 2. parete laterale della coclea; 3. organo del Corti. B. Rappresentazione schematica della vascolarizzazione della parete laterale della coclea. Si distinguono quattro reti separate: una rete poststriale (1), una rete soprastriale (2), una rete della stria vascolare e una rete del legamento a spirale in parallelo ma senza interconnessione.

mezzo sono presenti a nove settimane. La coclea misura, a questo punto, 3 mm, per aumentare gradualmente di dimensioni fino al quinto mese. Gli spazi perilinfatici si incrociano al centro del mesenchima che circonda il canale cocleare durante l’undicesima settimana, poi l’ossificazione del labirinto osseo avviene tra il quinto mese fino alla nascita [1] ). A partire dal sesto mese, viene messa a punto la funzione cocleare. Anche in caso di estrema prematurità, è possibile testare in modo affidabile il sistema uditivo periferico. Va osservato che questo non è il caso del sistema uditivo centrale, che presenta una fase di maturazione postnatale e che può subire dei danni in caso di prematurità.

Vascolarizzazione della coclea [2, 3]

(Fig. 3)

La vascolarizzazione della coclea è costituita principalmente dall’arteria cocleare o dall’arteria spirale modiolare. Si tratta di un ramo dell’arteria cerebellare anteriore e inferiore. Questa continua attraverso l’arteria labirintica (chiamata anche arteria dell’orecchio interno). Questa arteria labirintica presenta una prima suddivisione in arteria cocleare comune e in arteria vestibolare anteriore. L’arteria cocleare comune si divide, a sua volta, in arteria vestibolococleare e in arteria cocleare propriamente detta. L’arteria vestibolococleare partecipa alla vascolarizzazione della coclea tramite un ramo cocleare che si ricongiunge all’arteria cocleare. L’arteria cocleare prende, poi, il nome di arteria spirale del modiolo a causa della sua forma. Lungo questo percorso, si formano, a intervalli regolari, piccoli rami radiali centrifughi. Si possono distinguere delle arterie radiali interne ed esterne: • arterie radiali esterne: il loro tragitto si delinea al di sopra della scala vestibuli per andare a formare un arco vascolare periferico. Possono, poi, essere distinte quattro reti: la rete soprastriale, la rete della stria vascolare, la rete poststriale e la rete del legamento spirale; • arterie radiali interne: formano un arco vascolare contenuto nella columella ossea. Compaiono quattro reti capillari, la rete EMC - Otorinolaringoiatria

del ganglio spirale, la rete del limbus, la rete della cassa timpanica e la rete più periferica, che è quella della membrana basilare. Il sistema venoso della coclea è più complesso e meno sistematizzato del sistema arterioso. A livello cocleare, vi è la presenza di due assi principali: la vena spirale anteriore, che drena la scala vestibuli e la lamina spirale ossea, e la vena spirale posteriore, che drena la scala tympani, il ganglio spirale e la parete esterna della scala media. Il sangue viene, poi, convogliato in tre collettori principali: la vena dell’acquedotto cocleare, la vena dell’acquedotto vestibolare e la vena del meato acustico interno.

Innervazione cocleare La coclea è innervata dal nervo cocleare, ramo del nervo cocleovestibolare o VIII paio di nervi cranici. Anatomicamente, il nervo si localizza in principio nel canale uditivo interno, da cui si dirige verso la fossetta cocleare. Penetra, dunque, nel modiolo attraverso i forami del modiolo e prosegue il suo cammino fino al canale spirale, dove si trova il ganglio spirale. Il canale spirale segue l’avvolgimento cocleare nei due giri e mezzo di spira della coclea. Poi, il nervo passa attraverso la lamina spirale per andare a innervare l’organo del Corti. Vi sono tre tipi principali di fibre nervose: le fibre afferenti, le fibre efferenti e le fibre del sistema nervoso autonomo.

Fluidi cocleari La coclea è un corpo pieno di liquido. Vi si distinguono due fluidi molto diversi: l’endolinfa e la perilinfa. La perilinfa occupa le scalae tympani e vestibuli, mentre l’endolinfa è contenuta nella scala media. Vi sono due tipi di perilinfa: la perilinfa della scala vestibolare e quella della scala timpanica; le due hanno una composizione molto simile

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a quella del liquido cerebrospinale: ricca di ioni di sodio (Na+ , 140 mM) e povera di ioni di potassio (K+ , 5 mM) e calcio (Ca++ , 1,2 mM). L’endolinfa ha una composizione unica nell’organismo. Si tratta di un fluido ricco di ioni K+ e povero di ioni Na+ , con le seguenti concentrazioni ioniche: 150 mM di K+ , 2 mM di Na+ , e 20 ␮M di Ca2+ . L’endolinfa presenta, inoltre, un potenziale elettrico molto positivo (di +100 mV nel piccolo roditore). L’endolinfa prodotta nella coclea circola in tutto il labirinto membranoso, compreso il vestibolo, fino al sacco endolinfatico. Il sacco endolinfatico gioca un ruolo di riassorbimento di questo liquido mediante il suo contatto stretto con il ricco reticolo venoso dell’acquedotto vestibolare.

 Descrizione microscopica della coclea e basi molecolari dell’udito Parete laterale della scala media: stria vascolare e legamento spirale La parete laterale della scala media è definita da due strutture: la stria vascolare situata medialmente e il legamento spirale situato lateralmente. La stria vascolare si compone di tre strati di cellule, le cellule marginali (più mediali), le cellule intermedie e le cellule basali (più laterali).

Stria vascolare Cellule marginali Le cellule marginali formano un monostrato di cellule epiteliali polarizzate. Il loro apice di forma esagonale è sormontato da microvilli che stanno a bagno nel fluido endolinfatico. Il contatto stagno tra le cellule è assicurato da giunzioni serrate [4] . La peculiarità di questo strato di cellule è quello di non riposare su una membrana basale. All’interno di queste cellule sono stati messi in evidenza più trasportatori ionici. Un cotrasportatore Na+ / K+ /due ioni cloro (Cl– ) localizzato sulla porzione posterolaterale della cellula [5] , un canale K+ al polo apicale della cellula, uno scambiatore di ioni Na+ / K+ dipendente dall’adenosina trifosfato (ATP) e un canale Cl– al polo basale delle cellule marginali. Cellule intermedie e cellule basali Le cellule intermedie sono situate lateralmente rispetto alle cellule marginali. Derivano dalla cresta neurale, contengono melanina e sono spesso descritte come melanociti [6] e, forse, coinvolte nei meccanismi di lotta contro lo stress ossidativo all’interno della coclea. Le cellule basali sono situate lateralmente rispetto alle cellule intermedie. Esse formano uno strato continuo in cui le cellule basali sono intimamente collegate da giunzioni serrate.

Legamento spirale Si trova tra la stria vascolare medialmente e la capsula otica lateralmente. Questa struttura è essenzialmente composta da tessuto connettivo riccamente vascolarizzato grazie a una rete capillare [7] . Questo legamento presenta un ruolo anche nell’ancoraggio della membrana basilare alla parete laterale. Vi sono stati messi in evidenza dei fibroblasti da stress capaci di contrazione. Ciò suggerisce che il legamento spirale avrebbe la capacità di regolare la tensione della membrana basilare e, quindi, di svolgere un ruolo attivo nei fenomeni dell’udito [8] . Un altro ruolo del legamento spirale sarebbe quello di mantenere l’equilibrio ionico nella coclea (cfr. infra).

Membrana di Reissner La membrana di Reissner separa la perilinfa della scala vestibuli dall’endolinfa (Fig. 1). È composta da due strati di cellule che formano, grazie alla loro unione, una membrana avascolare [9] , impermeabile al flusso passivo di ioni tra la scala vestibuli e la scala media. Questa membrana è, tuttavia, capace

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di trasporti ionici attivi attraverso canali ionici K+ / Cl– . È anche permeabile, in determinate condizioni, alle molecole d’acqua (cfr. infra).

Fisiologia del microcircolo labirintico [2] Fisiologia Sul piano anatomico, possono essere distinte quattro reti capillari presenti sulla parete laterale della coclea (cfr. supra): • la rete soprastriale del legamento spirale. È il sistema arteriolare precapillare. Si trova appena sopra uno spazio riempito di perilinfa. La sua disposizione suggerisce un ruolo nella filtrazione plasmatica per la produzione di endolinfa; • le reti del legamento spirale e della stria vascolare. Si tratta di due reti capillari situate parallelamente su un piano mediolaterale. All’interno di una stessa rete capillare sono presenti molte anastomosi. I capillari della rete striale sono generalmente di diametro maggiore (9-12 ␮m) rispetto a quelli del legamento spirale; • la rete postcapillare o poststriale. Raccoglie il sangue che scorre attraverso il legamento spirale e la stria vascolare. Il flusso sanguigno cocleare copre un volume estremamente ridotto (circa 1/1 000 000 della portata cardiaca), non pulsatile e a una distanza sufficiente (> 100 ␮m) dalle cellule sensoriali per non indurre un rumore di fondo. Nei vasi pre- e postcapillari si riscontra la presenza di cellule muscolari lisce e il flusso nella parete laterale della coclea è strettamente regolato. Al contrario, le reti capillari della stria e del legamento spirale non regolano il flusso di sangue, ma hanno un ruolo importante nel generare il potenziale endococleare e nel trasportare ioni. Una caratteristica delle reti della stria vascolare e del legamento spirale è la grande ricchezza di periciti. In queste reti è presente un rapporto tra periciti e cellule endoteliali di uno su due. Il ruolo di questi periciti nella coclea resta completamente da chiarire, ma, per analogia con la fisiologia retinica o renale, è, probabilmente, multiplo. I periciti potrebbero essere coinvolti nella regolazione dell’attività delle cellule endoteliali, avere un ruolo immunitario, ma anche agire come cellule staminali multipotenti capaci di differenziarsi in diversi altri tipi di cellule. Una delle principali caratteristiche del microcircolo cocleare è la sua capacità di autoregolazione. In questo modo, un’ampia variazione della pressione arteriosa sistemica può portare solo un piccolo cambiamento del flusso sanguigno cocleare. La regolazione del flusso è molto fine. Infatti, la trasduzione uditiva richiede una notevole quantità di energia e, pertanto, un apporto efficace di ossigeno e glucosi e una clearance di qualità dei metaboliti prodotti. Diversi fattori sono responsabili di questa regolazione. È possibile citare: le cellule muscolari lisce precapillari dotate di controllo neuronale (sistema nervoso simpatico), i periciti per la loro capacità di contrattilità, i fibrociti della stria vascolare attraverso il metabolismo dell’acido arachidonico dopo l’attivazione dell’enzima ciclossigenasi-1 (COX1) capace di vasodilatazione e, infine, molti metaboliti associati alla trasduzione dell’udito (monossido di azoto, prostaglandine, ATP, lattato, K+ ).

Patologia uditiva e regolazione della microcircolazione labirintica Esposizione sonora Una delle cause della perdita dell’udito constatata dopo l’esposizione al rumore potrebbe essere vascolare. Infatti, dopo l’esposizione al rumore, si osservano, nella stria vascolare, dei segni di ipossia con riduzione del calibro vascolare. Inoltre, è stato dimostrato che l’esposizione al rumore riduce la velocità del flusso sanguigno nei capillari [10] e il livello di espressione dell’enzima COX1.

Presbiacusia Una delle cause di presbiacusia potrebbe essere vascolare. Infatti, è stata notata, negli esseri umani, una perdita progressiva dei capillari del legamento spirale. Inoltre, alcuni EMC - Otorinolaringoiatria

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esperimenti su animali hanno messo in evidenza una microcircolazione ridotta negli animali vecchi rispetto agli animali più giovani [11] .

Fisiologia dell’omeostasi ionica labirintica Fisiologia L’endolinfa ha una particolare concentrazione di ioni, con il suo potenziale di riposo caratteristicamente molto positivo (100 mV nel piccolo roditore), chiamato potenziale endococleare (cfr. supra). Questo potenziale endococleare e l’alta concentrazione di potassio nell’endolinfa sono generati dalla stria vascolare. La Figura 4 descrive il processo mediante il quale il flusso di potassio attraverso la parete laterale della scala media è responsabile della formazione di questo potenziale. Il potassio rilasciato al momento dell’attivazione delle cellule ciliate viene captato dalle cellule di Deiters e trasportato attraverso le giunzioni comunicanti (gap junctions) fino ai fibroblasti della stria vascolare sulla parete laterale della scala media. Nel legamento spirale, il potassio può essere captato dai fibrociti tramite un trasportatore chiamato NKCC1. È un cotrasportatore che capta simultaneamente uno ione K+ , uno ione Na + e due ioni Cl– . Questo ione K+ può, infine, diffondersi alle cellule basali e alle cellule intermedie attraverso giunzioni comunicanti che formano una rete tra queste cellule. Nelle cellule intermedie, vi è la presenza di un canale in grado di espellere gli ioni K+ nello spazio intrastriale. Questo trasportatore è chiamato Kir4.1. Nello spazio intrastriale, lo ione K+ è captato nuovamente dal trasportatore NKCC1 che si trova al polo basale delle cellule marginali. Poi, viene secreto nella scala media da un trasportatore di nome KCNQ1/KCNE1, che si trova al polo apicale delle cellule marginali. È questa particolare fisiologia del trasporto degli ioni K+ a essere responsabile dell’alta concentrazione di K+ nella scala media e della generazione del potenziale endococleare [12] . È da notare che il potenziale endococleare è il riflesso del potenziale presente nello spazio intrastriale e non della composizione ionica dell’endolinfa, poiché nel vestibolo è presente questa stessa composizione ionica ma senza un potenziale endolinfatico. È stato dimostrato che, perché la secrezione di potassio avvenga in condizioni ottimali, è necessario che lo ione possa diffondersi liberamente tra i fibrociti del legamento spirale, le cellule intermedie e le cellule basali. Questa diffusione è assicurata da giunzioni comunicanti presenti tra le cellule [13] . Le molecole che formano queste giunzioni sono chiamate connessine. La concentrazione dello ione Cl– , come quella dello ione K+ , è strettamente regolata. Infatti, perché avvenga la secrezione di potassio, è necessario che lo ione K+ sia captato dal cotrasportatore Na-K-2 Cl. È, quindi, necessario che ci sia un riciclaggio degli ioni cloruro nello spazio intrastriale. Questi ioni vengono captati dalle cellule marginali tramite un trasportatore specifico chiamato Barttrin CIC-K.

Patologia uditiva e regolazione dell’omeostasi ionica del labirinto Mutazione di KCNQ1 KCNQ1 codifica per la subunità alfa del canale del potassio voltaggio-dipendente presente nel cuore e chiamato KVLT1. La mutazione autosomica dominante di KCNQ1 provoca la sindrome di Jervell-Lange-Nielsen. Questa sindrome è caratterizzata da sordità neurosensoriale congenita, bilaterale e profonda, e da un lungo intervallo QT rilevato all’elettrocardiogramma accompagnato da tachiaritmie ventricolari. Questa malattia molto rara ha una prevalenza variabile a seconda della popolazione studiata (1/200 000-1/1 000 000). Nel 50% dei casi circa, la malattia si manifesta prima dei 3 anni con il quadro tipico di un bambino sordo con episodi sincopali causati da stress, sforzo o paura. Questa situazione non è diagnosticabile se non quando la valutazione di tutta la sordità congenita include l’esecuzione di un elettrocardiogramma alla ricerca di un intervallo QT normale. EMC - Otorinolaringoiatria

Mutazione della connessina La connessina 26 è espressa in molte giunzioni comunicanti all’interno dell’organo del Corti e della parete laterale della scala media. La connessina 26 è codificata dal gene GJB2 che si trova nel locus DFNB1. Più della metà delle sordità genetiche recessive non sindromiche è causata da una mutazione di GJB2 e una particolare mutazione (35 delG) è responsabile di oltre il 70% di tutte le mutazioni di GJB2 [14–16] . Nel 50% dei casi, la sordità è profonda ed è grave o profonda nell’altra metà dei casi. Non è, generalmente, progressiva. Sono state descritte molte altre mutazioni delle connessine [17] .

Sindrome di Bartter Una mutazione nel gene della barttrina, che codifica per la subunità beta del canale Barttrin CIC-K, conduce alla sindrome di Bartter di tipo 4. Questa sindrome è caratterizzata da sordità e perdita renale di sodio [18] .

Gene PDS: pendrina La pendrina è una molecola responsabile del trasporto degli anioni (Cl− per la secrezione endolinfatica e I− per la secrezione tiroidea). Una mutazione nel gene PDS può essere responsabile della sindrome di Pendred o di una sordità isolata con trasmissione autosomica recessiva (DFNB4). La sindrome Pendred è una malattia genetica a trasmissione autosomica dominante caratterizzata da sordità neurosensoriale evolutiva o fluttuante, prelinguale o postlinguale precoce, deformità del labirinto osseo e gozzo ipoo eutiroideo che determina problemi di organificazione dello iodio. I modelli animali knock-out (KO) per il gene della pendrina presentano una dilatazione delle strutture dell’orecchio interno simile a quella della sindrome di Meniere, associata a una caduta del potenziale endococleare [19] .

Lesione legata al citomegalovirus [20, 21] L’infezione da citomegalovirus durante la gravidanza è la principale causa di sordità non sindromica congenita. Studi istologici sui feti hanno mostrato che, nelle infezioni da citomegalovirus, è la stria vascolare a essere coinvolta nel processo fisiopatologico. In effetti, si trovano inclusioni virali associate all’infiammazione nella stria vascolare e non nell’organo del Corti. Alla base della lesione secondaria dell’organo del Corti sarebbero la distruzione dell’organo stesso e la disregolazone del metabolismo del K+ e dei fluidi endolinfatici.

Fisiologia e patologia della regolazione dei fluidi labirintici Fisiologia Se, nella coclea, è fondamentale la regolazione dell’equilibrio ionico, lo è anche la regolazione dei volumi. L’insieme dei dati ottenuti deriva da esperienze con l’utilizzo di marcatori radioattivi iniettati nei fluidi labirintici. Ciò ha contribuito a determinare l’origine di questi fluidi [22] . Dunque, la perilinfa è di origine probabilmente doppia: deriva dalla “filtrazione” del plasma, attraverso la quale può essere determinata come una barriera ematoperilinfatica, e dalla secrezione a partire dall’area del lembo spirale. L’endolinfa ha come fluido precursore la perilinfa e non il plasma, a partire da meccanismi complessi di regolazione e di trasporto degli elettroliti. Abbiamo visto che la stria vascolare era responsabile della secrezione di K+ nell’endolinfa. Vi sono vie d’uscita del K+ endolinfatico: in tal modo, sono stati evidenziati, nella membrana di Reissner, dei canali attivati dallo stiramento (stretchactivated) [23] . Il K+ è normalmente utilizzato dalle cellule ciliate nelle quali entra in grandi quantità durante la meccanotrasduzione. Viene, poi, eliminato al polo cellulare basolaterale dove è, poi, captato dalle cellule non sensoriali. Il K+ potrebbe, in seguito, raggiungere il lembo spirale e, attraverso le cellule interdentali, essere riciclato nell’endolinfa oppure, attraverso il solco esterno, raggiungere la stria vascolare. L’acqua stessa subisce una fine regolazione del suo volume. Analogalmente alla fisiologia renale,

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Legamento spirale

Stria vascolare V

+80 mV 150 mM (K+)

Scala vestibuli (perilinfa) 0 mV 5 mM (K+)

I

Scala media (endolinfa) K+ Membrana tectoria

CCI

CCE Cellule di sostegno e cellule epiteliali

Limbo spirale

II

IV

Cellule del solco esterno Cellule di Deiters Scala tympani (périlymphe) 0 mV 5 mM (K+)

III

A

Cellule marginali

Cellule basali

Cellule del solco esterno

Fibrociti

Vasi sanguigni 3Na+

0 mV 5 mM (K+)

K+

3Na+

JC

Na+K+, –ATPasi

2K+ 2K+

K+ KCNQ1/ KCNE1

JC

Na+K+,–ATPasi K+ NKCC1

K+ Kir5.1

Kir4.1

K+ Na+ 2Cl–

K+ Cl–

K+

Kir4.1

ClC-K/ Barttin

Kir5.1

Cellule intermedie

K+ Na+ 2Cl–

K+

NKCC1

~+80 mV 150 mM (K+)

Scala media (endolinfa)

~+90 mV 150 mM (K+)

~+100 mV 1 ~2 mM (K+)

Stria vascolare (spazio intrastriale)

~-5 mV 150 mM (K+)

0 mV 5 mM (K+)

Legamento spirale (perilinfa)

B secondo [12] .

Figura 4. A. Rappresentazione schematica della circolazione degli ioni K+ e della formazione del potenziale endococleare nella parete laterale della coclea. Il K+ in uscita dalle cellule ciliate esterne viene rilevato dalle cellule di Deiters e, poi, trasportato fino ai fibrociti di tipo II e IV del legamento spirale attraverso una rete di giunzioni comunicanti che comprendono fibrociti, cellule basali e cellule intermedie. Il K+ viene, alla fine, rilasciato nell’endolinfa attraverso la stria vascolare. I e V, fibrociti di tipo I e V. La stria vascolare appare verde. CCE: cellule ciliate esterne; CCI: cellule ciliate interne. B. Descrizione schematica dell’apparato molecolare che permette il trasporto ionico a livello della stria vascolare. NKCC1: Na+ / K+ / 2Cl− cotrasportatore; GC: giunzioni comunicanti.

molti tipi di acquaporina, molecola canale elettivamente permeabile all’acqua, sono stati evidenziati nell’orecchio interno [24] , con otto sottotipi identificati. Questi sottotipi sono espressi in maniera ubiquitaria in tipi cellulari distinti, cosa che suggerisce che le acquaporine abbiano un ruolo fisiologico importante nella regolazione del volume della perilinfa e dell’endolinfa.

6

Nessuna patologia genetica umana che comporta una mutazione delle acquaporine è mai stata messa in evidenza, ma una mutazione che comporta sordità è stata ritrovata negli animali [25] . L’omeostasi globale del volume del fluido endolinfatico è stata spiegata da tempo tramite diverse ipotesi [26] : quella di un flusso EMC - Otorinolaringoiatria

Fisiologia cocleare: basi anatomiche, cellulari ed elettrofisiologiche  I – 20-020-A-10

Sacco endolinfatico

Coclea

Sacculo Dotto endolinfatico

Cl

K

Scambio osmotico d'acqua H 2O

Organo del Corti K

Membrana Stria di vascolare Reissner K Cl

Figura 5. Rappresentazione schematica del flusso endolinfatico in relazione con le variazioni di volume locale: modello schematico dei serbatoi proposti da Salt (secondo [26] ). I compartimenti endolinfatici sono rappresentati come dei serbatoi comunicanti tra di loro grazie a dei fini condotti. Numerosi flussi locali (frecce continue) e aggiustamenti volumetrici locali (frecce tratteggiate) modulano il volume di ciascun compartimento, ma gli scambi tra i diversi serbatoi sono inesistenti allo stato normale. In caso di variazioni significative di volume in un serbatoio, può stabilirsi un flusso longitudinale per ripristinare il volume nel serbatoio con il sacco endolinfatico come sistema tampone principale. Il vestibolo, che non è illustrato, forma un serbatoio supplementare in grado di interagire con gli altri serbatoi.

longitudinale che tiene conto del fatto che il fluido endolinfatico possa circolare liberamente dalla scala media al sacculo e poi al sacco endolinfatico, la teoria del flusso radiale in cui lo scambio dei volumi fluidi era dominante localmente, in particolare durante gli scambi ionici, e una terza teoria, quella dei flussi dinamici. In definitiva, sembra che, in condizioni fisiologiche, non esista una circolazione longitudinale di liquido endolinfatico. Al contrario, in condizioni di inflazione o di deflazione di volume del liquido endolinfatico, un flusso longitudinale può comparire e contribuire all’omeostasi. Le procedure che mirano ad aumentare il volume del compartimento endolinfatico creano un flusso in direzione della base della coclea, contribuendo a ridurre il volume, invece le procedure che mirano alla sua riduzione creano un flusso in direzione dell’apice cocleare. Il ruolo assegnato al sacco endolinfatico in questa fisiologia è quello di un sistema tampone. Esso risponde alle variazioni di volume dando una risposta contraria. In questo modo, la regolazione del volume del liquido endolinfatico ha potuto essere schematicamente rappresentata con un modello di serbatoi (Fig. 5).

Patologia: la sindrome di Meniere Lo scopo di questo articolo non è quello di dare una visione d’insieme della fisiologia complessa della sindrome di Meniere, malattia dell’orecchio interno di causa sconosciuta, ma il cui substrato anatomopatologico è un idrope endolinfatico. Si caratterizza per l’associazione di una sordità fluttuante con un senso di ripienezza dell’orecchio, convulsioni vertiginose con segni neurovegetativi marcati e acufeni. Si distinguono in essa delle sindromi menieriformi a predominanza vestibolare o cocleare. L’ipotesi più comunemente accettata attualmente è quella di un difetto di riassorbimento endolinfatico da parte del sacco endolinfatico o di una sovraproduzione di endolinfa da parte dello stesso. Questo non spiega pienamente le sindromi a predominanza vestibolare o cocleare. Questo è ciò che cerca di fare il modello dei serbatoi di Salt che mette bene in evidenza il fatto che l’insufflazione in un serbatoio può essere unica (l’eziologia esatta del deficit di controllo di un serbatoio resta ancora da chiarire), anche se vi sono interconnessioni attraverso dei fini condotti con gli altri serbatoi. Questo modello spiega bene la constatazione sperimentale dell’ablazione del sacco: si sviluppa un idrope, ma senza un disordine ionico endolinfatico, poiché gli scambi ionici avvengono localmente. EMC - Otorinolaringoiatria

Parete mediale della scala media: lamina spirale, lembo spirale, membrana tectoria (Fig. 6)

Lamina spirale Nella parte mediale della scala media si trova la lamina spirale. Questa lamina spirale è un sottile canale osseo attraverso il quale passano le fibre nervose dall’organo del Corti e verso di esso. La larghezza di questa lamina spirale diminuisce dalla base all’apice della coclea. Sulla sua parte libera, la lamina spirale presenta dei piccoli fori di perforazione denominati habenula perforata, attraverso i quali passano le fibre nervose, subito dopo aver perso la guaina mielinica.

Lembo spirale Il lembo spirale è una zona connettiva altamente vascolarizzata che sovrasta la lamina spirale. La membrana di Reissner è collegata ad esso nella sua parte mediale. Lateralmente, il lembo spirale dà un attacco alla membrana tectoria. Nella porzione laterale, il lembo ha una protuberanza (labbro vestibolare o dente di Huschke), seguita da una cavità a concavità laterale chiamata solco interno. La base del solco interno prende il nome di labbro timpanico. Il limbus è costituito da cellule epiteliali disposte in file radiali. Queste cellule sono state chiamate cellule interdentali o cellule T. Secernono la matrice della membrana tectoria [27] . Nella matrice del lembo, si possono trovare capillari, cellule simili a fibroblasti e numerosi filamenti. Poco si sa circa la sua fisiologia. Essa è ancorata al neuroepitelio uditivo che giace al di sotto, in un punto immediatamente adiacente e interno alle cellule ciliate interne (CCI), attraverso la banda di Hensen, e, grazie a un ispessimento della sua superficie inferiore (membrana di Kimura) che si restringe nella regione delle cellule ciliate esterne (CCE), è legata al ciuffo sterociliare di queste ultime. Il solco interno è formato lateralmente dall’organo del Corti, medialmente e inferiormente dalla lamina spirale e superiormente dalla membrana tectoria. Questo solco interno contiene dell’endolinfa. Le sue cellule assomigliano alle cellule di Claudius. Queste sono sormontate da microvilli. Poco si sa circa il loro ruolo.

Membrana tectoria (Fig. 7) La membrana tectoria è una struttura acellulare, fibrosa e gelatinosa che sovrasta l’organo del Corti. Possono essere distinte

7

I – 20-020-A-10  Fisiologia cocleare: basi anatomiche, cellulari ed elettrofisiologiche

1 2

3

14 15

4

Figura 6. Sezione coronale schematica di una coclea che rappresenta le varie strutture dell’organo del Corti. 1. Scala vestibolare (perilinfa); 2. osso; 3. membrana di Reissner; 4. membrana tectoria; 5. lembo spirale; 6. lamina reticolare; 7. cellule ciliate interne; 8. fibre nervose; 9. scala timpanica (perilinfa); 10. tunnel del Corti; 11. fibre efferenti; 12. cellule di Deiters; 13. membrana basilare; 14. dotto cocleare (endolinfa); 15. stria vascolare; 16. cellule ciliate esterne; 17. cellule di Hensen e di Claudius; 18. legamento spirale.

5 6 16

7

17 8 18 9 10

11

12 13

ZL ZMo

ZMa

MT FC

LS DH

Lo

SI

ng

d itu

ina

le

Figura 7. (secondo [32] ). A. Schema di una sezione coronale della membrana tectoria sovrastante l’organo del Corti. ZL: zona del lembo; ZMe: zona media; ZMa: zona marginale; RC: rete di copertura; MT: membrana tectoria; SI: solco interno; LS: lembo spirale; MB: membrana basilare; DH: dente di Huschke; CCE: cellule ciliate esterne. B. Rappresentazione di diverse forme di vibrazione della membrana basilare (onda propagata di Békésy) e della membrana tectoria, con un divario di risonanza di una mezza ottava tra i due sistemi.

Radiale

CCE MB

Trasversale

A

MT

MB

Base Apice

8

B

EMC - Otorinolaringoiatria

Fisiologia cocleare: basi anatomiche, cellulari ed elettrofisiologiche  I – 20-020-A-10

diverse aree: la zona del lembo, la zona media e la zona marginale. La zona del lembo è dove la membrana tectoria si attacca al lembo spirale. La zona media contiene fibre radiali dense (chiamate reti di copertura), che si trovano sulla superficie apicale. In questa zona media, sotto le reti di copertura, si trova una rete fibrosa, che corrisponde alla regione più spessa della membrana tectoria e, infine, in prossimità delle CCI si trova una struttura densa chiamata banda di Hensen. Collegamenti tra le CCI e la banda di Hensen sono stati evidenziati senza che sia stata chiarita la loro funzione. Più lateralmente, la membrana tectoria è composta da un’area conosciuta come zona marginale, da un’area densa, la banda marginale, e da una struttura situata più lateralmente, la rete marginale. Questa rete marginale presenta degli attacchi con l’organo del Corti tramite le cellule di Hensen. Nella parte inferiore di tale zona marginale, si distingue una particolare membrana, la membrana di Kimura (o di Hardesty), che interagisce con le CCE [28] . Le dimensioni della membrana tectoria variano lungo la coclea. Infatti, la larghezza su un piano radiale e la sua area di sezione aumentano dalla base all’apice della coclea. È presente un gradiente di densità di collagene che ha una densità superiore nella zona mediale vicina al limbus spirale, ma questo gradiente sembra sparire verso l’apice della coclea. Le fibre di collagene percorrono la membrana nella sua direzione radiale, sarebbe a dire secondo l’asse di deflessione dei ciuffi stereociliari delle cellule sensoriali. Sul piano ultrastrutturale, vi sono due tipi di sostanze: filamenti di collagene di 20 nm di diametro e una matrice fibrillare comprendente due tipi di fibrille: le fibrille di tipo A e B, altamente organizzate tra di loro. Sul piano molecolare, nella membrana tectoria si trovano molti tipi di collagene (prevalentemente di tipo II, V-like, IX e X) e tre glicoproteine non collageniche, l’alfatectorina (Tecta), la betatectorina (Tectb) e l’otogelina. Le proteine Tecta e Tectb e l’otogelina rappresentano circa il 50% delle proteine presenti nella membrana tectoria e la loro espressione molto alta è specifica nell’orecchio interno [29–33] . Fisiologia della membrana tectoria La membrana tectoria è stata da tempo considerata sul piano fisiologico come una semplice massa inerziale in contatto con le cellule sensoriali. Solo la membrana basilare è stata considerata come avente la possibilità di eseguire un’analisi della frequenza dell’informazione sonora, alla base della tonotopia cocleare. Più recentemente, la rigidità della membrana tectoria è stata misurata secondo i tre assi: longitudinale, radiale e trasversale (attraverso il suo spessore). Questa è massima in direzione radiale e il suo valore è uguale a quello delle stereociglia delle CCE. Lungo l’asse longitudinale, la sola differenza di rigidità osservata è strettamente limitata alla regione che copre le CCE. Questa rigidità diminuisce dalla base all’apice della coclea [34] . In senso radiale come in senso trasversale, dei lavori svolti su delle emicoclee hanno mostrato una diminuzione della rigidità dalla base all’apice della coclea [35] . Questi gradienti di rigidità della membrana tectoria attirano l’attenzione sulla sua proprietà intrinseca di sistema di risonanza, capace di agire in parallelo alla risonanza principale della membrana basilare. La risonanza della membrana tectoria è resa possibile mediante il suo aggancio laterale al modiolo, che gli conferisce una rigidità radiale, e può essere influenzata dai suoi legami alle stereociglia delle CCE che hanno anche una rigidità tonotopia-dipendente. Infatti, le misure di interferometria [36] confermano che la vibrazione della membrana tectoria è multimodale e complessa in tutti e tre i piani dello spazio. Nella direzione radiale in particolare, è stato dimostrato che la membrana tectoria ha, in questo punto, una risonanza propria a una frequenza inferiore rispetto a quella della membrana basilare [36] . Così, lungo l’asse longitudinale, le tonotopie della membrana basilare e tectoria sono diminuite di una semiottava (Fig. 7B). Il comportamento meccanico della membrana tectoria, come quello di un sistema di risonanza, dipende dalla frequenza dello stimolo rispetto alla frequenza di risonanza. Alla risonanza tonotopica della membrana basilare, la membrana tectoria viene eccitata di una semiottava sopra la sua risonanza propria e si comporta come un sistema regolato dalla sua massa: la membrana EMC - Otorinolaringoiatria

tectoria agisce, quindi, come una zavorra contro cui le CCE possono appoggiarsi per eseguire il loro feedback meccanico (cfr. infra). Nello stesso punto e con una frequenza inferiore di una semiottava rispetto alla frequenza di risonanza tonotopica della membrana basilare, la membrana tectoria entra in risonanza e presenta dei movimenti di ampiezza molto aumentata in rapporto alle altre frequenze. Questi movimenti contrastano il taglio delle stereociglia, causando una zona di insensibilità relativa delle CCE (un’antirisonanza per l’intero sistema formato dalle due membrane e dalle cellule ciliate). A una frequenza ancora inferiore, la membrana tectoria ha un’impedenza dominata dal termine della rigidità [37] . Patologia della membrana tectoria Lo studio di topi mutanti in cui dei componenti della membrana tectoria hanno smesso di essere sintetizzati o lo sono in una forma anomala (a causa di mutazioni dell’otogelina, dell’otoancorina e dell’alfatectorina [TECTA: DFNA12 e DFNA 8]), ha fatto luce su altri aspetti del funzionamento della membrana tectoria. Questi lavori si basano sulle registrazioni dei movimenti della membrana basilare e delle risposte del nervo uditivo realizzate in vivo. Così, il distacco della membrana tectoria dall’epitelio sottostante che si osserva in uno di questi mutanti ha permesso di stabilire che lo stato naturale della membrana regola la posizione del ciuffo ciliare delle CCE a riposo in modo tale che il suo punto d’azione si trovi nella zona di massima sensibilità alla stimolazione meccanica [38] . In un altro mutante, la membrana tectoria era scavata sul lato inferiore in prossimità del ciuffo ciliare delle CCI e la stimolazione delle CCI era meno efficiente del normale, il che indicava il ruolo del legame fluido tra i ciuffi ciliari delle CCE e delle CCI nella stimolazione di queste ultime. Infine, in un terzo mutante, la membrana tectoria non era più ancorata al neuroepitelio sottostante solo all’apice della coclea. In questa complessa situazione, la risposta alle alte frequenze era molto più finemente accordata in frequenza che nei topi selvaggi, così come la stessa soglia uditiva dei topi mutanti era leggermente più elevata. Questa situazione è stata interpretata come riflesso di una minore elasticità della membrana tectoria per via della mutazione. Oppure la membrana tectoria permette di stimolare solo un numero limitato di ciuffi ciliari delle CCE o il fenotipo di questo mutante riflette un cambiamento nell’interazione tra la membrana basilare e la membrana tectoria: una bassa elasticità può provocare una diminuzione della lunghezza d’onda delle onde che la membrana propaga e, di conseguenza, anche una riduzione delle dimensioni del segmento cocleare con cui la membrana tectoria e la membrana basilare possono interagire.

Membrana basilare e organo del Corti Anatomia e funzione della membrana basilare: onda propagata Anatomia La membrana basilare, che separa la scala media dalla scala vestibuli ed è sormontata dall’organo del Corti, varia in larghezza e in spessore dalla base all’apice della coclea (Fig. 8). Misura in media 31,5 mm di lunghezza e la sua larghezza va da 150 ␮m alla base a 450 ␮m all’apice della coclea. Questo gradiente basoapicale è la base della tonotopia cocleare. La struttura della membrana basilare è complessa, con un tessuto connettivo composto da elementi cellulari ed extracellulari. È collegata medialmente alla lamina spirale e lateralmente al legamento spirale tramite la cresta basilare. Vi sono diverse aree strutturali distinte, la porzione mediale, chiamata zona arcuata (pars tecta), e la porzione laterale, chiamata zona pectinata (pars pectinata). La zona arcuata si estende dall’habenula perforata fino alla porzione laterale di attacco delle cellule pilastro esterne. La zona pectinata si estende dalla porzione laterale delle cellule pilastro esterne fino alla cresta basilare. La zona arcuata è parzialmente racchiusa all’interno di un canale osseo e, quindi, la sua funzione è limitata per via della sua incapacità di vibrazione. Si compone di una rete diffusa di filamenti circondati da una sostanza amorfa. La zona pectinata è, al contrario, una zona libera di vibrare in risposta a una

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I – 20-020-A-10  Fisiologia cocleare: basi anatomiche, cellulari ed elettrofisiologiche

Finestra ovale Direzione dell'onda propagata Apice

Base

Base

Mem

brana

basila

Apice

re

gradiente spessore : base spessa / apice sottile gradiente larghezza : base stretta / apice largo Alte frequenze: acuti Figura 8.

Basse frequenze: gravi

t1

Tempo t1

t2

t2

t3

t3

t4

t4

t5

t5

Rappresentazione schematica della membrana basilare.

stimolazione sonora, in funzione della sua massa, della sua rigidità e dei meccanismi cocleari attivi dell’organo del Corti che la sovrasta. Si distinguono due strati di fibre radiali disposte in uno strato superiore e in uno strato intermedio. Uno strato inferiore di cellule mesoteliali compone la membrana basilare. La membrana basilare è, quindi, composta da una struttura fibrosa che poggia su una struttura di sostegno, ed è quest’area fibrosa la responsabile della maggior parte delle proprietà meccaniche della membrana basilare grazie alla rigidità che apporta. Molti studi si sono, quindi, interessati alla composizione di questa zona fibrosa [39] . Per esempio, in microscopia si può evidenziare un’area di linee radiali corrispondente alla zona pectinata. Queste linee radiali possono essere paragonate alle corde di uno strumento musicale, dal momento che possono entrare in risonanza [40] . Le linee radiali sono, in realtà, costituite da una rete di collagene (in particolare, collagene di tipo I II e IV) in mezzo a una sostanza di sostegno amorfa. Non è stato individuato, per queste fibre radiali, un intreccio con altre fibre, il che spiega la minore rigidità della membrana basilare in senso longitudinale. Patologia In termini di patologia, una mutazione genetica delle fibre di collagene della membrana può causare sordità. Questo è il caso della sindrome di Alport, che associa un danno renale ereditario a sordità e ad anomalie oculari [41] . È autosomica recessiva nel 15% dei casi e X-linked dominante nell’85% dei casi. Le mutazioni in questione alterano il collagene di tipo IV. Clinicamente, la malattia è caratterizzata da ematuria (spesso microscopica), insufficienza renale progressiva e sordità di percezione bilaterale e simmetrica. Questa perdita dell’udito è presente in circa la metà dei casi e progressiva; di solito compare nella tarda infanzia o nella prima adolescenza. Generalmente comporta una perdita uditiva moderata. Funzione: onda propagata La tonotopia cocleare è la proprietà principale della coclea, in quanto si basa su quella che è l’analisi frequenziale del segnale acustico in ingresso. Questo segnale acustico è un’onda di pressione propagata nei vari ambienti in cui il processo uditivo può avere luogo. Queste onde di pressione stimolano il timpano e si trasmettono attraverso la vibrazione dell’orecchio medio alla finestra ovale alla base della coclea. La stimolazione della finestra ovale genera una differenza di pressione tra la scala tympani e le altre due scale, creando uno spostamento della membrana basilare in direzione trasversale. Alla base della coclea, la membrana basale è molto rigida e, dal momento che i fluidi presenti sono incomprimibili, l’impedenza della coclea in questo punto è molto elevata. La pressione in questo punto è equivalente alla pressione sonora. È come se la staffa vibrasse in prossimità di una parete. Dobbiamo a Békésy la descrizione della propagazione di questa onda (che gli è valsa il premio Nobel per la Medicina nel 1961) [42, 43] . Egli descrisse, in risposta a una stimolazione acustica, un’onda lungo la membrana basilare (come un’onda del mare), che si propaga dalla base all’apice della coclea. Durante la sua propagazione, quest’onda aumenta di ampiezza, raggiunge un

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Tempo

Base

Apice

Risposta per alte frequenze di stimolazione

Base

Apice

Risposta per basse frequenze di stimolazione

Figura 9. Schema del movimento della membrana basilare in funzione della frequenza dello stimolo. L’apice cocleare ha una massima ampiezza di vibrazione per le basse frequenze mentre la base ha una massima ampiezza di vibrazione per le alte frequenze.

massimo e, poi, diminuisce. L’immagine che può essere utilizzata come riferimento è quella di un’onda che si infrange sulla riva. La staffa va a stimolare la base della coclea dove la membrana basilare si comporta come una parete (cfr. supra). Immediatamente, si forma un’onda di compressione all’interno di tutta la scala media. Tuttavia, quest’onda è inefficace per eccitare le cellule ciliate e, dunque, innescare il processo di trasduzione. Infatti, sotto l’effetto di quest’onda di compressione, la membrana basilare si mette a vibrare, prima debolmente alla base e, poi, in maniera più ampia, e, di tanto in tanto, si crea un’onda propagata su questa membrana, seguita da interazioni tra fette successive di membrana basilare e dal loro legame longitudinale attraverso i fluidi spostati. L’onda, che, inizialmente, ha una grande lunghezza d’onda e una velocità elevata (misurata a una velocità di 100 m/s alla base della coclea [44] ), rallenta man mano che l’impedenza meccanica della coclea diminuisce e aumenta in ampiezza, come l’immagine delle onde di un oceano che si avvicinano a una spiaggia, con la profondità che diminuisce costringendole a rallentare, il che le rende più alte, e ad avvicinarsi. Vicino alla risonanza dove la rigidità e la massa si compensano, la lunghezza d’onda diventa corta e l’ampiezza è massima. Tutta l’energia viene spesa, a questo punto, per eccitare le cellule ciliate: l’onda si spezza. Più in là, non c’è più energia e la propagazione si arresta: l’onda si infrange sulla riva. Allo stesso modo, la pressione della scala vestibuli diventa uguale alla pressione della scala tympani in direzione dell’apice cocleare. La localizzazione dell’ampiezza di vibrazione massima della membrana basilare dipende dalla frequenza dello stimolo: le alte frequenze danno un massimo di vibrazioni vicino alla base della coclea e le basse frequenze vicino all’apice (Fig. 9). Tuttavia, questo meccanismo tonotopico, basato solo sulle proprietà meccaniche passive della membrana basilare, non permette di spiegare da solo la fisiologia cocleare. Infatti, Rhode, nel 1971, ha dimostrato che le vibrazioni della membrana basilare non si comportano in maniera lineare con l’intensità di stimolazione [45] . L’ampiezza dei movimenti della membrana basilare non aumenta EMC - Otorinolaringoiatria

Fisiologia cocleare: basi anatomiche, cellulari ed elettrofisiologiche  I – 20-020-A-10

A

B

C

Figura 10. A. Visione in microscopia elettronica a scansione di una coclea di piccolo roditore. Allineamento dei ciuffi stereociliari delle cellule ciliate esterne (tre file successive) e delle cellule ciliate interne (una sola fila). B. Visione in microscopia elettronica a scansione in ingrandimento superiore centrato di un ciuffo stereociliare di cellule ciliate esterne. C. Visione in microscopia elettronica a scansione della faccia inferiore della membrana tectoria. Questa immagine mostra l’impronta delle stereociglia più grandi sulla membrana, con la caratteristica forma a W.

secondo un tasso di 1 dB per 1 dB di aumento dell’intensità di stimolazione uditiva, ma meno (0,3 dB/dB, comportamento compressivo). L’origine di questa compressione è sottile, specifica in frequenza, poiché esistente solo per frequenze di stimolazione vicine alla frequenza caratteristica del punto di misurazione. Ne consegue che, a queste frequenze, le risposte ai più bassi livelli di stimolazione rilevabili sono molto più ampie del previsto (dell’ordine di 0,1 nm attenendosi ai picometri che considerano l’ampiezza di vibrazione della staffa), mentre, ai livelli di stimolazione più forti (un milione di volte superiori), sono dell’ordine di qualche centinaia di nanometri, quindi solamente 1 000 volte più grandi e non un milione di volte. Una possibile spiegazione è l’amplificazione delle risposte a livelli più deboli. Il fatto che questa amplificazione (il cui meccanismo è stato scoperto più di un decennio dopo la sua scoperta, cfr. infra) esista solo per frequenze di stimolazione vicine alla frequenza caratteristica del punto di misurazione genera un affinamento significativo delle risonanze della membrana basilare ai livelli deboli. Tutte queste proprietà sono labili, dal momento che scompaiono dopo la morte o dopo una lesione severa dell’organo del Corti. In altre parole, Rhode ha rivelato che esiste, nella coclea, un meccanismo attivo, in grado di aumentare la risposta della membrana, più per bassi livelli che per alti livelli di stimolazione, e questo per una frequenza caratteristica. Questo comportamento consente di adattare la grande gamma di stimolazioni uditive (che variano da 0 a 120 dB) in una gamma di vibrazioni della membrana basilare molto più ristretta, cosa che permette la trasduzione ottimale del messaggio uditivo. Questo è, probabilmente, alla base di molti fenomeni percettivi, come la risposta non lineare della sensazione di camuffamento con l’aumento dei livelli dei suoni mascheranti. La possibilità di un simile comportamento era stata precedentemente sollevata da Gold [46] davanti all’impossibilità di ottenere una tonotopia fine sotto il livello di stimolazione, tenuto conto della diminuzione prevista dei movimenti della membrana basilare che dovrebbe essere causata dalla viscosità dei fluidi labirintici.

Organo del Corti e meccanotrasduzione (Figg. 1, 6) Anatomia dell’organo del Corti Si trova nella parte interna del condotto cocleare. Contiene molti tipi di cellule posizionate sulla membrana basilare lungo la coclea. Sono tutte cellule di origine epiteliale. Si distinguono due grandi gruppi di cellule: le cellule ciliate, che prendono il nome dal fatto che il loro apice è sormontato da microvilli o stereociglia, la cui particolare organizzazione prende il nome di ciuffo stereociliare, e le cellule di supporto. Medialmente fino alla zona laterale si descrivono successivamente diverse strutture. Lamina spirale, lembo spirale e cellule del solco interno. (cfr. supra). EMC - Otorinolaringoiatria

Organo del Corti. L’organo del Corti è composto medialmente fino alla zona laterale da: cellule limitanti interne, cellule falangee interne, CCI, cellule pilastro interne, tunnel del Corti interno, cellule pilastro esterne, tre file di CCE, spazio di Nuel, cellule di Deiters, tunnel del Corti esterno e, infine, cellule di Hensen più laterali. Tutte queste cellule hanno un contatto apicale diretto con il fluido endolinfatico. Cellule ciliate. Le cellule ciliate (Fig. 10) prendono il nome dalla presenza, nel loro polo apicale, di estensioni della loro membrana cellulare mantenute da un reticolo di fibre di actina: le stereociglia. Queste stereociglia sono ancorate all’apice della cellula con una struttura particolare: la placca cuticolare. Le stereociglia sono numerose sulla superficie cellulare e formano una struttura chiamata ciuffo stereociliare. Questo ciuffo ha la caratteristica forma di W, con un angolo che diventa sempre più acuto man mano ci si sposta verso l’apice o verso la terza fila di CCE. Lo stereociglio più lungo si trova sulle CCE dal lato laterale del ciuffo stereociliare (nella direzione della parete laterale della scala media). La parte distale di uno stereociglio ha, piuttosto, una forma appiattita a livello delle CCI e una forma arrotondata a livello delle CCE. Il diametro delle stereociglia è più importante per le CCI che per le CCE. Il numero di stereociglia diminuisce dalla base all’apice per le CCI e dal primo all’ultimo strato di CCE. Al contrario, le dimensioni di queste stereociglia aumentano dalla base fino all’apice per le CCI e crescono tra il primo e l’ultimo strato di CCE. Le stereociglia hanno legami significativi tra di loro, di tre tipi: due collegamenti laterali, uno in una fila di stereociglia e l’altro tra due file di stereociglia e un legame particolare, detto tip-link (non esiste una traduzione italiana soddisfacente) che unisce la parte superiore di uno stereociglio con la porzione laterale dello stereociglio adiacente dello strato superiore (cfr. infra). È da notare che solo lo stereociglio più alto entra in contatto con la membrana tectoria, da cui l’importanza di tutti questi legami per la deflessione globale del ciuffo stereociliare durante una stimolazione uditiva. Le CCI sono poste in una singola fila. Il loro corpo cellulare è a forma di pera. Le CCI riposano sulla membrana basilare davanti alla zona chiamata arcuata (si chiama pectinata per le CCE). Ogni CCI ha tra le 20 e le 50 stereociglia. Possiede anche, in prossimità della sua parte basale, altre strutture specifiche chiamate nastri sinaptici. Questi nastri contengono dei serbatoi citoplasmatici di neurotrasmettitori. Le CCE sono disposte in tre file dal centro alla periferia della spirale cocleare. Ce ne sono circa 13 000 per ogni coclea. La loro lunghezza aumenta regolarmente dalla base all’apice della coclea. Le cellule ciliate esterne hanno una forma generalmente cilindrica con un apice sormontato da stereociglia. Il polo basale è composto da cellule di Deiters che costituiscono una loggia adeguata per le CCE. La membrana laterale delle CCE è immersa nello spazio di Nuel riempito di liquido la cui composizione è vicina a quella della perilinfa. Il polo apicale delle CCE è sormontato da un ciuffo

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K+

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B

C

Figura 11. Rappresentazione schematica dell’apertura di un canale di meccanotrasduzione delle cellule ciliate cocleari durante la stimolazione uditiva. Nelle rappresentazioni anatomiche in basso, nella microscopia elettronica a trasmissione, la deflessione delle stereociglia è ampiamente esagerata e, normalmente, non supera mai qualche grado. A. Situazione di riposo. Il canale di meccanotrasduzione (in verde) è chiuso. La molla di apertura del tip-link (che collega il canale alla membrana dello stereociglio adiacente) è rilassata. B. Situazione di stimolazione uditiva. Il ciuffo stereociliare è deviato nella direzione eccitante. Il tip-link e la sua molla di apertura vengono messi sotto tensione, cosa che aumenta la probabilità di apertura del canale di meccanotrasduzione. C. La tensione esercitata è stata sufficiente. Il canale di meccanotrasduzione ha potuto aprirsi e permettere un afflusso di K+ nella cellula ciliata. Aprendo il canale, la molla di apertura del tip-link ritorna rilassata.

stereociliare a forma di W. Le CCE formano una sinapsi con le cellule del ganglio spirale afferente di tipo II e con il sistema nervoso efferente mediale che proviene dal complesso del nucleo olivare superiore. Altre cellule di sostegno. L’organo del Corti si trova nel contesto di numerose altre cellule di sostegno. Queste hanno in comune il fatto di essere sormontate da microvillosità e di avere giunzioni serrate in comune con le altre cellule. Una cellula ciliata è, solitamente, circondata da quattro cellule di supporto. Dall’interno verso l’esterno, sono: • le cellule falangee interna ed esterna, che circondano le cellule ciliate interne; • le cellule pilastro, che delimitano uno spazio chiamato tunnel del Corti; • le cellule di Deiters, che hanno la particolarità di essere attraversate da fibre nervose che connettono il ganglio spirale alle CCE; • le cellule limitanti esterne, chiamate anche cellule di Hensen. Come si può notare, non vi sono cellule indifferenziate nell’organo del Corti. Ciò costituisce una particolarità per un tessuto di origine epiteliale e spiega l’incapacità di rigenerazione dell’organo del Corti una volta perse le cellule. Fisiologia dell’organo del Corti È l’organo della meccanotrasduzione. Questa rispetta la tonotopia cocleare che si ritrova, poi, in tutti i livelli del sistema uditivo centrale, trasmessa dai neuroni uditivi. Inoltre, la maniera in cui le CCE interagiscono con il resto dell’organo del Corti e con la membrana basilare determina la codifica dell’intensità e la finezza della tonotopia. Infine, il funzionamento sinaptico particolare delle CCE determina la precisione temporale e la tempistica dei messaggi neurali. Tonotopia cocleare. La membrana basilare ha un ruolo nel generare l’onda propagata (cfr. supra). A una frequenza caratteristica corrisponde un sito di spostamento principale di questa membrana basilare. Questo è il meccanismo di base della tonotopia cocleare, ma questo meccanismo non basta a spiegare le fini proprietà della coclea, in particolare ai più deboli livelli udibili. Lo spostamento della membrana basilare mette in movimento l’insieme dell’organo del Corti. L’interazione tra organo del Corti e membrana tectoria mostra i movimenti di taglio dei ciuffi stereociliari delle CCE e delle CCI, dai quali la meccanotrasduzione partirà all’interno di questi due tipi di cellule. Meccanotrasduzione. Fisiologia della meccanotrasduzione (Fig. 11). Lo scopo dell’organo del Corti è di eseguire la trasformazione delle vibrazioni prodotte dai suoni in segnali bioelettrici attraverso le cellule ciliate. Entrambe le due categorie, CCE e CCI, eseguono la fase di meccanotrasduzione attraverso un meccanismo molto simile, ma con un risultato finale diverso, in cui solo le CCI contribuiscono in

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modo significativo alla creazione di potenziali d’azione nel nervo cocleare. Nelle CCE, la trasduzione meccanoelettrica è accoppiata a una tappa di trasduzione elettromeccanica che trasforma le suddette cellule in effettori meccanici (amplificazione e filtraggio delle vibrazioni sonore). La meccanotrasduzione viene eseguita nelle stereociglia delle CCE e delle CCI attraverso l’interazione dei due componenti chiave, i canali di trasduzione meccanoelettrica e i tip-link. La meccanotrasduzione implica anche il collegamento del canale al tip-link e controlla la tensione meccanica, che consente il comando di apertura del canale. Il canale di meccanotrasduzione uditiva ha una natura ancora non perfettamente conosciuta, anche se sono stati proposti dei candidati tra la famiglia dei tansmembrane channel-like. Questo canale cationico ha una conduttanza elevata, dell’ordine di 200 pS (dieci volte superiore a una conduttanza unitaria tradizionale), poco specifica, in particolare permeabile ai due ioni più abbondanti nelle sue vicinanze, K+ e Ca++ [47, 48] . Il canale è attivato direttamente dallo stimolo meccanico che devia le stereociglia, in modo che l’assenza di un mediatore chimico consenta l’apertura cadenzata grazie allo stesso stimolo avvertito alle più alte frequenze udibili (> 100 kHz in alcuni mammiferi), della durata di diverse decine di millisecondi. L’apertura e la chiusura sono azionate rispettivamente dalla tensione o dal rilasciamento del tip-link. Le due stereociglia di una fila radiale legate tra loro da un tip-link ruotano attorno a due diversi assi (le loro radici) e la loro rotazione si accompagna a un movimento relativo di taglio tra le due che mette sotto tensione il tip-link quando la deflessione avviene verso l’esterno rispetto al modiolo. L’importanza del tip-link nel funzionamento delle cellule ciliate è stato scoperto per la prima volta in circostanze casuali tramite la somministrazione di BAPTA, una molecola chelante il Ca++ che porta nello stesso momento alla rottura del tip-link e alla scomparsa totale di tutta la meccanotrasduzione. Il tip-link è ancorato con le sue due estremità alle due stereociglia a livello di due strutture identificabili mediante microscopia elettronica: una struttura densa situata all’apice dello stereociglio più piccolo, la lower tiplink density, e un’altra struttura situata sullo stereociglio opposto e che prende il nome di upper tip-link density. La membrana cellulare a livello del lower tip-link density apparirebbe chiaramente tesa (prolato, a forma di tenda, mentre, in assenza di tip-link, l’apice dello stereociglio si arrotonda), suggerendo la presenza di una tensione meccanica permanente. L’azione del tip-link sul canale di meccanotrasduzione richiede la vicinanza tra il canale e una delle estremità del collegamento (forse anche un legame diretto), che suggerisce a priori due localizzazioni possibili per il canale, o sulla sommità di un piccolo stereociglio o sul lato del grande stereociglio vicino (o in entrambi i posti; le misure di corrente attraverso il ciuffo stereociliare di una cellula isolata indicano la presenza di uno o due canali per tip-link). I dati attuali ricavati dalle EMC - Otorinolaringoiatria

Fisiologia cocleare: basi anatomiche, cellulari ed elettrofisiologiche  I – 20-020-A-10

Figura 12. Rappresentazione schematica delle molecole chiave della meccanotrasduzione (secondo [52] ). A. Rappresentazione anatomica tale che le strutture possono essere conservate in microscopia elettronica. UTLD: upper tip-link density; LTLD: lower tip-link density. B. Molecole chiave attualmente evidenziate.

MYO1C F-actina Armonina

UTLD

Actina

Tip-link

CDH23 PCDH15

Collegamenti laterali

Canale

Aspetto a forma di tenda

Whirline MYO15A

LTLD

A

immagini del deposito di calcio indicano una localizzazione in cima alle piccole stereociglia di un paio di cellule legate da un tip-link [49] . Un canale di meccanotrasduzione ha proprietà fisiche generiche in relazione con la sua esistenza sotto forma di almeno due diversi stati energetici, uno aperto e uno chiuso [50] . L’apertura richiede energia, fornita dal tip-link, quando, messo sotto tensione dal movimento delle stereociglia nella direzione dell’eccitazione, esercita una trazione sul dispositivo di apertura del canale che controlla. Questa forza tende la molla di apertura del canale (il gating spring che tiene conto della differenza di energia tra gli stati aperto e chiuso). Se la forza è sufficiente, si verifica l’apertura del canale e, durante il cambiamento di conformazione associato, la molla di apertura si accorcia bruscamente, per poi distendersi. Questo riflette il fatto che il ciuffo stereociliare ha una rigidità variabile durante il suo ciclo di oscillazioni, che diminuisce all’apertura dei canali per il rilassamento delle molle di apertura. Il comportamento di un ciuffo stereociliare è, quindi, non lineare: sotto l’effetto di una forza sinusoidale associata alla sua vibrazione, lo spostamento del ciuffo non è sinusoidale perché, una volta che un canale è aperto, il ciuffo è meno resistente allo spostamento. Il fatto che il ciuffo stereociliare sia più facile da deviare in una direzione rispetto a un’altra era stato messo in evidenza già nel 1983 [51] . La conseguenza più spettacolare è che, durante il loro funzionamento, i ciuffi stereociliari delle CCE distorcono le onde sonore aggiungendoci dei componenti non presenti nello stimolo: le emissioni otoacustiche (cfr. infra). Il ciuffo stereociliare contiene diverse decine di canali di meccanotrasduzione il cui comportamento collettivo è descritto da una probabilità di apertura, dipendente dalla deflessione e che aumenta quando la deflessione è eccitatoria. Questa probabilità di apertura è misurabile su una singola cellula mediante una pipetta dipatch clamp, che rileva la corrente attraverso la cellula in funzione della deflessione stereociliare, ed è applicata artificialmente in maniera controllata da un dispositivo meccanico o da un getto liquido calibrati. La curva risultante, un sigmoide, è modellata da una legge statistica che suggerisce la presenza di tre stati canalari, uno chiuso e due aperti. Le CCE e le CCI si differenziano per il punto di funzionamento del loro ciuffo stereociliare, vale a dire per la probabilità di apertura dei canali a riposo, quando il ciuffo stereociliare non viene stimolato. Per le CCE, questa probabilità è stimata pari al 50%. A questo punto della curva, la pendenza è massima a riposo, quindi una deflessione del ciuffo comporta un cambiamento del potenziale di membrana massimale. La CCE esegue, quindi, un’amplificazione meccanica EMC - Otorinolaringoiatria

B

massimale, conferendo alla coclea una sensibilità massima per i suoni molto deboli (cfr. infra). I canali di meccanotrasduzione delle CCI hanno, al contrario, una probabilità di apertura debole a riposo. Per entrambi i tipi di cellule, si deve anche notare che il movimento del ciuffo stereociliare richiesto per aprire tutti i canali di trasduzione è molto limitato e difficilmente supera i 100 nm, con un angolo di spostamento di un grado [52] . In condizioni fisiologiche di udito, il ciuffo stereociliare risponde, dunque, agli spostamenti con una sensibilità estrema. In sintesi, in caso di stimolazione uditiva a una data frequenza, avviene un taglio del ciuffo stereociliare più grande in un punto determinato dalla tonotopia cocleare; questo taglio è responsabile dell’apertura simultanea e quasi istantanea, sulla scala dei millisecondi, dei canali ionici di meccanotrasduzione e, quindi, di una corrente ionica (afflusso di K+ e Ca++ ) di qualche nanoampere per un movimento dell’ordine di centinaia di nanometri, cadenzato dalle vibrazioni prodotte dallo stimolo sonoro nelle cellule ciliate coinvolte, alla base della trasduzione del segnale [38] . Molecole chiave del dispositivo di meccanotrasduzione (Fig. 12) [53] . L’esatto meccanismo di trasduzione del segnale e le molecole coinvolte sono attualmente oggetto di un’intensa attività di ricerca. Molti dei dati sono stati ottenuti attraverso l’uso di modelli animali, in cui uno dei geni dell’apparato di meccanotrasduzione è stato mutato per renderlo in grado di produrre una versione normale della proteina che codifica (modelli di topi KO). Il KO può essere o totale o parziale, e, nell’ultimo caso, l’inattivazione del gene è innescata a partire da uno stadio di sviluppo preciso e solamente in certi tipi cellulari. Questo previene gli effetti letali di alcune mutazioni e gli effetti deleteri di un’architettura inadeguata durante lo sviluppo, quando la proteina mutata vi è coinvolta, con la presenza di un’architettura resa permanentemente difettosa in modo da oscurare la proteina mutata allo stadio maturo. Molte proteine essenziali sono state identificate come responsabili del funzionamento del ciuffo stereociliare: prima di tutto la protocaderina 15 e la caderina 23, che si associano per formare il tip-link [54] . Si incontra anche un elevato numero di miosine non convenzionali e di proteine “telaio” (scaffolding proteins). L’assenza di una di queste molecole in genere provoca una sordità neurosensoriale più o meno grave. Le molecole prodotte dai cinque geni coinvolti nella sindrome di Usher I formano un complesso particolarmente importante. La sindrome di Usher, a trasmissione autosomica recessiva, è caratterizzata da una sordità neurosensoriale e da una retinite pigmentosa progressiva che porta alla cecità. Nella sindrome di Usher di tipo I, la sordità è presente alla nascita, grave e profonda,

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ed è associata a un’areflessia vestibolare che causa un significativo ritardo nella marcia. Sul piano visivo, la sindrome di Usher è caratterizzata da un progressivo deterioramento dell’acuità visiva che inizia intorno al primo decennio di vita. Il coinvolgimento di molecole del complesso di Usher I con le stesse funzioni cellulari spiega perché il fenotipo dei pazienti malati non dipenda da quale sia l’identità del gene coinvolto tra i cinque. Queste molecole sono la caderina 23, la fotocaderina 15, l’armonina e la miosina VIIa. È facile comprendere che la meccanotrasduzione venga a mancare in assenza di caderina 23 o fotocaderina 15, poiché queste sono i due partner al centro del tip-link, essenziale per l’apertura dei canali di meccanotrasduzione delle CCE e delle CCI. Peggio ancora, i collegamenti laterali transitori che assicurano la coesione del ciuffo stereociliare e il suo legame al chinociglio durante lo sviluppo sono composti da caderine 23, la cui assenza compromette, dunque, gravemente la comparsa dei ciuffi stereociliari organizzati nella fase di sviluppo, anche prima di mettersi in funzione. In vitro, l’armonina, una proteina “telaio”, si lega alle altre quattro proteine, e la caderina 23 si lega alla miosina VIIa. Quando un gene Ush1 è difettoso, almeno una di queste proteine si trova scarsamente localizzata. Lo schema attuale derivato dallo studio di ciascuna delle proteine del complesso e delle sue connessioni con altre molecole presenta la caderina 23 ancorata al centro dell’actina delle stereociglia dall’armonina e la miosina VIIa, in grado di esercitare una pressione sui tip-link. Oltre ai meccanismi di base forniti dalle molecole citate, la meccanotrasduzione richiede, probabilmente, altri meccanismi, per cui le molecole coinvolte sono attualmente oggetto di speculazione. Per esempio, il fatto che il 50% dei canali di meccanotrasduzione sia aperto a riposo nelle CCE impone l’esistenza di un dispositivo che assicuri una tensione di riposo nelle molle di apertura, per cui possiamo immaginare l’azione di un motore molecolare basata su una miosina non convenzionale, ancorata ai filamenti di actina che costituiscono il cuore dello stereociglio. Un altro problema è quello di mantenere la sensibilità delle cellule ciliate nel caso in cui la posizione di riposo delle stereociglia venga influenzata, per esempio, da una variazione importante di pressione statica all’interno dei fluidi endococleari. Una deflessione permanente delle stereociglia, anche solo di una frazione di grado, potrebbe condurre a una modificazione massiccia della percentuale di canali di meccanotrasduzione aperti, cosa che influenzerebbe gravemente la capacità della cellula di rispondere a uno stimolo. In realtà, è presente un fenomeno di adattamento che aiuta a mantenere costante la sensibilità. Fisiologicamente, l’afflusso di Ca++ all’apertura dei canali di meccanotrasduzione nei 100 millisecondi successivi consente al fissaggio superiore di untip-link di spostarsi verso il basso, allentando, quindi, la tensione dello stesso e producendo una chiusura del canale di meccanotrasduzione, se questo dovesse restare aperto. La cellula ciliata può, così, rispondere in maniera ottimale a una nuova stimolazione acustica, anche se il ciuffo stereociliare rimane deflesso. Questo meccanismo di adattamento è stato denominato meccanismo di adattamento lento, in opposizione a un meccanismo di adattamento ancora più rapido, che agisce su una scala inferiore ai millisecondi (alla cadenza del suono, forse anche ad alte frequenze). La zona di adattamento rapido nella coclea resta ancora da identificare sul piano molecolare e, anche, funzionale. Nelle cellule ciliate del sacculo di rana, è stato dimostrato che si tratta di un meccanismo Ca++ -dipendente, probabilmente dovuto all’interazione diretta del Ca++ che entra nella cellula con il canale di meccanotrasduzione aperto. Questa interazione provoca la richiusura del canale, con un movimento del ciuffo stereociliare in direzione opposta allo stimolo. Solide argomentazioni approfondite nell’anfibio indicano che questo movimento attivo amplifica lo stimolo [55] e può anche causare oscillazioni spontanee del ciuffo stereociliare. Nei mammiferi, tuttavia, l’amplificazione cocleare è in gran parte attribuita a un meccanismo completamente diverso, in cui la prestina permette l’elettromotilità dei corpi cellulari delle CCE (cfr. infra). L’ancoraggio delle stereociglia tra di loro e alla membrana tectoria offre una possibilità di modulazione dello stato di riposo dei canali di meccanotrasduzione e, in più, permette un funzionamento collettivo coordinato. Per esempio, in assenza di␣-tectorina funzionale, una glicoproteina che contribuisce a formare la

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Stria vascolare Stimolazione acustica Condotto uditivo esterno

α

Potenziale endolinfatico K+ Otoemissioni acustiche

γ NL F = c’ΔV

Trasduzione elettromeccanica

α Trasduzione meccanoelettrica

ΔV = ci

i = γ (EP-VCCE)

Contrazione cellulare (prestina) Figura 13. Loop di amplificazione cocleare. Il suono in ingresso provoca una deflessione delle stereociglia delle cellule ciliate esterne (di un angolo ␣), la quale, attraverso l’apertura dei canali di meccanotrasduzione, produce una corrente potassica che entra nella cellula ciliata esterna. Questa corrente intracellulare in ingresso (i) innesca una depolarizzazione cellulare (V). Questa depolarizzazione permette, tramite la prestina, una contrazione cellulare (forza F). L’energia intrinseca così creata si aggiunge al suono in ingresso e partecipa alla vibrazione della membrana basilare.

matrice a cui si fissano le fibre di collagene della membrana tectoria, quest’ultima è staccata dalle stereociglia delle CCE. Il punto d’azione delle CCE viene poi spostato in modo che la curva corrente-spostamento delle CCE operi in una regione in cui l’amplificazione è ridotta: una forte deflessione del ciuffo stereociliare, possibile ma solo per ampi valori, a causa dell’assenza di attacco della membrana tectoria, produce un debole cambiamento nel potenziale di membrana e, dunque, una bassa attivazione dell’elettromoticità cellulare [56] . L’accoppiamento delle cellule ciliate alla membrana tectoria influenza anche il modo in cui le stereociglia rispondono a una vibrazione. Per le CCE in cui la sommità delle stereociglia è ancorata alla faccia inferiore della membrana tectoria, su cui lascia delle impronte profonde, le stereociglia direttamente coinvolte seguono il movimento di taglio tra membrana basilare e tectoria in fase. D’altro canto, le stereociglia delle CCI rispondono con un calo di 90◦ della loro fase perché sono guidate dal movimento del fluido interposto tra la lamina reticolare e la membrana tectoria, attraverso le forze di attrito viscoso. Lo studio di mutanti per la stereocilina [57] , una proteina che contribuisce alla formazione di connettori apicali garantendo il coordinamento tra stereociglia e di queste con la membrana tectoria, sottolinea l’importanza di connessioni interstereociliari diverse da quelle realizzate dal tiplink. Infatti, i mutanti per la stereocilina, nonostante una normale soglia uditiva, sono privi di otoemissioni acustiche e poco sensibili alle interferenze dei suoni a bassa frequenza: ciò suggerisce che le loro stereociglia funzionino normalmente quando sono poco deviate e, poi, in modo anomalo quando la deflessione aumenta e, probabilmente, richiede da loro delle risposte coordinate, di cui non sono più capaci, in assenza di stereocilina. Amplificazione cocleare (Fig. 13). Fisiologia. Grazie all’onda propagata e all’interazione tra il ciuffo stereociliare e la membrana tectoria, la coclea ha la possibilità di effettuare un’analisi fine della frequenza del segnale in ingresso (cfr. supra). Tuttavia, tutto questo non spiega la grande sensibilità cocleare. Infatti, l’elevata sensibilità della coclea è illustrata attraverso la dimostrazione che possono essere rilevati alcuni suoni che producono spostamenti di meno di un picometro a livello della membrana timpanica [58] . Nel 1948, Gold aveva negato la possibilità che un principio di risonanza passiva della membrana EMC - Otorinolaringoiatria

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basilare, in presenza di fluidi viscosi nell’orecchio interno, potesse rendere conto di perfomance dell’udito e propose la teoria di un’amplificazione rigenerativa (quella prodotta da un dispositivo che comporta un feedback, che preleva energia all’uscita degli oscillatori per reiniettarla all’entrata, compensando, così, la perdita di energia per attrito viscoso). Nel 1983, la teoria dell’amplificatore cocleare è stata ripresa da Davis [59] . Ormai, l’idea di una coclea attiva, che amplifica le vibrazioni grazie a un feedback locale, è ampiamente accettata e sono le CCE quelle all’origine dell’attività. I termini “processo attivo” e “amplificatore cocleare” sono intercambiabili. La scoperta dell’elettromotilità somatica delle CCE tra il 1983 e il 1985 ha fornito un possibile meccanismo di feedback [60, 61] . Il feedback alla cadenza delle vibrazioni è, in effetti, l’elemento chiave del meccanismo attivo, secondo il ragionamento seguente che sviluppa quello di Gold [46] . Se il risultato della meccanotrasduzione, che avviene durante la fase di eccitazione della vibrazione sonora, è un cambiamento meccanico che interessa la partizione cocleare, ne risulta una forza che si combina con quella esercitata dalle variazioni di pressione indotte dallo stimolo sonoro. Questa forza è generata con un offset (matematicamente, una “fase”) variabile rispetto al suono, che dipende dalla differenza tra la frequenza del suono e la frequenza caratteristica del punto cocleare considerato. Dove la forza prodotta dalle CCE è in fase con lo stimolo esterno, l’insieme cocleare è soggetto a una forza totale più grande di quella applicata dal solo stimolo: c’è un’amplificazione. Quando si verifica una sfasatura tra la forza prodotta dalle CCE e lo stimolo esterno, quest’ultimo vede, invece, la sua azione contraria, perfino attenuata. L’amplificazione cocleare è presente, allora, solo in zone abbastanza vicine a quelle in cui ha luogo la sua massima risposta a una data frequenza, di una qualche frazione di millimetri [62] . Questa condizione stretta di fase spiega anche perché la coclea attiva ha una selettività di frequenza molto affinata e non solamente una sensibilità aumentata (le due proprietà sono legate): un leggero calo di frequenza dello stimolo, in un dato punto, perturba la relazione di fase tra stimolo e forza esercitata dalle CCE e annulla l’amplificazione. Sul piano teorico, il concetto di amplificazione cocleare richiede modelli più raffinati rispetto che a quelli esposti (cfr. supra) [49] , che tentano di spiegare come un amplificatore sia in grado di produrre un guadagno di circa 100-1000, quando il suono è presentato a dei livelli vicino alla soglia dell’udito, ma che diminuisce man mano che il livello sonoro aumenta per tendere verso 1 (quindi verso una mancanza di amplificazione) quando il livello sonoro raggiunge 80-90 dB SPL [63] : si dice che il guadagno cocleare è compressivo. Questo concetto è essenziale per spiegare come la coclea possa codificare una gamma di intensità che va da 0 a 120 dB SPL (una scala di pressioni da 1 a un milione), tollerando solo spostamenti stereociliari da 0,1 nm a un centinaio di nanometri ai livelli più forti non lesionali (una scala di spostamento da 1 a 1000). Una seconda sfida che la coclea pone è quella di rispondere rapidamente a degli stimoli garantendo, nel contempo, un’amplificazione selettiva delle frequenze. Ora, i due concetti sono, a priori, antinomici, più un filtro è stretto più il suo tempo di risposta è lento. Il concetto matematico di “oscillatore autoaccordato vicino a una biforcazione di Hopf” sembra fornire una soluzione elegante ed efficace a questo insieme di cambiamenti esigenti [49] , ma resta da convalidare nei dettagli e sul piano biologico, dal momento che i determinanti dell’equazione di questi oscillatori non sono ancora chiaramente individuati. Una CCE isolata risponde a una stimolazione elettrica artificiale, simulando un cambiamento di potenziale di membrana alla fine della tappa di meccanotrasduzione, attraverso un allungamento, se la cellula è depolarizzata, e un accorciamento, se la cellula è iperpolarizzata [60, 61] . Questa variazione di lunghezza è, di conseguenza, dell’ordine del 3-5% dell’altezza del corpo cellulare, che è di qualche decina di micrometri. La risposta elettromeccanica delle CCE, che si accompagna a un cambiamento della rigidità assiale di un fattore 10, è chiamata trasduzione elettromeccanica e le CCE sono, dunque, la sede di una trasduzione bidirezionale [64] . È stato dimostrato che, nelle CCE, è la presenza abbondante di prestina, una proteina di transmembrana, a conferire loro la motilità somatica. La prestina, proteina appartenente a una famiglia di EMC - Otorinolaringoiatria

trasportatori ma che ha ormai perso la sua funzione di trasporto, ha una conformazione che dipende dal potenziale di membrana cellulare [65] . Quando questo potenziale cambia, gli ioni Cl− intracellulari possono attaccarsi a un sito della prestina, sul citoplasma, e modificare, così, la conformazione della proteina. Il sito attivo della prestina è bloccato dal salicilato, cosa che dà una base molecolare all’azione ben conosciuta dell’aspirina sull’udito. La strategia di scoperta della prestina si è basata sulla ricerca di proteine specifiche delle CCE, ma assenti nelle CCI (a partire da una libreria sottrattiva di acido desossiribonucleico complementare ottenuto per microdissecazione dell’organo del Corti). L’assenza di prestina nei topi KO comporta la perdita dell’amplificazione cocleare e una perdita dell’udito di 40-60 dB, nonostante una trasduzione meccanoelettrica normale e delle otoemissioni sempre presenti, anche se richiedono una stimolazione più intensa del normale. Esistono casi umani di mutazione della prestina [66] . Il modello che attribuisce l’amplificazione cocleare alla prestina e all’elettromotilità somatica delle CCE ha subito due attacchi frontali, per cui non è ancora divenuto universalmente accettato ed è stata proposta da alcuni una via alternativa (o complementare). La prima obiezione riguarda la larghezza della banda di frequenza delle CCE: la costante di tempo della membrana di queste CCE è stata a lungo valutata come lenta ed è stata sollevata la questione su come possano le CCE, per la loro motilità somatica, amplificare i suoni di 10 kHz (o anche di più, come nei piccoli mammiferi), poiché il loro potenziale di membrana potrebbe non essere significativamente modulato alla cadenza dei suoni di alta frequenza. In realtà, questa obiezione è stata sollevata dalla recente dimostrazione di un meccanismo che minimizza il tempo di risposta della membrana delle CCE, precedentemente sopravvalutato perché si credeva che il potenziale di riposo della membrana delle CCE fosse molto più negativo di quello che è in realtà, vale a dire –40 mV [67] . A questo potenziale di riposo, entrano in gioco delle conduttanze supplementari che migliorano il tempo di risposta delle membrane, in modo che la prestina possa agire anche a frequenze molto alte. La seconda obiezione è che il modello fisiopatologico dei KO prestina, caratterizzato da una perdita uditiva di 40-60 dB e quindi da una completa perdita dell’attività cocleare, non è necessariamente determinante perché le CCE, in questo modello, hanno una lunghezza insolitamente ridotta e, quindi, potrebbero dopotutto, non eseguire un meccanotrasduzione normale. Ciò potrebbe, dunque, spiegare la totalità o una parte della perdita dell’udito, e la prestina (e, quindi, l’elettromotilità) potrebbe, quindi, non più essere vista come protagonista dell’amplificazione, ma semplicemente come un modulatore di funzionamento dei ciuffi stereociliari, loro stessi veri e propri amplificatori. Il modello suppone che la generazione di forze alla velocità del suono da parte dei ciuffi stereociliari delle CCE si basi su osservazioni molto dettagliate del comportamento di questi stessi ciuffi appartenenti alle cellule sensoriali di sacculo di rana, trasposte, poi, alle cellule cocleari di mammifero [68–70] . I ciuffi stereociliari rispondono a una stimolazione artificiale eccitante applicata con una micropipetta attraverso una deflessione iniziale nel senso dell’apertura dei canali di meccanotrasduzione, seguita da una risposta rapida nel senso opposto. Questa risposta, calcio-dipendente, sembra correlata al rapido adattamento della corrente di trasduzione e potrebbe essere dovuta a un’azione degli ioni di Ca++ che entrano nelle CCE su un canale di meccanotrasduzione per richiudere il canale. Questa azione può essere equivalente a un feedback meccanico che richiede diverse caratteristiche per agire da amplificatore. Questo meccanismo comporta la generazione di oscillazioni spontanee dei ciuffi stereociliari del sacculo di rana, omologhe delle emissioni acustiche spontanee, con frequenza e ampiezza modulabili grazie alla concentrazione esterna di ioni Ca++ . La dimostrazione di questo meccanismo di amplificazione nei mammiferi, tuttavia, è ancora in fase di sperimentazione. Alcuni autori hanno proposto che i due meccanismi di amplificazione coesistano nella coclea dei mammiferi, in diversi modi possibili. Per esempio, lo studio di topi knock-in per la prestina, portatori di una forma inattiva di prestina che abolisce l’elettromotilità preservando la forma e la rigidità di riposo delle CCE, indica che l’elettromotilità

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prestina-dipendente potrebbe rimanere l’amplificatore dominante, ma la motilità ciliare potrebbe realmente contribuire facendo da prefiltro [71] . Uno scenario diverso è proposto dal team di Hudspeth, che ha inattivato la prestina in maniera fotochimica in punti specifici della spirale cocleare, senza effetti nefasti sulla forma delle CCE. Questi autori hanno, poi, dimostrato che, sebbene l’amplificazione cocleare sia fortemente influenzata dall’azione della prestina, questa non è del tutto abolita e attribuiscono l’amplificazione residua alla motilità stereociliare [72] . Attribuiscono, inoltre, alla motilità stereociliare la non linearità compressiva dell’amplificazione e la selettività frequenziale che risulta dall’insieme del processo attivo. Questi diversi modelli contribuiscono a rendere più chiaro il concetto di amplificazione cocleare, perché bisogna ricordare che il fatto che la membrana basilare stimolata da un suono puro abbia un picco di ampiezza molto intenso in un punto specifico non dimostra, di per sé, che i processi coinvolti abbiano fornito energia. Si potrebbe immaginare uno schema tipo tsunami in cui un’onda arriva in direzione di un litorale poco profondo, rallenta sotto l’effetto della diminuzione di profondità e, allo stesso tempo, aumenta di altezza, per raggiungere un massimo nel punto in cui l’onda è quasi immobile e si infrange, cosa che impedisce una propagazione più apicale. Tuttavia, il fondo marino non comporta nessuna amplificazione attiva dell’onda associata, ma permette solo di concentrare la sua energia in un punto della costa. Le valutazioni più recenti del guadagno cocleare confermano sempre più la tesi di un guadagno prestina-dipendente che possa superare un fattore 100 [72] . Applicazioni cliniche. Otoemissioni in prodotti di distorsione acustica. Principio, origine. I prodotti di distorsione acustica (PDA) appaiono nel canale uditivo esterno come suoni in risposta a uno stimolo costituito da una coppia di toni puri, a due frequenze f1 e f2 (con f1, per convenzione, leggermente inferiore a f2). Intorno alla coclea, in cui si sovrappongono i due involucri delle vibrazioni a frequenza f1 e f2 sulla membrana basilare, le stereociglia delle cellule ciliate esterne vengono deviate dal mescolarsi delle due vibrazioni. A causa dell’esistenza di molle di apertura dei canali di meccanotrasduzione alloggiati nelle stereociglia, la rigidità varia a seconda del numero di canali aperti e dell’angolo di deflessione. In presenza di due frequenze di vibrazione, la variazione di rigidità nel corso di un ciclo di oscillazione produce distorsioni delle correnti di trasduzione, che creano dei componenti frequenziali assenti dello stimolo, chiamati di intermodulazione, a 2f1-f2, 2f2f1, 3f1-2f2, f2-f1 e così via (in generale, le semplici formule trigonometriche prevedono la creazione di componenti anf1 ± mf2, con n e m rappresentati sempre da numeri interi). Il potenziale di membrana delle CCE contiene questi componenti di intermodulazione e, a causa dell’elettromotilità propria delle cellule ciliate esterne, la retroazione meccanica di queste cellule sui movimenti della membrana basilare agisce in modo da percuoterle. Infine, le emissioni otoacustiche appaiono nel canale uditivo esterno a frequenze assenti dello stimolo. La loro perfetta prevedibilità aritmetica le rende facili da trovare, anche in presenza di un rumore di fondo; il componente maggiore, situato alla frequenza 2f1-f2, viene ricercato più spesso. Uso pratico. In pratica, la presenza di un componente di PDA in risposta a una coppia di suoni a f1 e f2 ha lo stesso significato delle emissioni otoacustiche prodotte da suoni più complessi nel piano di frequenza (come le emissioni otoacustiche causate da clic): questo segna la presenza di meccanismi di trasduzione operanti al centro dei ciuffi stereociliari delle CCE bersagli di f2. Infatti, il suono che produce i PDA mette alla prova le CCE vicine alla regione cocleare accordata alla frequenza f2. In seguito, una scansione di f2 permette, al bisogno, di sondare la coclea per frequenza. In termini pratici, una misura di PDA richiede pochi secondi. Gli stimoli utilizzati per produrre PDA possono essere scelti, negli esseri umani, tra i 50 e i 60 dB SPL e, allo stesso modo, può essere scelto un livello massimo di 70-75 dB SPL, oltre il quale vi è un rischio di produrre distorsioni strumentali senza un significato fisiologico. L’energia acustica utile per la stimolazione delle CCE può essere abbastanza elevata, soprattutto perché si concentra sulla regione ristretta della coclea codificante per f2. Anche se molte CCE sono lese o funzionalmente anormali, i PDA restano

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individuabili finché persiste un’attività residua: è possibile individuare anche dei PDA in pazienti affetti da sindrome di Meniere che comporta una perdita uditiva da 50 a 60 dB [73] . L’elevata sensibilità dei PDA allo stato in cui si trovano le CCE e la loro risposta rapida a un cambiamento di questo stato ne fanno un mezzo di monitoraggio, soprattutto quando la vascolarizzazione cocleare viene compromessa [74] . Le otoemissioni acustiche sono utilizzate soprattutto come strumenti di screening neonatale. Quelle maggiormente utilizzate, quelle provocate dai clic, sono a largo spettro di frequenza, come lo stimolo che le produce. Se restringiamo lo spettro degli stimoli a un paio di toni puri per focalizzare l’esplorazione cocleare a un intervallo di frequenze precise, si ottengono delle otoemissioni ridotte a qualche banda spettrale, con i PDA spesso visti come mezzo per realizzare un audiogramma oggettivo. Infatti, il termine PDA-grammo, che descrive la grafica che rappresenta l’ampiezza dei PDA misurati in funzione di f2 mentre questa frequenza è scansionata, fa pensare a un audiogramma. Questa visione è pericolosa e incompleta. È pericolosa perché i PDA possono essere sensibili solo allo stato delle CCE, mentre l’udito dipende anche dallo stato delle CCI e dei neuroni uditivi. La maggior parte delle sordità neurosensoriali del neonato implica le CCE, ma esistono delle sordità neonatali che implicano esclusivamente le CCI o i neuroni (per esempio, le mutazioni dell’otoferlina o le neuropatie uditive). D’altra parte, i PDA hanno una genesi e una propagazione abbastanza complessa, cosa che rende un po’semplicistica l’idea di associare la loro ampiezza a una soglia uditiva [75] . In particolare, i PDA prodotti vicino alla regione codificante f2 si propagano verso l’apice dove si trova loro zona caratteristica (codificante 2f1-f2, inferiore a f1 e f2). Secondo lo stato fisiologico di questo punto, i PDA propagati in avanti possono essere riflessi e propagarsi verso la staffa, dove si mescolano ai PDA prodotti verso f2, e possono essere retropropagati direttamente. L’interferenza tra sorgenti di PDA basali, mediali e apicali può essere complicata e richiedere protocolli sperimentali speciali per essere svelata [75] . Anche la visione dei PDA come limitati allo screening nel bambino è distorta, poiché la registrazione dei PDA può rivelarsi molto utile anche fuori da questo contesto, proprio perché la loro specificità per le CCE permette di identificare le lesioni in caso di danno uditivo di origine potenzialmente multipla (presbiacusia, ischemia, idrope endolinfatico e, sicuramente, neuropatia uditiva).

Innervazione e fisiologia nervosa della coclea Anatomia microscopica La coclea ha un’innervazione tripla: un sistema afferente, un sistema efferente e un sistema autonomo (cfr. supra). Sistema afferente (Figg. 14, 15) Il polo basale delle CCI è la sede dei contatti sinaptici con i neuroni gangliari tipo I. La neurotrasmissione si ottiene con il glutammato, attraverso i recettori dell’acido ␣-amino-3-idrossi5-metil-4-isossazolopropionico (AMPA). I neuroni dei gangli di tipo I rappresentano il 90-95% delle fibre afferenti. Si tratta di neuroni bipolari i cui corpi cellulari sono raggruppati nel ganglio spirale. Mediante i loro prolungamenti periferici, detti anche fibre radiali, questi neuroni bipolari entrano in contatto esclusivamente con le CCI, con, in media, una decina di fibre afferenti per ogni CCI. I neuroni gangliari di tipo I si rivestono di mielina subito dopo il loro passaggio a livello dell’habenula perforata della lamina ossea spirale, per proiettarsi sul nucleo cocleare. I dati degli studi elettrofisiologici e morfologici, sempre nella cavia, distinguono due sottotipi di fibre afferenti. Da un lato, le fibre afferenti di grosso diametro, che legano le CCI nella loro faccia esterna e che presentano un alto tasso di scarica spontanea elevata (queste fibre sono le più numerose), e, dall’altro, le fibre di piccolo diametro, con un tasso di scarica spontanea debole e che creano sinapsi nella faccia interna delle CCI. Il polo basale delle CCE dispone anche di alcune sinapsi afferenti, con dei neuroni gangliari bipolari di tipo II. Questi sono di piccolo diametro e non mielinizzati e rappresentano il 5-10% delle EMC - Otorinolaringoiatria

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FIGS 80 % controlaterale

GS

?

?

~0

,6

mm

90 % omolaterale

CCI

CCE

Figura 14. Schema dell’innervazione orizzontale dell’organo del Corti (secondo [76] ). In verde i neuroni afferenti, in blu i neuroni efferenti mediali e, in rosso, i neuroni efferenti laterali. GS: ganglio spirale; FIGS: fascio intragangliare spirale; CCE: cellule ciliate esterne; CCI: cellule ciliate interne.

Sistema efferente laterale

CCE Ach,GABA, DA,enk, dyn, CGRP

CCE CCI

Fibra afferente

Glutamato

CCE

Ach, GABA, CGRP

Sistema efferente mediano Figura 15. Rappresentazione schematica dell’innervazione dell’organo del Corti. Sistema efferente laterale: inibizione dell’attività afferente, riduzione dell’effetto eccitotossico del glutammato; sistema efferente mediale: miglioramento del rapporto segnale/rumore, protezione contro i traumi acustici. CCE: cellule ciliate esterne; CCI: cellule ciliate interne.

rimanenti fibre afferenti. Ciascuno di questi neuroni entra in contatto, generalmente, con 10-20 CCE della stessa fila (Fig. 14) [76] . I dati elettrofisiologici su di essi sono molto rari [77] . Sistema efferente Tutte le fibre efferenti che innervano la coclea provengono da neuroni situati nei nuclei olivari (complesso olivare superiore) del tronco cerebrale. L’ipotesi di un’influenza di ritorno (retroazione, feedback) del sistema nervoso centrale sulla coclea risale alla fine del XIX secolo. Sono i lavori principali di Rasmussen a descrivere, EMC - Otorinolaringoiatria

innanzitutto, un sistema efferente costituito dalla parte mediale del complesso olivare superiore e che intreccia la linea mediale al pavimento del IV ventricolo: il sistema efferente crociato. Più tardi, egli descrisse un secondo sistema efferente non crociato. In seguito, con l’aiuto di tecniche di marcatura retrograda, questa classificazione del sistema efferente in sistemi crociati e non crociati fu abbandonata a favore di una classificazione in base alla localizzazione dei corpi cellulari: sistemi efferenti olivococleari laterale e mediale. Il sistema efferente laterale (60% delle fibre efferenti) è costituito da neuroni i cui corpi cellulari sono di piccola taglia, nell’oliva superiore laterale. Gli assoni non sono mielinizzati e terminano in maniera ipsilaterale vicino alle CCI, formando sinapsi assodendritiche “en passant” con i dendriti delle fibre afferenti radiali (derivate dalle cellule gangliari di tipo I). Questo sistema efferente laterale riceve le afferenze dei nuclei cocleari che lo coinvolgono in un circolo di feedback cocleococleare. Il sistema efferente laterale modulerebbe il rilascio di glutammato nella sinapsi tra la CCI e la fibra afferente (possibile inibizione dell’effetto eccitotossico del massiccio rilascio di glutammato da parte delle CCI durante sovrastimolazioni acustiche). Il sistema efferente mediale (40% delle fibre efferenti) è, a sua volta, composto da neuroni i cui corpi cellulari, più grandi dei precedenti, si trovano nel complesso olivare superiore mediale, soprattutto il nucleo ventromediale del corpo trapezoidale. Questi neuroni mielinici innervano al 30% la coclea ipsilaterale e al 70% la coclea controlaterale dopo aver attraversato la linea centrale. Perdono la loro guaina mielinica penetrando nell’organo del Corti. Le loro terminazioni stabiliscono direttamente contatti sinaptici assosomatici sul polo basale delle CCE. Una fibra efferente mediale si ramifica per stabilire dei grandi contatti sinaptici con 15-30 CCE. La mappatura retrograda ha mostrato che l’organizzazione delle proiezioni delle fibre efferenti non era uniforme tra le tre file di CCE (numero decrescente di terminazioni dalla prima all’ultima fila). Risulta, inoltre, che le fibre crociate si proiettano in modo più significativo verso la base della coclea rispetto a quelle non crociate e, in più, l’apice sembra ricevere un’innervazione efferente (crociata e non crociata) meno importante. Il neurotrasmettitore principale nelle sinapsi efferenti del sistema mediale è l’acetilcolina. Altri neurotrasmettitori o neuropeptidi sono stati evidenziati nella sinapsi efferente del sistema laterale, come la dopamina, l’acido ␥ aminobutirrico, il calcitonin gene-related peptide, peptidi oppioidi (encefaline, dinorfine) e aminoacidi eccitatori. Il sistema efferente mediale può diminuire le contrazioni delle CCE e, quindi, modulare l’efficacia dell’amplificazione cocleare. Sul piano percettivo, è stato proposto che la sua attuazione possa avere importanza: • sul controllo della biomeccanica cocleare; • sull’adattamento della sonorità; • per migliorare la rilevazione di un segnale in mezzo al rumore (discriminazione uditiva, cocktail party effect degli psicologi); • sui processi nocivi; • sulla protezione contro le stimolazioni acustiche eccessive. Innervazione simpatica cocleare Si distingue una doppia innervazione simpatica cocleare in funzione dell’origine di queste proiezioni e della loro affinità o meno con la vascolarizzazione. L’innervazione simpatica perivascolare parte dal ganglio stellato, con una distribuzione bilaterale. Essa è satellite dell’arteria modiolare spirale a livello della columella e può essere descritta nei differenti giri della coclea fino alle arteriole radiali che irrorano la parete laterale. Modulerebbe il tono vascolare delle fibre muscolari lisce vascolari (attraverso i recettori adrenergici di tipo ␣) e sarebbe, dunque, coinvolta nella regolazione locale del flusso sanguigno cocleare. È stato descritto anche un secondo plesso simpatico, indipendente dai vasi sanguigni, con le stesse caratteristiche in tutti i piani cocleari. Questa innervazione penetra nel modiolo tra le altre fibre del nervo cocleare, nel ganglio spirale, per estendersi radialmente nella lamina ossea spirale fino all’habenula perforata. Infatti, alcuni esperimenti di ablazione del ganglio cervicale superiore hanno dimostrato che la degenerazione del nervo indotta a

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Glutammato

Glutammato

Ribbon

Otoferlina

Vescicole sinaptiche

Ribbon

Vescicole sinaptiche

Presinaptica

Presinaptica Ca++ Basson

Postsinaptica Na+

Postsinaptica

Basson Depolarizzazione

Fessura sinaptica

Fessura sinaptica

Ca++

A

Na+ Postsinaptica

Recettore AMPA

B

Figura 16. Rappresentazione schematica della trasmissione sinaptica nelle cellule ciliate interne. A. Situazione a riposo. B. Dopo stimolazione acustica e depolarizzazione delle cellule.

livello cocleare interessa solo l’innervazione autonoma dei vasi sanguigni, e questo sempre in maniera strettamente ipsilaterale. Molti studi hanno esaminato l’influenza della stimolazione elettrica o dell’ablazione del ganglio cervicale superiore sulla funzione uditiva. Dopo alcune manipolazioni del sistema simpatico, non apparirebbero modifiche degli indici elettrofisiologici, ma, d’altro canto, l’ablazione del ganglio cervicale superiore modulerebbe la sensibilità cocleare alle sovrastimolazioni acustiche (conducendo a una certa forma di protezione cocleare).

Fisiologia e patologia dell’innervazione cocleare Fisiologia Cellule ciliate interne, veri trasduttori meccanoelettrici (Fig. 16). Il ruolo delle CCI è di trasdurre l’energia meccanica delle vibrazioni prodotte dal suono in liberazione di neurotrasmettitori a livello sinaptico: esocitosi glutammatergica. I meccanismi che controllano l’esocitosi si verificano al polo basale delle CCI (area attiva, sul piano presinaptico). Individualmente, le strutture sinaptiche sono in grado di supportare un’esocitosi a una velocità di diverse centinaia di vescicole al secondo e senza esaurimento. Il risultato è costituito da potenziali d’azione che possono supportare velocità insolitamente elevate, di parecchie centinaia al secondo, con una precisione di tempo dell’ordine di decine di microsecondi, che permette loro di codificare accuratamente la fine struttura temporale degli stimoli acustici. L’attrezzatura presinaptica che garantisce la prestazione è originale: in modo esclusivo, si trovano, nelle cellule sensoriali dei vertebrati (cellule ciliate interne, cellule vestibolari, cellule della linea laterale dei pesci, fotorecettori, neuroni bipolari retinici, cellule sensoriali dell’organo elettrico di certi pesci, cellule sensoriali della ghiandola pineale), delle sinapsi a nastro (o ribbon, una struttura densa osservata al microscopio elettronico [78] ). Ogni neurone afferente di tipo I corrisponde a un nastro; le CCI hanno, dunque, una decina di nastri ripartiti al loro polo basale. A differenza della sinapsi convenzionale del sistema nervoso centrale, dove il rilascio dei neurotrasmettitori è fasico e controllato da un potenziale d’azione che soddisfi la legge del tutto o niente, la sinapsi a nastro della CCI ha la capacità di rilasciare il suo neurotrasmettitore in maniera sia fasica che tonica, anche durante uno stimolo prolungato. La struttura e la funzione particolare dei nastri sinaptici è associata alla presenza di proteine specifiche, venti attualmente riconosciute nelle sinapsi mature, sei delle quali hanno un ruolo essenziale nel fenomeno di esocitosi: miosina VI, fagotto, VGLUT 3, CaV1.3, sinaptotagmina 4 e otoferlina. Il loro numero lascia presagire un complesso meccanismo (cfr. infra). Stivaggio delle vescicole. Le vescicole sinaptiche (di un diametro di 50 nm) sono prodotte con un meccanismo cellulare

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(organelli simili all’apparato di Golgi). Prima della fase di emissione del glutammato nello spazio sinaptico, il glutammato viene incorporato in vescicole sinaptiche attraverso il trasportatore vescicolare non convenzionale VGLUT3 [79, 80] . Queste vescicole, una volta riempite, migrano verso la zona attiva presinaptica attraverso meccanismi di traffico che coinvolgono delle proteine motrici come la miosina VI. Numerose vescicole vengono, allora, depositate intorno a un nastro (docking delle vescicole). Il nastro stesso è formato da un ponteggio di proteine ribeye [81, 82] . Il nastro è ancorato alla zona attiva presinaptica soprattutto grazie alla partecipazione di una proteina a domini multipli: fagotto (proteina architetturale presinaptica, ubiquitaria nei vertebrati, che è coinvolta nella matrice del citoscheletro sinaptico. Una proteina della stessa famiglia, la proteina piccolo è anch’essa presente in questa impalcatura). Fusione della membrana, principio dell’esocitosi. È stato visto che la deflessione delle stereociglia delle CCI conduce, attraverso i canali di meccanotrasduzione, a un ingresso massivo di potassio che depolarizza le CCI stesse. Questa depolarizzazione porterà, nella zona attiva del polo basale, all’apertura dei canali di calcio sensibili al potenziale di membrana (coinvolgendo canali di calcio di tipo L, per il 90% canali di calcio CaV1.3 e, per il 10%, canali di calcio CaV1.4) [83] . In uno studio sulle cellule CCI apicali di topo, Brandt et al. stimano il numero di canali del calcio pari a circa 1700 [84] . L’entrata di calcio innesca l’esocitosi. Un ruolo di primo piano viene dato alle proteine SNARE. All’interno del complesso SNARE (per SNAP receptors, dove SNAP è l’acronimo di soluble N-ethylmaleimide-sensitive-factor attacchment protein), sono state identificate le proteine vescicolari sinaptobrevina 1 e 2 (vesicule associated membrane protein 1 e 2) e due proteine bersaglio della membrana plasmatica, sintassina 1 e SNAP-25. Entrando nel compartimento intracellulare presinaptico, il calcio interagisce con un sensore di calcio specifico per le CCI: l’otoferlina [85, 86] . L’otoferlina è una proteina di transmembrana con sei domini di transmembrana. Essa interagisce direttamente con la sintassina 1 e la SNAP-25. La sua distribuzione (visualizzata con immunofluorescenza) si trova intorno ai nastri. La rilevazione di calcio attraverso l’otoferlina conduce al rilascio delle vescicole sinaptiche glutammatergiche del nastro, nel loro transito verso la zona attiva, e alla fusione delle membrane vescicolari e presinaptiche per liberare il glutammato all’interno dello spazio sinaptico extracellulare. La trasmissione ai dendriti afferenti è mediata dai recettori glutammatergici. Anche se i tre tipi di recettori glutaminergici ionotropi, AMPA, cainato e N-metil-D-aspartato (NMDA), sono presenti, la visione convenzionale suggerisce che la trasmissione afferente sia principalmente a carico dei recettori AMPA [87, 88] . Infatti, a livello dei bottoni dendritici afferenti e nei pressi della EMC - Otorinolaringoiatria

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zona attiva presinaptica, si trova una zona postsinaptica densa che presenta una concentrazione importante dei recettori glutammatergici di tipo AMPA [89] . Il legame del glutammato ai recettori AMPA porta all’apertura di canali Na+ / K+ (ingresso di Na+ e uscita di K+ ), che provoca una depolarizzazione delle fibre afferenti e la genesi dei potenziali d’azione. Un eccessivo rilascio di glutammato (nel contesto di un trauma acustico o in seguito a un incidente anossico o ischemico locale) conduce al fenomeno dell’eccitotossicità, che, a sua volta, induce lesioni delle CCI e delle fibre afferenti che possono portare alla loro degenerazione [87, 90] . Dopo aver agito sui recettori AMPA, il glutammato viene rilasciato nello spazio sinaptico e, dopo, viene ricaptato con l’aiuto di un trasportatore del glutammato, riciclato in glutammina dalle cellule gliali, dalle cellule di sostegno (cellule di Deiters, border cells), dai fibrociti della zona del limbus e dai neuroni gangliari (ciclo glutammato-glutammina attraverso l’enzima glutammina sintetasi) [91] . La glutammina è catturata dalle CCI (trasportatore della glutammina SAT1) [92] , che converte la glutammina in glutammato (attraverso l’enzima glutaminasi), poi interiorizzato nelle vescicole presinaptiche attraverso il trasportatore VGLUT 3. Le caratteristiche della sinapsi a nastro consentono al sistema acustico di raggiungere una frequenza di scarico superiore a 1000 potenziali d’azione al secondo, ma anche di regolare il rilascio glutammatergico delle CCI, tentando, così, di limitare l’eccitotossicità. Inoltre, la presenza (al di sotto delle CCI) di diverse fibre afferenti di diverso calibro e di diversi tassi di scarica spontanea permette una graduale codifica dell’intensità. Patologie La mutazione del gene CABP2 (localizzato su 11q13.2) della Ca2+ -binding protein 2 (CABP2) è responsabile della sordità non sindromica DFNB93. La proteina CABP2 sembra essere coinvolta nella regolazione della fisiologia dei canali del calcio Cav1.3. I pazienti portatori di questa mutazione presentano una sordità da moderata a grave. Il trasportatore vescicolare del glutammato VGLUT 3 è codificato dal gene Solute carrier family 17 member 8 (SLc17a8), localizzato sul cromosoma 12 (12q23.1). La sua mutazione causa la sordità non sindromica DFNA25. L’otoferlina è un sensore della concentrazione di calcio, che porta al rilascio delle vescicole sinaptiche dal nastro per l’approvvigionamento delle zone ricche di vescicole, in modo da condurre all’esocitosi. La mutazione del gene dell’otoferlina (OTOF, localizzato sul cromosoma 2 2p23.3) è responsabile della sordità non sindromica DFNB9. I pazienti con una mutazione del gene VGLUT3 o dell’otoferlina presentano le caratteristiche del quadro clinico delle neuropatie uditive (auditory neuropathy spectrum disorder). Si tratta di pazienti con sordità profonda (DFNA25) o cofotici (DFNB9) con assenza di potenziali evocati uditivi precoci e una preservazione sorprendente della funzionalità delle CCE, testimoniata dalla presenza di otoemissioni acustiche. In realtà, non si tratta, in senso stretto, di un danno della funzione neurale uditiva, ma di una disfunzione del meccanismo sinaptico. Il termine “sinaptopatia” sarebbe più appropriato. La riabilitazione di queste sordità passa attraverso un impianto cocleare precoce, che fa seguito alla conferma diagnostica genetica. Molte neuropatie uditive, chiamate sindromiche, sono associate a certe patologie neurologiche (neuropatie sensitivomotorie ereditarie come la malattia di Charcot Marie Tooth, leucodistrofie) e ad alcune sindromi rare (malattia di Refsum, sindrome di Mohr-Traneb-Jaerg, sindrome di CHARGE, sindrome di MELAS, sindrome di Brown-Vialetto-van Laere). Alcune neuropatie uditive sono state ritrovate in danni genetici oculari (neuropatia ottica ereditaria di Leber, malattia di Kjer, neuropatia ottica ereditaria con mutazione del gene OPA1). Alcune patologie definite metaboliche o associate a turbe energetiche cellulari (come l’atassia di Friedreich) presentano un quadro di neuropatie uditive con un deterioramento della funzione uditiva, man mano che avviene l’esposizione sonora (esaurimento dei potenziali evocati uditivi precoci). EMC - Otorinolaringoiatria

 Conclusioni Questo percorso dalla macroanatomia cocleare a un approccio molecolare delle differenti tappe di trattamento del suono e della trasduzione, che permette alle vie nervose di trasmettere l’informazione acustica ai centri cerebrali, può apparire estremamente complesso. È fatto in un certo modo e il termine “labirinto” è solo un riferimento alla perplessità dei vecchi anatomisti! Per lungo tempo è stato poco utile al clinico chiarire questa perplessità, poiché il suo intervento si limitava alla prescrizione di apparecchi uditivi amplificanti i cui i mezzi di regolazione si limitavano a qualche potenziometro (forte-debole, grave-acuto). Ormai, gli apparecchi vanno da amplificatori acustici apparentemente “semplici” (ma, tuttavia, per esempio, equipe di trattamento anti-Larsen permettono il comodo uso di bocchette aperte) a sistemi con pretrattamento numerico del suono in più canali spettrali, compressione, trasposizione frequenziale e così via e a degli apparecchi impiantabili che aumentano ancora la capacità di intervenire a seconda del tipo di sordità. Anche le neuropatie uditive, più difficili da trattare, beneficiano dell’intervento otorinolaringoiatrico quando vengono messe in luce, sarebbe a dire quando il medico sa di avere a che fare con una neuropatia. Ormai, l’identificazione delle sordità comincia alla nascita grazie allo screening universale che è stato messo in atto e che include sempre più spesso l’identificazione della proteina incriminata (che è, spesso, rappresentata dalla connessina 26 o dall’otoferlina, ma la lista si sta allargando). Le prossime sfide da identificare sono la prevenzione dell’evoluzione delle sordità evolutive (come il grande capitolo delle presbiacusie) e le terapie mirate, trattamenti locali, genici o cellulari. La loro risoluzione passerà attraverso la fine comprensione dei meccanismi fisiologici di cui questo articolo vuole definire lo stato attuale. Ma, davanti al fatto che delle nozioni anche basilari come l’amplificazione cocleare rimangono contestate da una piccola minoranza di ricercatori, che il tipo di amplificazione cocleare resta oggetto di dibattiti tra una piccola minoranza e che il vero ruolo di sistemi complessi come quelli efferenti presenta ancora grandi misteri per una grande maggioranza, bisogna ammettere che questo articolo conoscerà inevitabilmente delle correzioni future eventualmente molto rimaneggiate.

 Riferimenti bibliografici [1]

Van Den Abbeele T, Herman P, Portier F, Marianowski R, Copin H, Tran Ba Huy P. Embryologie de l’oreille interne. EMC (Elsevier Masson SAS, Paris), Oto-rhino-laryngologie, 20-005-A-40, 1997. [2] Shi X. Physiopathology of the cochlear microcirculation. Hear Res 2011;282:10–24. [3] Nakashima T, Naganawa S, Sone M, Tominaga M, Hayashi H, Yamamoto H, et al. Disorders of cochlear blood flow. Brain Res Brain Res Rev 2003;43:17–28. [4] Kimura RS. The ultrastructure of the organ of Corti. Int Rev Cytol 1975;42:173–222. [5] Delpire E, Mount DB. Human and murine phenotypes associated with defects in cation-chloride cotransport. Annu Rev Physiol 2002;64:803–43. [6] Hilding DA, Ginzberg RD. Pigmentation of the stria vascularis. The contribution of neural crest melanocytes. Acta Otolaryngol 1977;84:24–37. [7] Morera C, dal Sasso A, Iurato S. Submicroscopic structure of the spiral ligament in man. Rev Laryngol Otol Rhinol 1980;101:73–85. [8] Henson MM, Henson Jr OW, Jenkins DB. The attachment of the spiral ligament to the cochlear wall: anchoring cells and the creation of tension. Hear Res 1984;16:231–42. [9] Duvall 3rd AJ, Rhodes VT. Reissner’s membrane. An ultrastructural study. Arch Otolaryngol 1967;86:143–51. [10] Arpornchayanon W, Canis M, Suckfuell M, Ihler F, Olzowy B, Strieth S. Modeling the measurements of cochlear microcirculation and hearing function after loud noise. Otolaryngol Head Neck Surg 2011;145:463–9. [11] Gratton MA, Schmiedt RA, Schulte BA. Age-related decreases in endocochlear potential are associated with vascular abnormalities in the stria vascularis. Hear Res 1996;102:181–90.

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[12] Hibino H, Kurachi Y. Molecular and physiological bases of the K+ circulation in the mammalian inner ear. Physiology 2006;21:336–45. [13] Kikuchi T, Kimura RS, Paul DL, Takasaka T, Adams JC. Gap junction systems in the mammalian cochlea. Brain Res Brain Res Rev 2000;32:163–6. [14] Blanchard M, Thierry B, Marlin S, Denoyelle F. Genetic aspects of congenital sensorineural hearing loss. Arch Pediatr 2012;19:886–9. [15] Denoyelle F, Weil D, Maw MA, Wilcox SA, Lench NJ, Allen-Powell DR, et al. Prelingual deafness: high prevalence of a 30delG mutation in the connexin 26 gene. Hum Mol Genet 1997;6:2173–7. [16] Snoeckx RL, Huygen PL, Feldmann D, Marlin S, Denoyelle F, Waligora J, et al. GJB2 mutations and degree of hearing loss: a multicenter study. Am J Hum Genet 2005;77:945–57. [17] Stöver T, Diensthuber M. Molecular biology of hearing. Laryngorhinootologie 2011;90(Suppl. 1):S22–34. [18] Estévez R, Boettger T, Stein V, Birkenhäger R, Otto E, Hildebrandt F, et al. Barttin is a Cl– channel beta-subunit crucial for renal Cl– reabsorption and inner ear K+ secretion. Nature 2001;414:558–61. [19] Génétique et maladie ORL. Rapport de la société fran¸caise d’ORL et chirurgie cervico-faciale; 2005. [20] Teissier N, Delezoide AL, Mas AE, Khung-Savatovsky S, Bessières B, Nardelli J, et al. Inner ear lesions in congenital cytomegalovirus infection of human fetuses. Acta Neuropathol 2011;122:763–74. [21] Raphael Y, Altschuler RA. Structure and innervation of the cochlea. Brain Res Bull 2003;60:397–422. [22] Ferrary E, Couloigner V, Sterkers O. Physiologie des liquides labyrinthiques. EMC (Elsevier Masson SAS, Paris), Oto-rhino-laryngologie, 20-030-B-10, 2007. [23] Yeh TH, Herman P, Tsai MC, Tran Ba Huy P, Van den Abbeele T. A cationic nonselective stretch-activated channel in the Reissner’s membrane of the guinea pig cochlea. Am J Physiol 1998;274(3 Pt1):C566–76. [24] Eckhard A, Gleiser C, Arnold H, Rask-Andersen H, Kumagami H, Müller M, et al. Water channel proteins in the inner ear and their link to hearing impairment and deafness. Hear Res 2011;282:10–24. [25] Li J1, Verkman AS. Impaired hearing in mice lacking aquaporin-4 water channels. J Biol Chem 2001;276:31233–7. [26] Salt AN. Regulation of endolymphatic fluid volume. Ann N Y Acad Sci 2001;942:306–12. [27] Lim DJ. Fine morphology of the tectorial membrane. Its relationship to the organ of Corti. Arch Otolaryngol 1972;96:199–215. [28] Kimura RS. Hairs of the cochlear sensory cells and their attachment to the tectorial membrane. Acta Otolaryngol 1966;61:55–72. [29] Hughes DC, Legan PK, Steel KP, Richardson GP. Mapping of the alpha-tectorin gene (TECTA) to mouse chromosome 9 and human chromosome 11: a candidate for human autosomal dominant nonsyndromic deafness. Genomics 1998;48:46–51. [30] Khalkhali-Ellis Z, Hemming FW, Steel KP. Glycoconjugates of the tectorial membrane. Hear Res 1987;25:185–91. [31] Richardson GP, Russell IJ, Duance VC, Bailey AJ. Polypeptide composition of the mammalian tectorial membrane. Hear Res 1987;25:45–60. [32] Richardson GP, Lukashkin AN, Russell IJ. The tectorial membrane: one slice of a complex cochlear sandwich. Curr Opin Otolaryngol Head Neck Surg 2008;16:458–64. [33] Slepecky NB, Savage JE, Yoo TJ. Localization of type II, IX and V collagen in the inner ear. Acta Otolaryngol 1992;112:611–7. [34] Gueta R, Barlam D, Shneck RZ, Rousso I. Measurement of the mechanical properties of isolated tectorial membrane using atomic force microscopy. Proc Natl Acad Sci USA 2006;103:14790–5. [35] Richter CP, Emadi G, Getnick G, Quesnel A, Dallos P. Tectorial membrane stiffness F gradients. Biophys J 2007;93:2265–76. [36] Nowotny M, Gummer AW. Vibration responses of the organ of Corti and the tectorial membrane to electrical stimulation. J Acoust Soc Am 2011;130:3852–72. [37] Lukashkin AN, Richardson GP, Russell IJ. Multiple roles for the tectorial membrane in the active cochlea. Hear Res 2010;266:26–35. [38] Richardson GP, de Monvel JB, Petit C. How the genetics of deafness illuminates auditory physiology. Annu Rev Physiol 2011;73:311–34. [39] Dreiling FJ, Henson MM, Henson Jr OW. The presence and arrangement of type II collagen in the basilar membrane. Hear Res 2002;166:166–80. [40] Helmholtz HL. On the sensation of tone. New York: Dover; 1885. [41] Alves FR, de A, Quintanilha Ribeiro F. Revision about hearing loss in the Alport’s syndrome, analyzing the clinical, genetic and biomolecular aspects. Braz J Otorhinolaryngol 2005;71:813–9. [42] Von Bekesy G. Zur Theorie des Hörens bei der Schallaufnahme durch Knochenleitung. Ann Phys 1932;405:111–36.

20

[43] Von Békésy G. Experiments in hearing. New York: MacGraw Hill; 1960. [44] Recio A, Rhode WS. Basilar membrane responses to broadband stimuli. J Acoust Soc Am 2000;108(5Pt1):2281–98. [45] Rhode WS. Observations of the vibration of the basilar membrane in squirrel monkeys using the Mössbauer technique. J Acoust Soc Am 1971;49(Suppl. 2):1218. [46] Gold T. Hearing. II. The physical basis of the action of the cochlea. Proc R Soc Lond B Biol Sci 1948;135:492–8. [47] Kawashima Y, Geleoc GS, Kurima K, Labay V, Lelli A, Asai Y, et al. Mechanotransduction in mouse inner ear hair cells requires transmembrane channel-like genes. J Clin Invest 2011;121:4796–809. [48] Kim KX, Fettiplace R. Developmental changes in the cochlear hair cell mechanotransducer channel and their regulation by transmembrane channel-like proteins. J Gen Physiol 2013;141:141–8. [49] Beurg M, Fettiplace R, Nam JH, Ricci AJ. Localization of inner hair cell mechanotransducer channels using high-speed calcium imaging. Nat Neurosci 2009;12:553–8. [50] Hudspeth AJ. Making an effort to listen: mechanical amplification in the ear. Neuron 2008;59:530–45. [51] Flock A, Orman S. Micromechanical properties of sensory hairs on receptor cells of the inner ear. Hear Res 1983;11:249–60. [52] Howard J, Hudspeth AJ. Compliance of the hair bundle associated with gating of mechanoelectrical transduction channels in the bullfrog’s saccular hair cell. Neuron 1988;1:189–99. [53] Gillespie PG, Müller U. Mechanotransduction by hair cells: models, molecules, and mechanisms. Cell 2009;139:33–44. [54] Kazmierczak P, Sakaguchi H, Tokita J, Wilson-Kubalek EM, Milligan RA, Muller U, et al. Cadherin 23 and protocadherin 15 interact to form tip-link filaments in sensory hair cells. Nature 2007;449: 87–91. [55] Martin P, Hudspeth AJ. Active hair-bundle movements can amplify a hair cell’s response to oscillatory mechanical stimuli. Proc Natl Acad Sci USA 1999;96:14306–11. [56] Legan PK, Lukashkina VA, Goodyear RJ, Kossi M, Russell IJ, Richardson GP. A targeted deletion in ␣-tectorin reveals that the tectorial membrane is required for the gain and timing of cochlear feedback. Neuron 2000;28:273–85. [57] Verpy E, Weil D, Leibovici M, Goodyear RJ, Hamard G, Houdon C, et al. Stereocilin-deficient mice reveal the origin of cochlear waveform distortions. Nature 2008;456:255–8. [58] Dalhoff E, Turcanu D, Zenner HP, Gummer AW. Distortion product otoacoustic emissions measured as vibration on the eardrum of human subjects. Proc Natl Acad Sci USA 2007;104:1546–51. [59] Davis H. An active process in cochlear mechanics. Hear Res 1983;9:79–90. [60] Brownell WE, Bader CR, Bertrand D, de Ribaupierre Y. Evoked mechanical responses of isolated cochlear outer hair cells. Science 1985;227:194–6. [61] Brownell WE. Microscopic observation of cochlear hair cell motility. Scan Electron Microsc 1984;(Pt 3):1401–6. [62] Ren T, He W, Gillespie PG. Measurement of cochlear power gain in the sensitive gerbil ear. Nat Commun 2011;2:216. [63] Robles L, Ruggero MA. Mechanics of the mammalian cochlea. Physiol Rev 2001;81:1305–52. [64] He DZ, Dallos P. Somatic stiffness of cochlear outer hair cells is voltage-dependent. Proc Natl Acad Sci USA 1999;96:8223–8. [65] Dallos P, Zheng J, Cheatham MA. Prestin and the cochlear amplifier. J Physiol 2006;576(Pt1):37–42. [66] Liu XZ, Ouyang XM, Xia XJ, Zheng J, Pandya A, Li F, et al. Prestin, a cochlear motor protein, is defective in non-syndromic hearing loss. Hum Mol Genet 2003;12:1155–62. [67] Johnson SL, Beurg M, Marcotti W, Fettiplace R. Prestin-driven cochlear amplification is not limited by the outer hair cell membrane time constant. Neuron 2011;70:1143–54. [68] Hudspeth A. Mechanical amplification of stimuli by hair cells. Curr Opin Neurobiol 1997;7:480–6. [69] Fettiplace R. Active hair bundle movements in auditory hair cells. J Physiol 2006;576(Pt1):29–36. [70] Chan DK, Hudspeth AJ. Ca2+ current-driven nonlinear amplification by the mammalian cochlea in vitro. Nat Neurosci 2005;8: 149–55. [71] Dallos P, Wu X, Cheatham MA, Gao J, Zheng J, Anderson CT, et al. Prestin-based outer hair cell motility is necessary for mammalian cochlear amplification. Neuron 2008;58:333–9. [72] Fisher JA, Nin F, Reichenbach T, Uthaiah RC, Hudspeth AJ. The spatial pattern of cochlear amplification. Neuron 2012;76:989–97. EMC - Otorinolaringoiatria

Fisiologia cocleare: basi anatomiche, cellulari ed elettrofisiologiche  I – 20-020-A-10

[73] Avan P, Giraudet F, Chauveau B, Gilain L, Mom T. Unstable distortionproduct otoacoustic emission phase in Menière’s disease. Hear Res 2011;277:88–95. [74] Mom T, Montalban A, Khalil T, Gabrillargues J, Chazal J, Gilain L, et al. Vasospasm of labyrinthine artery in cerebellopontine angle surgery: evidence brought by distortion-product otoacoustic emissions. Eur Arch Otorhinolaryngol 2013 [Epub ahead of print]. [75] Avan P, Büki B, Petit C. Auditory distortions: origins and functions. Physiol Rev 2013;93:1563–619. [76] Spoendlin H. Physiology of the ear. New York: Raven Press; 1988. [77] Fuchs P. The synaptic physiology of cochlear hair cells. Audiol Neurootol 2002;7:40–4. [78] Smith CA, Sjostrand FS. Structure of the nerve endings on the external hair cells of the guinea pig cochlea as studied by serial sections. J Ultrastruct Res 1961;5:523–56. [79] Ruel J, Emery S, Nouvian R, Bersot T, Amilhon B, Van Rybroek JM, et al. Impairment of SLC17A8 encoding vesicular glutamate transporter-3, VGLUT3, underlies nonsyndromic deafness DFNA25 and inner hair cell dysfunction in null mice. Am J Hum Genet 2008;83:278–92. [80] Seal RP, Akil O, Yi E, Weber CM, Grant L, Yoo J, et al. Sensorineural deafness and seizures in mice lacking vesicular glutamate transporter 3. Neuron 2008;57:263–75. [81] Rutherford MA, Pangrˇsiˇc T. Molecular anatomy and physiology of exocytosis in sensory hair cells. Cell Calcium 2012;52:327–37. [82] Schmitz F, Königstorfer A, Südhof TC. RIBEYE, a component of synaptic ribbons: a protein’s journey through evolution provides insight into synaptic ribbon function. Neuron 2000;28:857–72.

[83] Brandt A, Striessnig J, Moser T. CaV1.3 channels are essential for development and presynaptic activity of cochlear inner hair cells. J Neurosci 2003;23:10832–40. [84] Brandt A, Khimich D, Moser T. Few CaV1.3 channels regulate the exocytosis of a synaptic vesicle at the hair cell ribbon synapse. J Neurosci 2005;25:11577–85. [85] Roux I, Safieddine S, Nouvian R, Grati M, Simmler MC, Bahloul A, et al. Otoferlin, defective in a human deafness form, is essential for exocytosis at the auditory ribbon synapse. Cell 2006;127:277–89. [86] Pangrsic T, Lasarow L, Reuter K, Takago H, Schwander M, Riedel D, et al. Hearing requires otoferlin-dependent efficient replenishment of synaptic vesicles in hair cells. Nat Neurosci 2010;13:869–76. [87] Ruel J, Wang J, Rebillard G, Eybalin M, Lloyd R, Pujol R, et al. Physiology, pharmacology and plasticity at the inner hair cell synaptic complex. Hear Res 2007;227:19–27. [88] Glowatzki E, Grant L, Fuchs P. Hair cell afferent synapses. Curr Opin Neurobiol 2008;18:389–95. [89] Glowatzki E, Fuchs PA. Transmitter release at the hair cell ribbon synapse. Nat Neurosci 2002;5:147–54. [90] Janssen R, Schweitzer L, Jensen KF. Glutamate neurotoxicity in the developing rat cochlea: physiological and morphological approaches. Brain Res 1991;552:255–64. [91] Eybalin M, Norenberg MD, Renard N. Glutamine synthetase and glutamate metabolism in the guinea pig cochlea. Hear Res 1996;101:93–101. [92] Oguchi T, Suzuki N, Hashimoto S, Chaudhry GA, Chaudhry FA, Usami S, et al. Inner hair cells of mice express the glutamine transporter SAT1. Hear Res 2012;292:59–63.

N. Saroul. F. Giraudet. L. Gilain. T. Mom. P. Avan ([email protected]). Service d’ORL et de chirurgie cervico-faciale, CHU Gabriel Montpied, 63000 Clermont-Ferrand, France. Laboratoire de biophysique neurosensorielle, UMR Inserm 1107, Université d’Auvergne, 63000 Clermont-Ferrand, France. Ogni riferimento a questo articolo deve portare la menzione: Saroul N, Giraudet F, Gilain L, Mom T, Avan P. Fisiologia cocleare: basi anatomiche, cellulari ed elettrofisiologiche. EMC - Otorinolaringoiatria 2016;15(1):1-21 [Articolo I – 20-020-A-10].

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