Sistemas Auditivo e Vestibular

Transcrição

1 Cadeira de Biofísica Molecular Capítulo 6 Sistemas Auditivo e Vestibular Paula Tavares, FCUL ( ) 1

2 Sistema Auditivo 2

3 O Som O som é a impressão fisiológica produzida pelas ondas sonoras. As ondas sonoras são ondas mecânicas longitudinais que podem viajar através de gases, líquidos e sólidos. Nas ondas longitudinais as partículas da onda oscilam na direcção de propagação da mesma. A vibração do primeiro plano de partículas é transferida para o plano seguinte de partículas e aí por diante. Desta forma todo o meio elástico vibra na mesma direcção de propagação, existindo zonas de compressão e de rarefacção de partículas. Sinusoidal sound wave produced by a vibrating tuning fork. Davidovits, 2001, Physics in Biology and Medicine, San Diego: Academic Press. 3

4 Ondas O comprimento de onda é o comprimento espacial de 1 ciclo. Símbolo λ. Unidade metro (m). O período é a duração do ciclo. Símbolo T. Unidade segundo (s). A velocidade de propagação da onda é a distância percorrida pela onda por segundo. Símbolo v. Unidade metro por segundo (ms -1 ). Depende do meio onde a onda se encontra a propagar. No ar a 20 o C, a velocidade do som é de cerca de 343 metros por segundo. Na água é de cerca de 1482 metros por segundo. No granito é de cerca de 6000 metros por segundo (Halliday & Resnick, 1988, Fundamentals of Physics, NY: John Wiley & Sons). A frequência é o número de ciclos por segundo. Símbolo f. Unidade hertz (Hz). 1 Hz = 1 ciclo por segundo. T = 1 f λ =ν T 4

5 Altura ou Tom do Som A altura ou tom do som (pitch) está relacionada com a frequência do som. A altura aumenta com a frequência, embora a relação matemática entre ambas não seja simples. As baixas frequências são percebidas como sons graves e as mais altas como sons agudos. O ouvido humano detecta vibrações sonoras com frequências entre 20 e Hz. Dentro desta gama de frequências a resposta do ouvido não é uniforme. O ouvido é mais sensível entre as frequências de 200 a 4000 Hz (Davidovits, 2001, Physics in Biology and Medicine, San Diego: Academic Press). Existe uma grande variabilidade entre seres humanos na sua resposta a diferentes frequências. Há pessoas que não conseguem ouvir sons com mais de 8000 Hz, enquanto que outras conseguem ouvir sons acima dos Hz. Os sons cujas frequências são inferiores a 20 Hz são denominados infrasons e os superiores a Hz (ou 20 khz) são os ultrasons. 5

6 Amplitude da Onda Sonora A amplitude da onda sonora é alteração máxima de pressão produzida pela onda durante a sua propagação. A pressão atmosférica normal (international standard atmosphere) é de Pa = 1 atmosfera = 760 mmhg. Medida ao nível do mar a K (15 0 C). Uma onda sonora gera variações locais na pressão atmosférica, com zonas de pressão inferior e superior ao seu valor médio. A pressão do som mais fraco que é audível pela pessoa média (limiar de audibilidade) é de Pa (tb N m -2 ). Este valor é definido para uma onda sonora pura com a frequência de 1000 Hz. Se compararmos esta pressão com a pressão atmosférica normal, verificamos que ela promove uma variação de % na pressão atmosférica normal. O limiar da dor é da ordem dos 20 Pa, que corresponde a uma variação de menos de 0.1% na pressão atmosférica normal (e a cerca de 120 db) (Becker et al, 1989, Ear, Nose and Throat Diseases, Thieme Medical Pub). 6

7 Intensidade da Onda Sonora A intensidade do som é a energia que a onda sonora transporta por unidade de tempo e por unidade de área, através duma superfície perpendicular à direcção de propagação da onda. É dada por: I = ρ ν 2 P 2ρν densidade do meio velocidade de propagação do som P alteração máxima de pressão produzida pela onda sonora As unidades da intensidade sonora são W m -2 (Davidovits, 2001, Physics in Biology and Medicine). 7

8 Décibeis O nível de pressão sonora é uma medida da pressão sonora relativamente a um nível de referência. Mede-se em decibéis (Sound Pressure Level ou db SPL): db = 20.log P P 0 O valor de referência P 0 corresponde à pressão do som mais fraco que é audível pela pessoa média (limiar de audibilidade) é de Pa (N m -2 ). O nível de intensidade sonora é uma medida da intensidade do som relativamente a um nível de referência. Mede-se em decibéis (Sound Intensity Level ou db SIL): db = 10.log I I 0 O valor de referência I 0 corresponde à intensidade do som mais fraco que é audível pela pessoa média (limiar de audibilidade) é de W m -2. São equivalentes: 2 P 2 db I 2ρν P = 10.log = 10.log = 10.log 20.log 2 2 I0 P0 P = 0 2ρν P P 0 8

9 O Volume de Som O volume do som (loudness) é uma medida subjectiva que descreve a intensidade relativa com que um som é ouvido pelo ouvinte. Está intimamente relacionado com a intensidade do som, mas não é de forma alguma idêntico a ela. A razão fundamental pela qual isto acontece deve-se ao facto do ouvido humano variar de sensibilidade com a frequência. Sons com a mesma intensidade, mas diferentes frequências, são percebidos como tendo diferentes volumes. Porquê? O canal auditivo é um tubo, de formato mais ou menos cilíndrico, com uma frequência de ressonância de cerca de 3500 Hz. Para frequências elevadas a cóclea torna-se menos eficiente. Mais, as células ciliadas responsáveis pela captação das elevadas frequências morrem com a idade e com elevadas intensidades sonoras ( ~guymoore/ ph224/notes/lecture13.pdf). 9

10 O Fon Verificou-se experimentalmente que pessoas diferentes, quando questionadas sobre as diferenças de volume de duas ondas sonoras, geralmente dão respostas idênticas. Isto levou à criação duma unidade de volume de som designada por Fon (Phon). N Fons significa com uma intensidade igual à de um som de N db a 1000 Hz. Exemplo: dizer-se que uma onda sonora de 50 db e uma frequência de 100 Hz tem 10 Fons significa afirmar que o seu volume é idêntico ao de uma onda sonora de 10 db e com uma frequência de 1000 Hz (frequência de referência). 10 db a 1000 Hz corresponde a 10 Fons, 20 db a 1000 Hz corresponde a 20 Fons,..., até a um máximo de 120 db, que a 1000 Hz corresponde a cerca de 120 Fons (o limiar da dor). Desta forma torna-se possível apresentar a pessoas o volume de som que corresponde a 10 Fons, 20 Fons, etc. Este volume é utilizado como referência para comparar os volumes de sons de ondas sonoras com outras frequências e a determinados décibeis. Esta experiência foi feita em 1933 por Fletcher e Munson, e repetida em 1956 por Robinson e Dadson. Levou à elaboração daquilo que hoje se conhece como curvas de isoaudibilidade (Curves of equal-loudness level). 10

11 Curvas de Isoaudibilidade No eixo dos X temos a frequência (em escala logarítmica de base 10). No eixo dos Y temos a intensidade em decibéis (em escala linear). No gráfico surgem uma série de curvas a negro. Cada curva a negro corresponde a uma quantidade de fons constante, valor numérico que está indicado sobre a curva (10, 20 até 120). Todas as ondas sonoras, cuja combinação de (frequência, decibéis) se encontre sobre a mesma curva são percebidas pelas pessoas como tendo o mesmo volume de som. A curva a tracejado é a curva do limiar de audibilidade. 11

12 O ouvido Ouvido externo O pavilhão auricular (orelha) e o canal auditivo externo (~3 cm de comprimento). Ouvido médio ou cavidade timpânica ou caixa do tímpano A parede externa do ouvido médio é a membrana do tímpano. A cavidade do tímpano é atravessada por três ossículos, o martelo, a bigorna e o estribo, que ligam a membrana do tímpano ao ouvido interno. Na parte inferior da cavidade do tímpano encontra-se um canal, a Trompa de Eustáquio, que conduz à rinofaringe. O ouvido médio está cheio de ar. Ouvido interno ou labirinto Compreende dois órgãos distintos, um para o sistema (ou aparelho) auditivo e outro para o sistema (ou aparelho) vestibular (incrustados no osso temporal). 12

13 O percurso inicial do som no aparelho auditivo O pavilhão auricular actua como um reflector sonoro, que captura o som e o canaliza para o canal auditivo externo. O som percorre o canal auditivo externo, atinge a membrana do tímpano (eardrum ou tympanum), uma fina membrana de cerca de 9 mm de diâmetro, fazendo-a vibrar. A vibração da membrana do tímpano é transmitida através dos três ossículos à janela oval, que transmite as vibrações para o interior da cóclea que se encontra cheia de líquido. 13

14 A impedância acústica A impedância acústica (Z) é um valor dependente da frequência da onda sonora. É o quociente entre a pressão da onda sonora e a velocidade de propagação da onda no meio em causa (Unidades Rayl). Z = P v Quando as impedâncias entre dois materiais são muito diferentes, o som não atravessa facilmente de um meio para outro. O som é reflectido na fronteira entre ambos. Isto é um problema para o ouvido médio, que transfere as vibrações do ar para as vibrações do líquido dentro da cóclea. Uma transferência directa geraria uma atenuação do sinal sonoro. 14

15 Mecanismos de amplificação do sinal no Ouvido Médio Tamanho relativo da membrana timpânica (cerca de 55 mm 2 ) e da zona de inserção do estribo à janela oval (footplate of the stapes) (cerca de 3.2 mm 2 ). A força exercida sobre a membrana timpânica é transferida via ossículos para o estribo gerando uma amplificação na ordem dos 55/3.2=17. Acção de alavanca do martelo e da bigorna, aumenta a força exercida sobre o estribo em cerca de 1.3. D1 é o comprimento do martelo. O corpo da bigorna é o fulcro da alavanca, e o braço D2 é constituído pelo processo lenticular da bigorna. No cômputo geral isto aumenta em cerca de 22 a força exercida sobre a janela oval. 15

16 A cóclea A cóclea encontra-se coberta por uma fina camada de osso laminar, e encontra-se embebida na estrutura densa do osso temporal. A cóclea (ou caracol) enrola-se duas vezes e meia em torno de um pilar ósseo central o modiolus. As duas hélices e meia, de diâmetro progressivamente menor, estão empilhadas numa estrutura cónica, de 9 mm de diâmetro máximo. Different diameters and slopes of cochlear turns to illustrate individual variations of the human cochlea (with permission of Helge Rask-Andersen, Uppsala, Sweden). 1. Canal Semicircular Anterior (Superior); 2, 3. Ampolas: 4. Sáculo; 5. Ducto Coclear; 6. Helicotrema ou Ápex; 7. Canal Semicircular Horizontal (Lateral); 8. Canal Semicircular Posterior; 9. Ampola; 10. Janela oval; 11. Janela Redonda; 12. rampa vestibular (Scala Vestibuli); 13. Rampa Timpânica (Scala Tympani); 14. Utrículo. A cóclea quando esticada apresenta mais ou menos o formato de um cilindro, que tende a afunilar numa das extremidades. 16

17 A cóclea O interior da cóclea é dividido em três secções preenchidas por fluído: o scala vestibuli (rampa vestibular), o scala tympani (rampa timpânica), e o scala media (ducto coclear). A rampa vestibular e a rampa timpânica unem-se na extremidade superior da cóclea, no helicotrema. O compartimento, que tem na base a janela oval, e que vai quase até ao vértice da cóclea designa-se rampa vestibular. O compartimento, que tem na base a janela redonda, e que vai quase até ao vértice da cóclea designa-se rampa timpânica. 17

18 A cóclea A membrana que separa o ducto coclear da rampa vestibular designa-se membrana de Reissner. A membrana que separa o ducto coclear da rampa timpânica designa-se membrana basilar. O interior do ducto coclear, designa-se por canal coclear (ou caracol membranoso) e é essencialmente preenchido por líquido. O Órgão de Corti estende-se ao longo de todo o comprimento do ducto coclear. O Órgão de Corti é o órgão receptor do ouvido interno. 18

19 Os líquidos da cóclea O interior da cóclea está cheio de líquido. O líquido é basicamente incompressível e vibra em resposta às vibrações da janela oval. A perilinfa encontra-se na rampa vestibular (SV) e rampa timpânica (ST). Envolve as partes lateral e basal das células ciliadas. O ião em maior concentração é o Na +. Wangemann, 2006, J Physiol, 576.1: A endolinfa encontra-se no interior do ducto coclear. Envolve a parte apical das células ciliadas, ou seja, a zona onde estão implantados os estereocílios. O ião em maior concentração é o K +. 19

20 O percurso do som no Ouvido Interno As ondas sonoras empurram a janela oval para o interior. A perilinfa é deslocada no interior da rampa vestibular, comprimindo a membrana de Reissner, o ducto coclear e a membrana basilar, e por fim a rampa timpânica. A pressão na rampa timpânica aumenta como resultado do aumento da pressão na rampa vestibular. O aumento de pressão na rampa timpânica vai por sua vez conduzir ao movimento da perilinfa neste compartimento e à abertura da janela redonda. 20

21 A membrana basilar Base Ápice As propriedades mecânicas da membrana basilar são fundamentais para o funcionamento da cóclea, variando continuamente ao longo do seu comprimento: Da base ao ápice aumenta de largura (cerca de 5 ). Da base ao ápice aumenta de flexibilidade, porque é delgada e mole na zona do ápice e espessa e mais rígida na zona da base. É constituída por inúmeras tiras transversais. Consequentemente, as diferentes tiras têm diferentes propriedades de ressonância. 21

22 A membrana basilar Um pouco de história Em 1928, George von Békésy ( ) era um engenheiro de telecomunicações em Budapeste, e estudava a adaptação mecânica e eléctrica do telefone às necessidades do ouvido humano. Inicialmente, Békésy construi um modelo mecânico da cóclea um tubo metálico cheio de água, com uma membrana esticada no interior. Mais tarde ele estudou ouvidos de cadáveres humanos. O fluído cóclear foi substituído por uma solução salina com alumínio e carvão em suspensão. Através de iluminação estroboscópica conseguiu seguir os movimentos da membrana quando submetida a sons. Observou que sons com diferentes frequências geravam ondas cuja amplitude máxima ocorria em diferentes zonas da membrana basilar (Place Theory). 22

23 A membrana basilar Uma tira irá vibrar com amplitude máxima quando a onda que se propaga no líquido apresentar uma componente com a frequência de ressonância da tira. As várias partes da membrana não oscilam em fase. Portanto, algumas das porções de membrana estão-se a mover num sentido e outras no sentido oposto. As frequências que excitam cada porção da membrana basilar variam logaritmicamente ao longo de todo seu comprimento. Próximo da base, temos frequências entre Hz e os 2000 Hz (intervalo de Hz). A meio da membrana basilar temos frequências entre 2000 Hz e 200 Hz (intervalo de 1800 Hz). No ápice temos frequências entre 200 Hz e os 20 Hz (intervalo de 180 Hz). Este arranjo das frequências sobre a membrana basilar designa-se por mapa tonotópico. 23

24 A membrana basilar Propagação de ondas sonoras com frequências elevada, média e baixa na membrana basilar. om/matthews/ear.html t 1 t 2 24

25 Decomposição de sons complexos pela membrana basilar A maioria dos sons são constituídos por várias ondas sinusoidais de frequência e amplitude características. A membrana basilar processa cada onda independentemente das outras. A amplitude de cada onda na membrana basilar é proporcional, se bem que de uma forma complexa, à intensidade da mesma. A membrana basilar atinge o máximo de amplitude na zona que é mais sensível à frequência da onda. Assim, a membrana basilar actua como um analisador mecânico, distribuindo a energia do estímulo ao longo do seu comprimento dependendo dos vários tons puros de que é constituído. Adaptado de 25

26 O Órgão de Corti O Órgão de Corti é constituído por células de suporte, células ciliadas externas, células ciliadas internas e fibras nervosas constituídas pelos dendritos dos neurónios I (da via auditiva), que recebem informação das células ciliadas. Duma forma simplificada, as células de suporte distribuem-se em camada sobre a membrana basilar. Acima delas encontram-se as células ciliadas. Um corte transversal da cóclea mostra que as células ciliadas estão distribuídas em quatro linhas paralelas entre si: uma linha de células ciliadas internas (cerca de 3500 células) e três linhas (ocasionalmente 4) de células ciliadas externas (cerca de células). A distinção interno/externo advém da maior ou menor proximidade das células ao modiolus. 26

27 As células ciliadas As células ciliadas tem um formato cilíndrico, e não apresentam dendrites e axónios. São rodeadas lateralmente pelas células epiteliais de suporte. Endolinfa K + A endolinfa banha a superfície superior da célula ciliada, na zona onde se inserem os estereocílios. A endolinfa encontra-se completamente separada do liquido extracelular (perilinfa) que banha o corpo e a base da célula ciliada pelas junções de oclusão (tight junctions). Imediatamente abaixo da junção de oclusão encontra-se uma junção intermédia, designada desmosoma (belt desmosome), que liga fortemente a célula ciliada às células de suporte laterais. Perilinfa Na + e Ca

28 Os estereocílios Em mamíferos um feixe de estereocílios, tem entre 1 a 6 µm de comprimento, e é constituído entre estereocílios (Fettiplace et al, 2006, Nat Rev Neurosci, 7:19-29). São os receptores dos estímulos mecânicos gerados pelas ondas sonoras na membrana basilar. Os estereocílios variam em comprimento ao longo de toda a superfície celular. O estereocílio é rígido, sendo constituído fundamentalmente por filamentos de actina. Um estereocílio apresenta um diâmetro constante ao longo de todo o seu comprimento, com excepção da zona (rootlet) onde se insere na célula ciliada - a placa cuticular (cuticular plate). 28

29 Os estereocílios e a membrana tectorial (ou tectória) As pontas dos cílios das células ciliadas externas (mas não das internas) penetram na membrana tectorial, à qual se encontram presas. Quando a membrana basilar se move, provoca o movimento do Órgão de Corti e da membrana tectorial. Como a membrana basilar e a membrana tectorial têm diferentes pontos de inserção, o movimento das duas superfícies em conjunto faz com que os cílios da células ciliadas se movam para a direita ou para a esquerda, dependendo da membrana basilar estar a ser deflectida para dentro ou para fora. Fettiplace et al, 2006, Nat Rev Neurosci, 7:

30 Os estereocílios Como o esqueleto do estereocílio é mais delgado na base, a aplicação duma força mecânica no topo faz com que o estereocílio gire à volta da base. As células ciliadas possuem um estereocílio que se destaca de todos os outros pelo seu tamanho, designa-se por cinocílio. Nos órgãos do labirinto vestibular o cinocílio actua como alavanca que transmite as forças do estímulo aos restantes estereocílios da célula ciliada. No entanto, o cinocílio não é essencial para a transdução mecanoeléctrica: a transdução persiste mesmo após a sua remoção nas células vestibulares. Fettiplace et al, 2006, Nat Rev Neurosci, 7:

31 Side links e Tip Links Os estereocílios dum feixe estão ligados entre si por filamentos finos extracelulares: Ligações laterais (side links) Ligações na ponta (tip links). Em conjunto, as ligações formam uma matriz extracelular que liga os estereocílios, de tal maneira que quando uma força é aplicada no topo do feixe, todos os estereocílios rodam em grupo, garantindo uma excitação uniforme dos canais iónicos mecâno-sensíveis. Fettiplace et al, 2006, Nat Rev Neurosci, 7:

32 Side links As side links são constituídas por três classes de proteínas: (1) Caderina (a caderina 23) é uma proteína membranar com domínios extracelulares que se ligam entre si; (2) Harmonina é uma proteína que facilita as ligações cruzadas entre proteínas; (3) Miosina VIIa, que se pensa ser responsável pela ancoragem do complexo membranar ao citoesqueleto de actina. 32

33 Tip Links Kazmierczak et al., 2012, Trends in Neurosciences, 35: O filamento de ligação entre os estereocílios é constituído por caderina 23 e protocaderina 15. Outros componentes deste sistema são a Myo1c (miosina 1c) e a Myo7A (miosina 7A) que actuam como motor de adaptação lenta. A harmonina e o SANS são proteínas que se ligam às caderinas e que estão incorporadas nos cílios. Kachar et al, 2000, PNAS, 97:

34 Canais mecâno-sensíveis Os canais mecâno-sensíveis situam-se nos estereocílios, e o seu mecanismo de abertura (gating-springs) encontra-se ligado às tip links. Permitem a passagem de catiões com uma condutância próxima dos 100 ps. O canal tem pelo menos 0.7 nm de diâmetro. A maior parte da corrente é transportada por K +, o catião que existe em maior concentração na endolinfa (157 mm). LeMasurier et al, 2005, Neuron, 48: Cada célula ciliada possuí cerca de 100 canais. Como existe um número comparável de estereocílios no feixe, e porque a magnitude do potencial é proporcional ao número de estereocílios, devem existir à volta de 1 canal por estereocílio. A latência da resposta das células ciliadas a um estímulo sonoro é muito pequena, menos de 50 µs. Isto sugere que o mecanismo de abertura é directo, ao invés de ser mediado por um segundo mensageiro. O movimento do feixe abre e fecha directamente os canais. 34

35 Canais mecâno-sensíveis Fettiplace et al, 2006, Nat Rev Neurosci, 7:

36 Localização dos canais mecâno-sensíveis Furness et al. (2010) J Physiol 588 pp

37 Mecanismos de adaptação dos canais mecâno-sensíveis Em resposta a uma deflexão do feixe, o canal abre em menos de 50 µs (LeMasurier et al, 2005, Neuron, 48: ), fechando em fases sequenciais de adaptação. O fecho dos canais dá-se mesmo quando o estímulo sonoro perdura temporalmente. Em condições apropriadas é observado um decaimento bimodal. A primeira fase ocorre rapidamente, em 1 ou 2 ms. A segunda fase demora dezenas a centenas de ms. Cada qual reflecte um fenómeno molecular distinto com a mesma conclusão: o fecho dos canais. Devido ao facto de terem cinéticas diferentes, estes dois processos são conhecidos por adaptação rápida e adaptação lenta (Fettiplace et al, 2006, Nat Rev Neurosci, 7:19-29). 37

38 Mecanismo de adaptação lenta O declínio de corrente na adaptação lenta é sincronizado com o relaxamento do feixe, o que sugere que o processo reduz a tensão da gating spring. A adaptação lenta parece ser mediada pela miosina 1c*. Pensa-se que a miosina 1c controla a tensão das tip links, e portanto da força aplicada nos canais. A miosina 1c permite o movimento da ligação superior da tip link ao longo da parede do estereocílio (a miosina 1c liberta-se da actina quando a concentração intracelular em Ca 2+ aumenta) (Fettiplace et al, 2006, Nat Rev Neurosci, 7:19-29; *o papel da miosina 1c neste processo tem vindo a ser questionado Peng et al, 2011, Nat Commun). Em resposta a um desvio continuado do feixe de estereocílios, os fenómenos de adaptação lenta promovem uma alteração dos limites de funcionamento do canal na direcção do estímulo que foi imposto. A utilidade fisiológica é clara: ao adaptarem-se a estímulos prolongados, as células ciliadas permanecem sensíveis a novos estímulos e nenhum informação é perdida. Portanto, pelo menos uma das funções da adaptação é optimizar o funcionamento dos canais para a gama de estímulos sonoros que precisam de diferenciar. 38

39 Transdução mecanoeléctrica Numa célula não estimulada encontram-se abertos cerca de 15% dos canais, e o potencial de repouso anda à volta dos 60 mv. Um estímulo positivo, que empurra os cílios no sentido da sua ponta mais alta, conduz à abertura dos canais iónicos e à despolarização da célula (até cerca de 40 mv). Um estímulo negativo, que empurra os cílios no sentido oposto ao da ponta mais alta, conduz ao fecho dos canais iónicos e à hiperpolarização da célula. Estímulos que formem ângulos rectos com a direcção preferencial de despolarização e hiperpolarização são neutros, não promovendo qualquer variação do potencial da célula. Qualquer estímulo oblíquo que actue sobre os estereocílios promoverá uma variação de potencial cuja amplitude depende do valor da normal do estímulo à direcção preferencial de resposta dos estereocílios. 39

40 Transdução mecanoeléctrica O potencial das células ciliadas varia duma forma gradual. À medida que a amplitude do estímulo aumenta, o potencial do receptor aumenta progressivamente, até a um ponto máximo de saturação. A relação entre a deflexão do feixe e a resposta eléctrica resultante é sigmoidal. Um deslocamento de cerca de 100 nm provoca uma resposta na ordem dos 90% da resposta máxima. Em condições normais de estimulação, o feixe move-se só cerca de ±1 o. Kandel et al, 2001, Principles of Neural Science, NY:McGraw-Hill. Como o sistema auditivo realiza a média de várias respostas, de maneira a melhorar a razão sinal-ruído, o limiar de audição corresponde a uma deflexão do feixe de estereocílios em cerca de ±0.3 nm. Um estímulo desta magnitude evoca um potencial de receptor de cerca de 100 µv. In vitro, o movimento dos cílios devido ao movimento Browniano das partículas é cerca de 3 nm. 40

41 Frequência característica Cada célula ciliada é mais sensível a estimulação numa determinada frequência a frequência característica. É também sensível a uma gama limitada de frequências, acima e abaixo da sua frequência característica. Células ciliadas sucessivas diferem na sua frequência característica em cerca de 0.2%. A sensibilidade de uma célula ciliada a diferentes frequências é representada pela curva de sintonia (tuning curve). A curva de sintonia das células ciliadas tem um formato típico em V. A ponta da curva corresponde à frequência com menor intensidade sonora, e portanto à frequência característica da célula ciliada. Kandel et al, 2001, Principles of Neural Science, NY:McGraw- Hill. 41

42 Factores que determinam a frequência característica As diferenças na oscilação da membrana basilar ao longo do seu comprimento. A membrana basilar oscila com amplitude máxima na zona que tiver uma frequência de ressonância igual à da onda sonora que a gerou. As diferenças na estrutura mecânica das células ciliadas À medida que nos aproximamos da base da membrana basilar, as células ciliadas tornam-se mais curtas (passam de 7 µm a 4 µm) e os seus cílios mais rígidos, o que lhes confere diferentes propriedades de ressonância (passam de 20 Hz a Hz). As diferenças na amplitude da corrente de transdução. As correntes maiores ocorrem nas zonas das altas frequências. As células ciliadas basais apresentam um maior número de estereocílios, e portanto de canais mecânosensíveis. Para além disso os canais deixam passar individualmente mais corrente (LeMasurier et al, 2005, Neuron, 48: ). As diferenças nas oscilações eléctricas espontâneas das células ciliadas. As células ciliadas apresentam uma oscilação espontânea do seu potencial de repouso. A frequência de oscilação da célula ciliada depende da sua posição na membrana basilar e, em cada caso, a frequência característica de oscilação é igual à frequência a que a tira da membrana basilar oscila maximamente. 42

43 Oscilações eléctricas espontâneas das células ciliadas Observado em vertebrados não mamíferos. Para observar este fenómeno provocase uma deflexão positiva no feixe de estereocílios ou injecta-se corrente nas células ciliadas. Acção despolarizante. A despolarização abre canais de Ca 2+ dependentes da voltagem ao nível do corpo da célula ciliada. O aumento da concentração intracelular de Ca 2+ promove a abertura de canais de K + dependentes do Ca 2+. A subida de Fetipplace et al, 1999, Annu Rev Physiol, 61: potencial promove tb a abertura de canais de K + dependentes da voltagem. O K + sai repolarizando a célula. Com a repolarização fecham os canais de K + e de Ca 2+ dependentes da voltagem. Por acção de transportadores a concentração intracelular de Ca 2+ diminui. Começam a fechar canais de K + dependentes do Ca

44 Oscilações eléctricas espontâneas das células ciliadas A corrente extrínseca (mediada via deflexão de estereocílios ou injectada artificialmente) conduz novamente o potencial na direcção positiva, iniciando novo ciclo de oscilação. Como a célula ciliada ainda não tinha recuperado completamente do ciclo anterior, este ciclo vai ter menor amplitude. Estimular a célula à sua frequência característica de ressonância provoca uma maior variação de potencial. Fetipplace et al, 1999, Annu Rev Physiol, 61: Vários factores estabelecem a frequência da ressonância: a capacitância da membrana, o número e as propriedades cinéticas dos canais de Ca 2+ e de K +, o tempo de remoção do Ca 2+ por difusão, sequestração e extrusão. 44

45 Amplificação da energia mecânica Uma grande proporção da energia do estímulo acústico é gasta para vencer a resistência dos fluídos cocleares ao movimento. Apesar disso a cóclea é muito eficiente. Isto deve-se à existência na cóclea de mecanismos activos para amplificação da energia sonora. Emissões otoacústicas evocadas Depois de estimular o ouvido com um clique, este emite um ou mais cliques, dentro da gama de frequências do estímulo inicial Emissões otoacústicas espontâneas Num ambiente em silêncio é possível gravar com um microfone muito sensível os sons (um ou mais tons puros) produzidos pelos ouvidos Existem dois tipos de amplificação do sinal sonoro na cóclea dos mamíferos: Hair bundle motor Movimento mecânico activo dos cílios, que ocorre quer nas células ciliadas externas quer internas. Somatic Motor Expansão e contracção das células ciliadas externas [fenómeno conhecido por electromobilidade (electromotility)]. A electromobilidade é o principal responsável pela amplificação do sinal sonoro nos mamíferos (Frolenkov, 2006, J Physiol, 576.1: 43 48). 45

46 Hair bundle motor O movimento activo dos feixes de estereocílios tem sido estudado extensivamente em vertebrados não mamíferos. A estimulação dos feixes de estereocilios com uma fibra flexível próximo ou à frequência característica da célula gera oscilações espontâneas. O feixe pode-se mover a distâncias superiores à do estímulo, sendo por isso inequivocamente amplificado pelo movimento (Martin et al, 1999, PNAS, 96: ). Este fenómeno já foi observado em mamíferos (Chan et al, 2005, Nat Neurosci, 8(2): ). Pensa-se que os mecanismos moleculares que estão na origem do fenómeno de adaptação rápida dos canais mecâno-sensíveis provocam o movimento activo dos estereocílios. Magnitude of bundle motion to the stimulus amplitude. During stimulation near the bundle s natural frequency (black, 9 Hz), and for stimulation well above the natural frequency (purple, 153 Hz). Martin et al, 2001, PNAS, 98:

47 Hair bundle motor e os mecanismos de adaptação rápida No channel-reclosure model o movimento positivo dos estereocílios abre o canal mecânosensível, permitindo a entrada de K + e de Ca 2+. O Ca 2+ promove directa ou indirectamente o fecho do canal mecâno-sensível, aumentando a tensão da gating-spring (Sottomayor et al, LeMasurier et al, 2005, Neuron, 48: , Structure, 13: ) e o movimento do estereocílio no sentido negativo. No release model o movimento positivo dos estereocílios abre o canal mecâno-sensível, permitindo a entrada de K + e de Ca 2+. O Ca 2+ actua sobre um terceiro elemento que conduz ao alongamento da gatingspring (deflexão no sentido positivo). O fecho subsequente do canal mecâno-sensível aumenta a tensão da gating-spring e provoca o movimento dos estereocílios no sentido negativo. A constante de tempo associada a este processo mecânico varia com a f característica da célula, diminuindo para as altas frequências (Fettiplace et al, 2006, Nat Rev Neurosci, 7:19-29; Gillesiie et al., 2009, Cell, 139(1): ). 47

48 Somatic motor As células ciliadas externas apresentam a capacidade de alterarem ritmicamente o seu comprimento. Este processo é mediado por alterações no potencial da membrana. Estas propriedades mecânicas das células ciliadas, conhecidas como electromobilidade, são derivadas duma proteína motora membranar, a prestina, que sofre alterações conformacionais dependentes da voltagem. Fettiplace et al, 2006, Nat Rev Neurosci, 7: A prestina existe abundantemente na membrana plasmática das células ciliadas externas. Esta proteína possui um sítio de ligação a aniões que se pensa estar na base da sua sensibilidade à voltagem. Quando a célula está no seu estado de repouso, ligeiramente hiperpolarizado, o Cl - liga-se à prestina e a célula está alongada. Quando a célula despolariza o Cl - separa-se da prestina encurtando a célula. Isto provoca o movimento dos estereocílios no sentido negativo e a hiperpolarização. Assim, durante a excitação mediada por uma onda sonora, a célula encurta e alonga várias vezes. 48

49 Fluxo de informação no Órgão de Corti As células ciliadas externas e internas convertem estímulos mecânicos em variações do seu potencial intracelular. As células ciliadas internas são as células sensoriais que transmitem a informação auditiva para o cérebro. Em contraste, as células ciliadas externas recebem inervação eferente (do SNC para a periferia) abundante e tem poucas fibras aferentes (contribuem com feedback para regulação da activação eferente). O GABA e a acetilcolina hiperpolarizam a célula ciliada externa, modulando a sua mobilidade. Raphael et al, 2003, Brain Res Bull, 60:

50 Fluxo de catiónico nas células ciliadas internas Abertura dos canais mecâno-sensíveis conduz à entrada de K + e de Ca 2+ pela extremidade dos estereocílios. O K + difunde-se passivamente dos estereocílios até ao corpo e base da célula ciliada. Na parede lateral e base da célula ciliada existem canais de Ca 2+ dependentes da voltagem (entra Ca 2+ ), canais de K + dependentes da voltagem e canais de K + dependentes do Ca 2+ (sai K + ). Os canais de Ca 2+ dependentes da voltagem medeiam a libertação do conteúdo das vesículas de glutamato na sinapse. Bear et al, 2006, Neuroscience: Exploring the Brain, Lippincott Williams & Wilkins. 50

51 As sinapses das células ciliadas internas No citoplasma adjacente à zona de libertação encontrase um corpo denso pré-sináptico, de formato esférico ou ovóide, com cerca de 400 nm de diâmetro (ribbon). Este corpo denso é rodeado por vesículas sinápticas, cada qual com 35 nm de diâmetro, que estão por vezes ligadas ao corpo denso por filamentos. Nouvian et al, 2006, J Membrane Biol, 209: Pensa-se que o corpo denso está envolvido na libertação rápida de glutamato. Por exemplo, nas células ciliadas internas do rato já se registaram taxas de exocitose de 6000 vesículas por segundo. Esta resposta é essencial para a codificação de estímulos sonoros de elevada frequência. (Nouvian et al, 2006, J. Membrane Biol. 209, ). Raphael et al, 2003, Brain Res Bull, 60:

52 As sinapses das células ciliadas internas Em repouso, as células ciliadas internas encontram-se num nível intermédio de potencial (- 60 mv). Isso conduz à libertação contínua de glutamato, que promove activação dos neurónios aferentes (células ganglionares). O movimento dos estereocílios abre e fecha os canais catiónicos à frequência do som. Isto por sua vez induz despolarizações e hiperpolarizações rítmicas da célula que aumentam ou diminuem a libertação de glutamato. Isto é muito importante para a localização de fontes sonoras, que se baseiam na diferença de tempo em que o som chega aos dois ouvidos. Para que as células ganglionares consigam captar informação a frequências elevadas (no ser humano até ~ Hz) as sinapses tem de ser muito eficientes. Para além das características já descritas, outros factores contribuem para a rapidez das sinapses (Ruel et al, 2007, Hearing Research, 227: 19 27; Eatock et al, 2006, Vertebrate Hair Cells, Springer.). Rápida activação e desactivação dos canais de Ca 2+ dependentes da voltagem. Rápida captação do glutamato da fenda sináptica. Mediada pelas células de suporte que possuem transportadores de glutamato (GLAST). Rápida resposta dos receptores pós- sinápticos (ionotrópicos - AMPA). 52

53 Neurónios ganglionares A informação fluí das células ciliadas para os neurónios cujos corpos celulares se encontram no gânglio coclear. Pelo facto do gânglio seguir um percurso espiral dentro do núcleo ósseo (modiolus) da espiral coclear, também se chama gânglio espiral. Existem cerca de células ganglionares. 90% das células ganglionares terminam nas células ciliadas internas. Cada célula ganglionar inerva uma única célula ciliada, mas cada célula ciliada envia informação para em média 10 células ganglionares. A informação neuronal sobre o som deriva das células ciliadas internas (Kandel et al, 2001, Principles of Neural Science). 53

54 Neurónios ganglionares Place Principle Em zonas particulares do gânglio espiral, os neurónios respondem melhor a estimulação na frequência característica da célula ciliada de que recebem informação. Portanto, o gânglio espiral tem uma organização tonotópica. O método utilizado pelo SNC para determinar a frequência do som tem por base a posição, ao longo da membrana basilar, dos neurónios ganglionares que respondem ao som Place Principle. 54

55 Neurónios ganglionares Phase locking A frequência de resposta das células ciliadas é condicionada pela frequência do estímulo. A baixas frequências (< 200 Hz), o movimento dos cílios das células ciliadas no sentido dos cílios mais altos, promove despolarização da célula ciliada e activação da célula ganglionar numa fase particular da onda sonora (a isto chama-se phase-locking). Como os neurónios não conseguem disparar a taxas superiores a cerca de 200 Hz, é a combinação das respostas de vários neurónios ganglionares (sensíveis à frequência sonora em causa), que no conjunto representa a frequência do som (a isto chama-se volley principle e verifica-se para frequências sonoras até cerca dos 4000 Hz) (Plack, 2005, The sense of hearing, Routledge; Bear et al, 2006, Neuroscience: Exploring the Brain, Lippincott Williams & Wilkins). Acima disso o disparo dos neurónios não está correlacionado com a fase da onda do estímulo sonoro. 55

56 Neurónios ganglionares Loudness Sons mais elevados (maior pressão sonora em db) aumentam duma forma quase-linear a frequência de disparo da fibra nervosa. À medida que a intensidade sonora aumenta, a membrana basilar vibra com maior amplitude, promovendo uma variação maior do potencial das células ciliadas. Como resultado, as células ganglionares disparam a uma taxa mais elevada. Para além do mecanismo anterior, a vibração da membrana basilar tende a expandir-se lateralmente, activando as células ganglionares laterais à zona de maior pressão. Bear et al, 2006, Neuroscience: Exploring the Brain, Lippincott Williams & Wilkins. Actualmente pensa-se que a intensidade do som é codificada pela combinação da frequência de disparo dos neurónios individuais com o número de neurónios que disparam simultaneamente. 56

57 Até ao córtex auditivo Neurónio I - Os corpos celulares dos neurónios I encontram-se no gânglio espiral situado na cóclea. São neurónios bipolares, o dendrito termina em contacto com os receptores periféricos especiais do Órgão de Corti e o axónio constitui a porção coclear do nervo vestíbulo-coclear. Neurónios II - Os corpos celulares encontramse nos núcleos cocleares dorsal e ventral. Os axónios dirigem-se para o núcleo olivar superior. Neurónios III Os corpos celulares encontram-se no núcleo olivar superior. Os axónios seguem através do leminisco lateral para colículo inferior. Neurónios IV - Os corpos celulares encontram-se no colículo inferior. Os axónios dirigem-se para o corpo geniculado medial do tálamo. Neurónios V - Os corpos celulares encontram-se no corpo geniculado medial do tálamo. Os axónios formam a radiação auditiva, que passa pela cápsula interna e chega à área auditiva primária onde termina. 57

58 Sistema Vestibular 58

59 Posição relativa dos sistemas auditivo e vestibular 59

60 Sistema Vestibular O sistema vestibular é importante para a manutenção do balanço (postura e equilíbrio), e pela estabilização dos olhos em relação ao ambiente. Mede as acelerações lineares e angulares da cabeça através de 5 órgãos sensitivos. Está encaixado num sistema de tubos ósseos na porção petrosa do osso temporal, designada por labirinto ósseo. Dentro deste sistema encontra-se a parte funcional do sistema vestibular e auditivo, o labirinto membranoso. No interior do labirinto membranoso encontra-se a endolinfa. No exterior do labirinto membranoso encontra-se a perilinfa. 60

61 Os 5 Órgãos Sensitivos do Sistema Vestibular O utrículo e o sáculo (sacos ovóides, ~ 3 mm comprimento) detectam acelerações lineares, incluindo as que são produzidas pela gravidade e pelos movimentos do corpo (Kandel et al, 2001, pp 804). As máculas acústicas são os órgãos sensitivos do utrículo e do sáculo. A mácula do utrículo fica paralela ao chão (quando a pessoa está em pé, detecta acelerações no plano horizontal, = ao chão). A mácula do sáculo fica perpendicular ao chão (quando a pessoa está em pé, detecta acelerações no plano vertical, ao chão). Os canais semicirculares medem as acelerações angulares provocadas pela rotação da cabeça. São tubos que formam uma estrutura quase circular com 8 mm de diâmetro (Kandel et al, 2001, pp 805). As cristas ampolares são os órgãos sensitivos dos canais semicirculares. Encontram-se na extremidade de cada canal semicircular. Detectam a rotação da cabeça nos planos horizontal (horizontal) e verticais (superior e posterior) ao chão

62 As máculas acústicas As máculas acústicas são estruturas planas de formato elíptico onde se encontram as células ciliadas do sistema vestibular. O utrículo contém cerca de células ciliadas, enquanto que o sáculo contém cerca de células ciliadas. O feixe de estereocílios projecta-se do topo das células ciliadas para o interior da endolinfa, onde se agarra a uma camada gelatinosa, a membrana otolítica, que cobre toda a mácula. Embebida e sobre a membrana otolítica encontram-se particulas densas, os otólitos, que são cristais de calcite (carbonato de cálcio). Tem cerca de µm de comprimento e existem aos milhões nas cavidades do utrículo e do sáculo. Devido à sua presença, o utrículo e o sáculo são conhecidos como órgãos otolíticos. 62

63 As máculas acústicas Quando a cabeça sofre aceleração linear o labirinto membranoso move-se conjuntamente com esta porque está fixo ao crânio. No entanto, os otólitos estão livres de se mover no interior do utrículo e do sáculo. O movimento dos cristais conduz ao movimento da membrana otolítica e consequentemente dos estereocílios. Snyder, 1999, Nature Neuroscience, 2:

64 Células ciliadas vestibulares (a) Hair bundle from a frog vestibular organ, composed of approx 60 stereocilia. (b) An excitatory deflection of the hair bundle (arrow) causes stereocilia to shear past one another, separating the tips. The single kinocilium of a bundle is attached to neighboring stereocilia. (c) Tip link extending from the tip of a shorter stereocilium to the side of the next taller, along the excitatory axis. Scale bars: 100 nm, 50 nm in inset. (d) Domain structure and approximate length of cadherin 23 and protocadherin 15. (e) Proposed molecular composition of a tip link. A parallel homodimer of cadherin 23 joins a parallel homodimer of protocadherin 15, binding at their N termini. In Corey, 2007, Nature Neuroscience, 10:

65 As máculas acústicas Quando os estereocílios das células ciliadas vestibulares são empurrados na direcção do cinocílio, abrem-se nas suas superfícies laterais canais catiónicos (que conduzem principalmente K + ), os catiões entram despolarizando a célula. Desta forma, a mácula vestibular será sensível às acelerações que tiverem uma componente na direcção dos planos de máxima activação dos seus cinocílio. Para detectar acelerações em sentidos opostos e em várias direcções as máculas acústicas possuem conjuntos de estereocílios dispostos assimetricamente e em diferentes direcções. Qualquer aceleração (nos planos horizontal ou vertical) maximiza a despolarização dum grupo de células ciliadas e a hiperpolarização dum grupo de células ciliadas complementares. 65

66 Resposta dos neurónios vestibulares dos órgãos otolíticos A resposta dum neurónio vestibular dos órgãos otolíticos a movimento irá depender da sua orientação sobre a mácula acústica. No gráfico ao lado, encontra-se indicado a resposta dum neurónio vestibular do utrículo dum macaco a movimentos da cabeça para a cima e para baixo (pitch) e laterais (roll). Fernandez et al, 1976, J Neurophysiol, 39:

67 As cristas ampolares As cristas ampolares encontram-se nas ampolas, estruturas ovóides que estão na base de cada canal semicircular (3 canais 3 ampolas). As cristas ampolares são formadas por células de suporte e células ciliadas (~ 7000) cujos estereocílios mergulham na cúpula. A cúpula é constituída por uma substância gelatinosa, que vai dum lado ao outro da ampola. Os cinocílios estão orientados todos na mesma direcção e sentido. As ampolas, assim como os canais semicirculares, estão preenchidos com endolinfa. Devido à presença da cúpula, a endolinfa fica impedida de se mover livremente através das ampolas. 67

68 As cristas ampolares Ocorre aceleração angular quando o organismo altera a sua velocidade de rotação em torno dum eixo. Os canais semicirculares detectam estas acelerações angulares e transmitem a sua magnitude e orientação ao cérebro. À medida que a cabeça roda num determinado sentido, o labirinto membranoso que está preso ao crânio roda nesse sentido. Como a cúpula está agarrada ao labirinto membranoso, tende a acelerar com ele. No entanto, a endolinfa, devido à inércia, não acelera à mesma taxa que a restante estrutura, ficando para trás. A cúpula ao deslocar-se na direcção do movimento, empurra a endolinfa. Como consequência a cúpula fica deformada para trás, deformação esta que é transmitida às cristas ampolares. 68

69 Resposta dos neurónios vestibulares dos canais semicirculares Em repouso, os neurónios vestibulares disparam a uma taxa de 100 impulsos por segundo. A despolarização das células ciliadas conduz ao aumento do disparo dos neurónios vestibulares. A hiperpolarização das células ciliadas inibe o disparo dos neurónios vestibulares. Após alguns segundos do começo da rotação, a endolinfa começa a movimentar-se à mesma velocidade que o labirinto membranoso, pelo que deixa de exercer pressão na cúpula, e consequentemente o disparo dos neurónios vestibulares desce para o nível basal. Quando a pessoa pára de rodar, a endolinfa, devido à inércia, continua a rodar no sentido da rotação. Isto conduz à hiperpolarização das células ciliadas, e portanto à diminuição da taxa de disparo dos neurónios vestibulares em relação ao nível basal. Os canais semicirculares detectam o começo e o fim da rotação! Guyton & Hall, 2005, Textbook of Medical Physiology, Pennsylvania: Elsevier. 69

70 Orientação dos canais semicirculares Os canais circulares estão dispostos quase que perpendicularmente uns em relação aos outros, sendo por isso capazes de detectar acelerações nos três eixos coordenados. Os planos nos quais os canais semicirculares se encontram não correspondem, no entanto, aos planos anatómicos de referência (axial ou horizontal, coronal ou frontal e sagital). O canal semicircular horizontal fica quase que paralelo ao plano horizontal. Os canais semicirculares superior (=anterior) e posterior formam ângulos de cerca de 45 o com os planos coronal e sagital Kandel et al, 2000, Principles of Neural Science, NY: McGraw-Hill.

71 Detecção da rotação da cabeça no plano horizontal Quando a cabeça roda para a esquerda, o movimento da endolinfa em ambos os canais semicirculares horizontais é idêntico. No entanto, devido à posição relativa das células ciliadas de ambos os canais, a deflexão no canal semircircular do hemisfério esquerdo é excitatória e na do hemisfério direito é inibitória. Lesões dos receptores vestibulares geram sensações de vertigem e desorientação. Isto porque o SNC associa a cada acção motora um padrão de activação particular do Sistema Vestibular. 71

72 O Nervo Vestibular As células ciliadas enviam a sua informação para as dendrites de cerca de neurónios, cujos axónios constituem o nervo vestibular que termina nos núcleos vestibulares da ponte e bolbo (algumas das projecções são bilaterais, mas as ipsilaterais existem em maior número). Os corpos celulares destes neurónios encontram-se no gânglio vestibular ou de Scarpa. VIII Nervo Craniano Nervo Vestibulococlear 1 Nervus vestibularis, 2 Nervus cochlearis, 3 Nervus intermediofacialis, 4 Ganglion geniculi, 5 Chorda tympani, 6 Cochlea, 7 Ductus semicirculares, 8 Malleus, 9 Membrana tympani, 10 Tuba auditiva A informação vestibular segue depois para o núcleo oculomotor, centros espinais e reticulares, cerebelo, tálamo e lobo parietal (no sulco de sílvio, em oposição ao córtex auditivo primário). n/brainstem/13vnan.html 72

73 Fluxo da informação vestibular 73

74 Bibliografia Kandel et al, 2000, Principles of Neuroscience, NY: MacGraw-Hill. Guyton & Hall, 2005, Textbook of Medical Physiology, Pennsylvania: Elsevier. Raphael et al, 2003, Structure and innervation of the cochlea, Brain Res Bull, 60: Fettiplace et al, 2006, The sensory and motor roles of auditory cells, Nat Rev Neurosci, 7: LeMasurier et al, 2005, Hair-Cell Mechanotransduction and Cochlear Amplification, Neuron, 48: Frolenkonv, 2006, Regulation of electromotility in the cochlear outer hair cell, J Physiol, 576.1: Moser et al, 2006, Hair cell ribbon synapses, Cell Tissue Res, 326: Fettiplace et al, 1999, Mechanisms of Hair Cell Tunning, Annu Rev Physiol, 61: