Neuroscience Bulletin 2022年第3期封面文章│耳蜗内毛细胞功能亚型与关键功能细胞器的结构表征

内

毛细胞（Inner hair cell, IHC）是整齐排列在耳蜗基底膜的感受上皮细胞，负责将声音信息转换为神经冲动。这一过程包括，声波在耳蜗内淋巴液中引起的机械振动触发内毛细胞顶部静纤毛的摆动，其导致机械门控离子通道的打开产生动作电位，继而传递至内毛细胞底部由带状突触（Ribbon synapse）介导完成向听神经的信号传递。前期研究发现，哺乳动物每个IHC拥有15─30个带状突触，这些突触呈现异化的形态和特征激活阈值，用于对刺激强度的分级编码。因此，每个内毛细胞可以看作是独立的信号分类器，揭示其功能特性背后的结构学基础对类脑研究具有重要的意义。然而，不同内毛细胞在带状突触的组成上是否具有差异，产生听阈范围的偏好？此外，内毛细胞的线粒体网络是如何精准调控能量配给，来维持带状突触正常功能和多样性？

Neuroscience Bulletin在2022年第3期以封面文章发表了来自上海交通大学医学院附属第九人民医院华云峰研究员和中国科学院自动化研究所韩华研究员合作团队的题为“Aligned Organization of Synapses and Mitochondria in Auditory Hair Cells”的研究论文，由人工智能技术辅助，首次实现了小鼠耳蜗的大尺度、高通量三维电镜重构，揭示了内毛细胞的两类功能亚型和与带状突触相关线粒体的组织方式。

基于前期发表的小鼠三维电镜数据（Hua, et al. Cell Reports, 2021），该研究进一步通过深度学习实现特征结构识别和分割的自动化算法，完整重构的内毛细胞中可自动提取带状突触和线粒体的空间结构信息，识别精度分别达到95%和99%以上。该研究发现相邻的内毛细胞交错排列，并且位于上方的内毛细胞（命名为type-A IHC）胞体相对短粗，而下方的细胞（type-B IHC）则更细长。更关键的是，type-A IHC的带状突触体积梯度更大，提示响应的声强范围更广；而type-B IHC的带状突触体积更均一且普遍较大，提示偏好高声强的感知。有理由推测：内毛细胞分化出这两个潜在的功能亚型，并以互补的方式覆盖整个听阈范围。为了进一步探究毛细胞内线粒体网络和带状突触的互作关系，该研究首次量化了线粒体在毛细胞内的纵向分布，并计算带状突触和线粒体的体积-距离相关性。结果提示，线粒体仅和细胞底部的带状突触分布在一定距离内呈现正相关，所得到的特征距离可用于后续突触功能相关线粒体的分类鉴定。

图1 小鼠耳蜗三维电镜成像和人工智能辅助细胞重构。（左）交错排列的内毛细胞，（右）不同内毛细胞亚型的带状突触分布差异。

综上所述，该研究结合三维电镜和人工智能算法，完成了对耳蜗毛细胞中关键功能细胞器的结构表征。从结构上，揭示了听觉感知细胞潜在的功能分型，以及耳蜗声强编码的方式。同时，首次以线粒体分布为依据，建立了毛细胞内可能的功能域划分，并提出了具有距离依赖特征的带状突触与线粒体分布相关性。据此期冀，对于听觉感知细胞信号转换的关键结构和物理细节的探究，能够为类脑神经电路模型和计算模拟提供更多的生物依据和机理启发。

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Liu J, Wang SX, Lu Y, Wang HY, Wang FF, Qiu MX, et al. Aligned organization of synapses and mitochondria in auditory hair cells. Neurosci Bull 2022, 38: 235–248.

https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-021-00801-w