Increíbles imágenes de sincrotrón: nuevos descubrimientos en la cóclea humana | Prof. Helge Rask-Andersen

Hoy tenemos el honor de compartir una fascinante contribución del profesor Helge Rask-Andersen. El profesor Rask-Andersen es director de investigación de otología experimental de la Universidad de Uppsala, Suecia.

Recientemente, el Prof. Rask-Andersen y el Prof. Sumit K. Agrawal presentaron su increíble investigación  sobre la anatomía de la cóclea humana. Sus equipos de investigación utilizaron un  acelerador de partículas sincrotrón  masivo para crear imágenes de la microanatomía coclear intacta a un nivel de detalle sin precedentes.

Uno de los descubrimientos más impresionantes de esta investigación fue poder confirmar que el ganglio espiral humano se extiende por casi toda la longitud natural de la cóclea, con una compleja espira helicoidal que comienza en la segundo vuelta.

Lea sobre esta investigación en el artículo publicado recientemente en Nature: Mapeo tonotópico tridimensional de la cóclea humana basado en imágenes de contraste de fase por radiación sincrotrón Hao Li, Luke Helpard, Jonas Ekeroot, Seyed Alireza Rohani, Ning Zhu, Helge Rask-Andersen, Hanif M. Ladak y Sumit Agrawal. Sci Rep 11, 4437 (2021). Imagen utilizada bajo licencia Creative Commons 4.0. 

Esta imagen de una resolución increíblemente alta confirmó lo que observamos a lo largo de años de investigación clínica sobre la coincidencia tonotópica entre lugar y tono: si un electrodo no cubre la segunda vuelta de la cóclea, no se puede estimular todo el ganglio espiral y, por lo tanto, no se puede estimular el rango natural de frecuencias representado por el ganglio espiral.

Le recomendamos que vea la presentación completa del simposio (1 hora), ya que le ofrece una visión sin precedentes de la microanatomía y la fisiología del oído interno, así como una mirada apasionante de cómo se utilizan estos descubrimientos para programar los implantes cocleares para que se adapten mejor al mapa tonotópico natural.

Pasemos ahora al Prof. Rask-Andersen para que nos explique en profundidad la cóclea viva y las intrincadas funciones de nuestro oído interno, y lo que estos nuevos descubrimientos de la investigación significan para el futuro de los implantes cocleares.

Imágenes de sincrotrón: detalle sin precedentes

Conocí al Prof. Sumit Agrawal en mi curso de anatomía en Uppsala en junio de 2017. Presenté mi micro-TC de la cóclea humana y el Prof. Agrawal mencionó que acababa de realizar imágenes de sincrotrón en las instalaciones de Bio-Medical Imaging and Therapy (BMIT, Imágenes y Terapia Biomédica) en el Canadian Light Source de Saskatchewan, Canadá.

Me sorprendió la resolución y que fuera posible ver mucho mejor el tejido blando de la cóclea; incluso la membrana de Reissner, de 3 micras de grosor. Como referencia, 3 micras equivalen a la mitad del diámetro de un glóbulo rojo.

Iniciamos una cooperación y comparamos nuestros resultados. El sincrotrón no puede reemplazar a la microscopía óptica y la histología, pero la resolución celular se puede mejorar aún más mediante la tinción y la fijación. Ahora podemos comprender mucho mejor la microanatomía y utilizar reconstrucciones en 3D por computadora sin necesidad de realizar cortes histológicos que requieren mucho tiempo. Convertimos las imágenes seriadas en un programa informático de análisis 3D para estudiar tridimensionalmente el tejido blando de la cóclea humana.

La cóclea viva

Es realmente asombroso ver la ventana redonda humana en 3D y simular estar “sentado” dentro de la cóclea mirando hacia el oído medio. Podemos comprender la organización de los vasos sanguíneos en la cóclea.

Imagen de sincrotrón de la base de la cóclea humana. Usted está “sentado” dentro de la cóclea y mira hacia atrás, a la membrana de la ventana redonda (amarillo) donde se inserta el electrodo del IC. La flecha muestra las aberturas óseas para los vasos sanguíneos en el suelo de la escala timpánica.

Sorprendentemente, no oímos el pulso de la sangre en nuestros oídos. La naturaleza ha resuelto este problema evitando que las pulsaciones lleguen a las células ciliadas, extremadamente sensibles, mediante la amortiguación. Los vasos se enrollan, se estiran y emparejan los pulsos. Las imágenes de sincrotrón también muestran que las arterias actúan como depósitos que reducen los pulsos.

Ahora comprendemos los problemas en torno a estructura y preservación de la audición en la implantación coclear. Podemos ver vasos sanguíneos venosos cerca de la inserción del electrodo. El oído interno es extremadamente sensible a una alteración del flujo sanguíneo o a la anoxia. Es importante no interferir en ellos, ya que drenan la sangre de las células nerviosas que se desea estimular eléctricamente.

Escala timpánica, escala vestibular y escala media

Las cócleas humanas son espirales en forma de espejo (no doradas) con dos vueltas y media. Su diámetro total es de 9 mm. Si se estira la cóclea, la pared lateral más alejada mide 42 mm de largo, ¡pero la longitud de esta pared lateral varía de 38 a 46 mm! La primera vuelta mide ~22 mm, la segunda ~13 mm y el ápice ~7 mm.

¡El tamaño de la cóclea humana puede tener variaciones muy significativas!

Contienen dos espacios apicalmente estrechos llenos de líquido; . La escala timpánica llega hasta la punta de la cóclea, donde se une a la escala vestibular en un pequeño orificio llamado helicotrema. Esto es necesario para que el pulso de presión se extienda por toda la cóclea hasta la ventana redonda y para crear la “onda viajera” de la membrana basilar, esencial para el filtrado de frecuencias.

En esta imagen de sincrotrón, podemos ver cómo la membrana basilar (verde), que se pone en movimiento por el sonido, termina en la base cerca de la ventana redonda (rojo). La naturaleza, ingeniosa como siempre, encontró una forma de suspender esta membrana basalmente para que los movimientos de la ventana redonda no interfieran con la membrana basilar supersensible que transmite vibraciones mecánicas a las células sensoriales con precisión nanométrica.

Están separadas por la lámina espiral que va desde el centro (modiolo) hasta la pared lateral. La lámina no llega por completo a la pared lateral, sino que se extiende hasta la membrana basilar, que filtra el sonido entrante. La escala vestibular está separada por una membrana extremadamente fina (3 milésimas de milímetro) llamada membrana de Reissner.

Forma una tercera sala llamada escala media. En su interior se encuentra la parte más secreta, es decir, el órgano de la audición (órgano de Corti). El órgano de la audición no tiene vasos sanguíneos. Todo pasa por la pared lateral y la estría vascular y los fluidos que mostré en mi último artículo del blog.

Las razones de las diferentes escalas es que la naturaleza ha creado un espacio fluido protegido y aislado alrededor de las células receptoras sensibles que pueden moverse libremente en el “salto” de la membrana basilar y todavía se suministra con oxígeno y glucosa y puede eliminar los metabolitos. El fluido proporciona iones de potasio que son las cargas eléctricas (en lugar de electrones) para el proceso mecánico-eléctrico en las células ciliadas.

Las células sensoriales se enfrentan a este fluido que es extremadamente rico en iones de potasio con una alta polaridad eléctrica. 12 000 células ciliadas externas “saltan” sobre la membrana basilar, mientras que 3400 células ciliadas internas permanecen inmóviles en la punta de la lámina espiral ósea. Sorprendentemente, sólo las células ciliadas internas están inervadas por neuronas aferentes primarias (que entran en el cerebro y esto se descubrió en Innsbruck) y sus pelos o cilios se doblan cuando la membrana basilar se pone en movimiento.

Primer plano del órgano de Corti: Los movimientos de la membrana basilar (verde) provocan una fuerza de cizallamiento en los cilios que se proyectan desde la superficie de las células ciliadas internas (rojo) y externas (azul) al moverse contra la membrana tectorial (lila). Las fibras nerviosas son amarillas. Imagen tomada en Innsbruck (Austria) con un microscopio de emisión de campo Zeiss por el Prof. Rask-Andersen junto con Annelies Schrott-Fischer, Rudolph Glueckert y Kristian Pfaller.

La membrana tectoria crea una fuerza de cizallamiento. Está formado por colágeno y recubre los pelos de las células ciliadas. Los movimientos de los crean un potencial receptor en la célula ciliada interna y un cambio de potencial en la terminación nerviosa. Si esta electricidad alcanza un valor crítico, genera un potencial de acción o espiga que viaja centralmente a lo largo de la fibra nerviosa. Las espigas se forman por la activación de canales de sodio (Na+) activados por voltaje.

Cada célula ciliada interna está conectada a 10 fibras nerviosas y segrega sorprendentemente entre 100 y 1000 pequeños “paquetes de mensajes” o vesículas cada segundo a los nervios. Los paquetes se asientan sobre una cinta regulada por el calcio y cada uno de ellos da lugar a un pico eléctrico (potencial de acción).

Las fibras nerviosas aferentes se ramifican hacia las células ciliadas internas desde el ganglio espiral, un denso haz de fibras nerviosas situado en el modiolo central de la cóclea.

En los humanos, hay razones para creer que los cuerpos celulares del ganglio espiral pueden amplificar y procesar la señal, ya que los cuerpos celulares no están mielinizados. Los axones están mielinizados y las señales se transmiten por conducción rápida saltatoria a lo largo de los ganglios que contienen canales de sodio. Los nervios entran en contacto con las células del tronco encefálico y se proyectan hacia arriba por el tronco encefálico hasta varios centros celulares (núcleos) y hasta el tálamo, y después a la corteza con placas densamente celulares. La señal del habla se construye en la periferia y su distorsión, por ejemplo, por un tumor acústico, difícilmente puede compensarse de forma más centralizada.

Si la organización del sistema auditivo periférico es compleja, los sistemas centrales de procesamiento son extremadamente intrincados. Aquí se produce un desarrollo explosivo de las conexiones sinápticas durante el periodo crítico que debe ser objeto de estimulación eléctrica en el niño con hipoacusia. Aquí es donde se procesa la interpretación emocional y cognitiva del sonido y del habla.

Los núcleos centrales también son importantes para procesar la información de . Los seres humanos pueden localizar el sonido dentro de un margen de dos grados en el plano frontal y separar diferencias de tiempo interaurales de 10 microsegundos. Sin embargo, no debemos impresionarnos demasiado, ya que la mosca parásita puede separar diferencias de tiempo interauriculares en 50 nanosegundos. Con los IC bilaterales, el ángulo de localización es bastante bueno; alrededor de 20 grados.

Percepción tonotópica del tono

Cada célula ciliada interna está sintonizada con una frecuencia determinada, al igual que las fibras nerviosas correspondientes. Esto significa que cuanto más arriba se estimulen las fibras nerviosas, más bajo será el tono percibido. Así, la codificación del lugar es relevante en toda la cóclea. El tono bajo también puede codificarse mediante la frecuencia junto con el lugar.

El tono es la percepción de las frecuencias sonoras y se procesa tanto en la cóclea como en el sistema auditivo central. La percepción humana del tono y del nivel sonoro es enorme. Podemos oír diferencias de tono del 0,7% de la frecuencia, es decir, 2 Hz a 1000 Hz.

Del mismo modo, podemos oír diferencias de nivel sonoro de sólo 1 dB. El sonido más débil que podemos oír se define como 0 dB (10^-12 vatios/m² a 1000 Hz).¹⁷ Corresponde a una presión en el tímpano de 2 x 10^-5 pascales, que es la milmillonésima parte (1/1 000 000 000) de la presión atmosférica normal. Hace vibrar el tímpano 10^-8 mm, que es menos que el diámetro de un átomo de hidrógeno. Nuestra mejor audición está por encima de los 1000 Hz (-9dB) y el sincrotrón demuestra que esta región contiene un gran número de células nerviosas. Se ha dicho que, teóricamente, el oído humano es tan sensible al sonido que podríamos oír la energía de 120 dB en perfectas condiciones de aire-medio a 500 km de distancia.

Si podemos oír entre 1000 y 1500 frecuencias diferentes y cientos de niveles sonoros, significa que 3400 células ciliadas internas (que podrían caber todas en la cabeza de un solo alfiler “peludo”) ¡pueden registrar más de 100 000 modalidades sonoras!

Además, esto representaría un tono detectable separado y una resolución espacial de 20 micras en la membrana basilar, ya que hay aproximadamente 1 célula ciliada interna por cada 10 micras de distancia (3400 células ciliadas internas por cada 34 mm de longitud).

Las células ciliadas se extienden sólo 31,5 mm, pero sorprendentemente pueden variar de 25 a 35 mm en diferentes personas. Dado que la longitud de la membrana puede variar hasta 10 mm, es obvio que las posiciones de frecuencia ajustada no pueden depender de la longitud absoluta o de la distancia desde la base.

El prof. Greenwood descubrió que la posición de las distintas frecuencias a lo largo de la cóclea está relacionada con el logaritmo de las frecuencias y que se podía crear un mapa de lugar-frecuencia. La ubicación de la frecuencia dependía del porcentaje de distancia desde el ápice. Recientemente hemos creado un mapa de frecuencias del ganglio espiral humano utilizando sincrotrón.

La cóclea tiene aproximadamente 2 3/4 vueltas, lo que equivale a 990 grados. Dos vueltas son 720 grados, lo que corresponde a la punta del ganglio espiral (ver la figura). La frecuencia tonotópica del órgano de Corti es, en una vuelta, de unos 920 Hz (Stakhovskaya et al. 2007). 540 grados corresponden a 407 Hz y dos vueltas (720) a 152 Hz. Los niveles correspondientes del ganglio espiral son 848 Hz a 360°, 284 Hz a 540° y 79 Hz a 720°.

Esto es importante para el IC. Lo importante es la profundidad de inserción angular del electrodo y esta frecuencia angular difiere poco en cócleas de diferentes tamaños. La posición profunda del electrodo parece ser importante para cubrir las frecuencias más bajas. Los fundamentos del habla se localizan aquí y nuestros hallazgos sugieren que las células nerviosas tienen características particulares aquí.

Greenwood también descubrió que la cóclea consta de las denominadas “bandas críticas” comprobadas en individuos con audición normal. Él y otros descubrieron que la cóclea humana puede verse como un banco de filtros en el que los filtros son mayores en las frecuencias altas. Se trata de filtros pasabanda, lo que significa que la membrana basilar se activa en una región restringida y no se pueden enmascarar los sonidos con frecuencias más allá del filtro.

Esto tiene gran relevancia para entender la filtración del habla humana y cómo podemos resolverla en entornos ruidosos.

Nuevos hallazgos: El ganglio espiral completo

Como ya se ha mencionado, cada célula ciliada interna está conectada a unas 10 fibras nerviosas. Las fibras nerviosas aferentes se ramifican hacia las células ciliadas internas desde el ganglio espiral, un denso haz de fibras nerviosas situado en el modiolo central de la cóclea.

El ganglio espiral contiene 35 000 cuerpos de células nerviosas que abastecen a las células ciliadas. Los cuerpos nerviosos recorren un canal en espiral y se extienden 13-14 mm. Las células están muy bien irrigadas por vasos sanguíneos. La sangre procede del cerebro y dos pequeños vasos entran en la base de la cóclea y su centro (modiolo).

Esta imagen de sincrotrón muestra la cóclea con canales vasculares. Varias arterias radiales irrigan el tejido.

La membrana basilar (verde), el ganglio nervioso (amarillo) y un electrodo de implante coclear parcialmente insertado a través de la membrana de la ventana redonda están marcados en color. El hueso se ha hecho transparente en el ordenador. La parte azul es la “batería coclear” situada en la pared lateral que produce energía eléctrica para las 15 000 células receptoras. Está muy bien irrigado por vasos sanguíneos que derivan del cerebro.

Se creía que este ganglio espiral tenía 1 y ¾ vueltas, pero ahora el sincrotrón muestra que contiene tantas vueltas como la cóclea. La única diferencia es que la parte superior está extremadamente comprimida, con los cuerpos celulares dispuestos helicoidalmente y cerca unos de otros (figura 2). Sorprendentemente, se pueden ver cuerpos celulares “fuera de lugar” a lo largo de los axones centrales.

A partir de los datos de sincrotrón es posible hacer un mapa tonotópico también del ganglio espiral si se siguen las dendritas o axones periféricos. Esto es fácil hasta una vuelta o 880 Hz donde las fibras son radiales, pero después las fibras corren en espiral.

Sorprendentemente, la primera vuelta contiene el 60% de los nervios, mientras que el 40% restante está comprimido. ¡Las dos vueltas superiores están provistas de cuerpos celulares neuronales que se extienden sólo 2,5 mm en el ganglio espiral!

Desde el punto de vista del IC, la fuerte compresión apical constituye un problema importante, ya que es difícil lograr una excitación selectiva de las neuronas codificadas en frecuencia. Los axones periféricos del ápex son difíciles de estimular selectivamente para alcanzar una cobertura completa de frecuencias.

Las comparaciones de tono acústico/eléctrico en sujetos con IC y audición residual muestran que los ángulos de inserción rotacionales, más que las profundidades de inserción absolutas son importantes para estimar las sensaciones de tono y predecir las frecuencias con electrodo. Se observó un desplazamiento hacia abajo de la función frecuencia/posición, pero si el electrodo se colocaba cerca de la membrana basilar, la discrepancia entre el tono y la longitud/ángulos de inserción era mínima, en comparación con una ubicación modiolar (Boëx et al. 2006).

Nuestras observaciones en 3D del ganglio espiral helicoidal con irregularidades y compresión apical podrían explicar algunos de los hallazgos. En un giro, las dendritas cambian su curso de radial a helicoidal‑espiral, lo que indica que la excitación de las fibras periféricas en un punto inferior podría explicar adicionalmente el desplazamiento hacia abajo. Probablemente sería mejor estimular estas neuronas más lateralmente para evitarlo. Un electrodo colocado lateralmente, cerca de la membrana basilar, estaría más cerca de la fibra nerviosa periférica correspondiente que uno colocado perimodiolarmente.

Bloqueo de fase en el segundo giro

Actualmente estamos estudiando los generadores de espigas en el nervio humano. Si los generadores de espigas se dirigen a la habénula perforata cerca de las células ciliadas, lo mejor sería extender la estimulación hasta arriba. Si el objetivo son las células ganglionares o el primer nodo de Ranvier en los axones, una colocación de 720 grados sería suficiente o incluso menos. De los trabajos sobre el SNC no parece que el nodo de Ranvier sea el generador de espigas. Sin embargo, los segmentos iniciales de los cuerpos de las células nerviosas también pueden ser importantes generadores de espigas en el hombre, similar a la situación de muchas células nerviosas cerebrales.

Organización principal de la célula ciliada interna y los nervios de tipo I en el sistema auditivo periférico en el hombre. Imagen de Karin Lodin.

Las fibras sintonizadas de baja frecuencia también están codificadas con el llamado “bloqueo de fase”. Esto significa que, en respuesta a estímulos sinusoidales de baja frecuencia, los potenciales de acción en el nervio auditivo se producen dentro de una determinada ventana temporal relativa al ciclo de la sinusoide.

Ocurre en todos los vertebrados hasta una determinada frecuencia. Tiene que ver con el sustrato biológico y las características de la membrana celular. Mientras que en el hombre puede alcanzar alrededor de 1000 Hz y quizá más, ¡el búho tiene un bloqueo de fase de hasta 9000 Hz! Se trata, pues, de una codificación tanto de la frecuencia como del lugar de los componentes sensoriales.

Esta imagen (A) muestra que el nervio auditivo humano es diferente del de los animales de laboratorio. Se trata de la región superior del nervio humano que codifica las frecuencias bajas. Las células nerviosas interactúan a través de conexiones tipo sinapsis (B-D). En esta región se codifican los fundamentos del habla humana.

La frecuencia de corte podría coincidir con la forma helicoidal de los axones periféricos. Nuestros oídos son extremadamente sensibles para frecuencias en torno a 1 kHz y vemos desde el sincrotrón que esta región (una vuelta) es más gruesa ya que contiene más neuronas. Esto hace que la estimulación eléctrica sea muy compleja, ya que tanto la frecuencia como el lugar influyen en el patrón de reconocimiento del sonido.

Curiosamente vemos diferencias en la anatomía de estas neuronas situadas en lo alto de la cóclea. Las células pueden señalizar entre sí y sincronizar así la señal. Esto podría ser importante para el proceso de bloqueo de fase. En la imagen vemos estas regiones particulares con comunicación directa entre las neuronas, lo cual es bastante único para las neuronas sensoriales del cuerpo.

Muchas gracias por compartir sus conocimientos, Prof. Rask-Andersen. 

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