清華生命學院熊巍課題組揭示動物超聲聽覺的分子和細胞機制

然而這麼高頻的聲音是怎麼被動物所感知的,也就是說超聲聽覺從何而來,其生物學基礎尚不清楚。

人類能聽見的聲音頻率範圍在20 Hz到20 kHz之間,然而有些動物發展出了超常的感受和產生高頻聲音(>20 kHz)的能力,稱之為超聲聽覺(Ultrasonic hearing)和超聲發聲(Ultrasonic vocalization)。基於超聲的聽覺參與很多重要的生理功能和動物行為,包括:種群內的社會交流行為,例如:幼小動物呼喚母親的照顧、成年雄性的爭鬥以及雌雄間的求偶等。這些超聲發聲因頻率範圍高於捕食者的聽覺範圍而可以不被天敵所探知,或者抵抗周邊環境例如瀑布等的譟音,蝙蝠、海豚等動物可以利用自己發射的超聲進行回聲定位,實現在黑暗環境獵食和導航。通過超聲進行交流的動物,包括小鼠在內,其聽覺頻率範圍遠大於人類,甚至能高於100kHz。然而這麼高頻的聲音是怎麼被動物所感知的,也就是說超聲聽覺從何而來,其生物學基礎尚不清楚。

2021年7月13日,清華-IDG/麥戈文腦科學研究院、清華大學生命學院熊巍課題組,在美國科學院院刊(PNAS)上線上發表了標題為“PIEZO2在耳蝸外毛細胞上介導小鼠的超聲聽覺”(PIEZO2 mediates ultrasonic hearing via cochlear outer hair cells in mice)的研究論文,詳細闡述了超聲聽覺的分子和細胞機制。

圖1:超聲聽覺廣泛存在於小鼠的社會交流行為中,包括:種群內的社會交流行為。例如:幼小動物呼喚母親的照顧、成年雄性的爭鬥、以及雌雄間的求偶等。本文發現超聲聽覺(Ultrasonic hearing)是通過耳蝸外毛細胞(Outer hair cells)所感受,並由機械敏感通道PIEZO2所介導

在本研究中,清華大學生命學院熊巍課題組首先發展了超聲測聽方法,實現了可以在超高頻段刺激和記錄小鼠的聽覺反應。通過引入Pax2-Cre小鼠和Atoh1-Cre小鼠,和Piezo2-loxp小鼠雜交構建出耳蝸組織特异性敲除Piezo2的小鼠,發現Piezo2參與動物的超聲聽覺。研究者進一步採用超聲刺激關聯的動物習得行為學,發現Piezo2的條件性敲除小鼠雖然能學會記住常規頻段的聲音刺激,表現出Freezing現象,但是它們無法學會(聽到)超聲頻段的聲音刺激。

對PIEZO2蛋白的細胞表達的鑒定,研究者用了三種方法,第一種是Piezo2-Cre小鼠和螢光報告小鼠雜交發現Piezo2表達於所有外毛細胞和一部分內毛細胞中;在新生小鼠耳蝸的免疫組化實驗表明其在外毛細胞的頂板上有特异表達;在成年的耳蝸毛細胞中通過RNAscope的方法看到Piezo2的持續表達。

研究者進一步確定參與超聲聽覺的毛細胞類型:通過引入Prestin-CreER小鼠,構建出Piezo2外毛細胞特异性敲除小鼠,發現Piezo2外毛細胞特异性敲除小鼠存在超聲聽覺問題;通過vGlut3-CreER小鼠和Piezo2-loxp小鼠雜交,得到Piezo2內毛細胞特异性敲除的小鼠,發現並沒有出現超聲聽覺的异常。從而得出結論,耳蝸外毛細胞是Piezo2介導超聲聽覺的靶細胞。

最終,研究者建立了耳蝸超聲刺激和鈣成像平臺,實时觀測了超聲刺激下外毛細胞的反應,進一步確認外毛細胞有超聲刺激導致的鈣活動,而且這種鈣活動在Piezo2敲除的外毛細胞上消失了,有意思的是毛細胞毛束上的機械轉導通道也參與了超聲轉導這一過程。

綜上所述,研究者首先從無到有地開發了一系列科技和方法,結合小鼠遺傳學,鑒定Piezo2是超聲感知的分子之一,而且發現Piezo2是通過外毛細胞發揮作用的。該研究首次揭示了超聲聽覺和超聲轉導的生物學機制,提示可能的聽覺解析頻率的新機制,為研究基於聽覺和言語的社交行為的相關神經機制提供新的動物模型。

清華大學生命科學學院熊巍研究員為本文的通訊作者,生命學院博士生李傑、劉雙、宋晨萌、胡群和趙智鍇為本文的共同第一作者。清華大學藥學院鄧團團,清華大學生命學院博士生鄒林志、王淑峰、陳姣鳳、劉戀,清華大學生命學院博士後王禕,清華大學生命學院技術員朱彤和侯函青,清華大學藥學院肖百龍教授,北京腦科學與類腦研究中心孫文智研究員,中科院上海神經所劉志勇研究員,陸軍軍醫大學諶小維教授,清華大學醫學院苑克鑫教授,中科院深圳先進技術研究院鄭海榮教授,均為本研究做出了重要貢獻。

論文連結:

https://www.pnas.org/content/118/28/e2101207118

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本文標題: 清華生命學院熊巍課題組揭示動物超聲聽覺的分子和細胞機制
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656057035455316
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