清華新聞網(wǎng)7月14日電 人類(lèi)能聽(tīng)見(jiàn)的聲音頻率范圍在20 Hz到20 kHz之間，然而有些動(dòng)物發(fā)展出了超常的感受和產(chǎn)生高頻聲音(>20 kHz)的能力，稱(chēng)之為超聲聽(tīng)覺(jué)(Ultrasonic hearing)和超聲發(fā)聲(Ultrasonic vocalization)?；诔暤穆?tīng)覺(jué)參與很多重要的生理功能和動(dòng)物行為，包括：種群內(nèi)的社會(huì)交流行為，例如：幼小動(dòng)物呼喚母親的照顧、成年雄性的爭(zhēng)斗以及雌雄間的求偶等。這些超聲發(fā)聲因頻率范圍高于捕食者的聽(tīng)覺(jué)范圍而可以不被天敵所探知，或者抵抗周邊環(huán)境例如瀑布等的噪音，蝙蝠、海豚等動(dòng)物可以利用自己發(fā)射的超聲進(jìn)行回聲定位，實(shí)現(xiàn)在黑暗環(huán)境獵食和導(dǎo)航。通過(guò)超聲進(jìn)行交流的動(dòng)物，包括小鼠在內(nèi)，其聽(tīng)覺(jué)頻率范圍遠(yuǎn)大于人類(lèi)，甚至能高于100kHz。然而這么高頻的聲音是怎么被動(dòng)物所感知的，也就是說(shuō)超聲聽(tīng)覺(jué)從何而來(lái)，其生物學(xué)基礎(chǔ)尚不清楚。
2021年7月13日，清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院、清華大學(xué)生命學(xué)院熊巍課題組，在美國(guó)科學(xué)院院刊（PNAS）上在線(xiàn)發(fā)表了標(biāo)題為“PIEZO2在耳蝸外毛細(xì)胞上介導(dǎo)小鼠的超聲聽(tīng)覺(jué)”(PIEZO2 mediates ultrasonic hearing via cochlear outer hair cells in mice)的研究論文，詳細(xì)闡述了超聲聽(tīng)覺(jué)的分子和細(xì)胞機(jī)制。
圖1：超聲聽(tīng)覺(jué)廣泛存在于小鼠的社會(huì)交流行為中，包括：種群內(nèi)的社會(huì)交流行為。例如：幼小動(dòng)物呼喚母親的照顧、成年雄性的爭(zhēng)斗、以及雌雄間的求偶等。本文發(fā)現(xiàn)超聲聽(tīng)覺(jué)（Ultrasonic hearing）是通過(guò)耳蝸外毛細(xì)胞（Outer hair cells）所感受，并由機(jī)械敏感通道PIEZO2所介導(dǎo)
在本研究中，清華大學(xué)生命學(xué)院熊巍課題組首先發(fā)展了超聲測(cè)聽(tīng)方法，實(shí)現(xiàn)了可以在超高頻段刺激和記錄小鼠的聽(tīng)覺(jué)反應(yīng)。通過(guò)引入Pax2-Cre小鼠和Atoh1-Cre小鼠，和Piezo2-loxp小鼠雜交構(gòu)建出耳蝸組織特異性敲除Piezo2的小鼠，發(fā)現(xiàn)Piezo2參與動(dòng)物的超聲聽(tīng)覺(jué)。研究者進(jìn)一步采用超聲刺激關(guān)聯(lián)的動(dòng)物習(xí)得行為學(xué)，發(fā)現(xiàn)Piezo2的條件性敲除小鼠雖然能學(xué)會(huì)記住常規(guī)頻段的聲音刺激，表現(xiàn)出Freezing現(xiàn)象，但是它們無(wú)法學(xué)會(huì)（聽(tīng)到）超聲頻段的聲音刺激。
對(duì)PIEZO2蛋白的細(xì)胞表達(dá)的鑒定，研究者用了三種方法，第一種是Piezo2-Cre小鼠和熒光報(bào)告小鼠雜交發(fā)現(xiàn)Piezo2表達(dá)于所有外毛細(xì)胞和一部分內(nèi)毛細(xì)胞中；在新生小鼠耳蝸的免疫組化實(shí)驗(yàn)表明其在外毛細(xì)胞的頂板上有特異表達(dá)；在成年的耳蝸毛細(xì)胞中通過(guò)RNAscope的方法看到Piezo2的持續(xù)表達(dá)。
研究者進(jìn)一步確定參與超聲聽(tīng)覺(jué)的毛細(xì)胞類(lèi)型：通過(guò)引入Prestin-CreER小鼠，構(gòu)建出Piezo2外毛細(xì)胞特異性敲除小鼠，發(fā)現(xiàn)Piezo2外毛細(xì)胞特異性敲除小鼠存在超聲聽(tīng)覺(jué)問(wèn)題；通過(guò)vGlut3-CreER小鼠和Piezo2-loxp小鼠雜交，得到Piezo2內(nèi)毛細(xì)胞特異性敲除的小鼠，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有出現(xiàn)超聲聽(tīng)覺(jué)的異常。從而得出結(jié)論，耳蝸外毛細(xì)胞是Piezo2介導(dǎo)超聲聽(tīng)覺(jué)的靶細(xì)胞。
最終，研究者建立了耳蝸超聲刺激和鈣成像平臺(tái)，實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)了超聲刺激下外毛細(xì)胞的反應(yīng)，進(jìn)一步確認(rèn)外毛細(xì)胞有超聲刺激導(dǎo)致的鈣活動(dòng)，而且這種鈣活動(dòng)在Piezo2敲除的外毛細(xì)胞上消失了，有意思的是毛細(xì)胞毛束上的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)通道也參與了超聲轉(zhuǎn)導(dǎo)這一過(guò)程。
綜上所述，研究者首先從無(wú)到有地開(kāi)發(fā)了一系列技術(shù)和方法，結(jié)合小鼠遺傳學(xué)，鑒定Piezo2是超聲感知的分子之一，而且發(fā)現(xiàn)Piezo2是通過(guò)外毛細(xì)胞發(fā)揮作用的。該研究首次揭示了超聲聽(tīng)覺(jué)和超聲轉(zhuǎn)導(dǎo)的生物學(xué)機(jī)制，提示可能的聽(tīng)覺(jué)解析頻率的新機(jī)制，為研究基于聽(tīng)覺(jué)和言語(yǔ)的社交行為的相關(guān)神經(jīng)機(jī)制提供新的動(dòng)物模型。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院熊巍研究員為本文的通訊作者，生命學(xué)院博士生李杰、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(xué)藥學(xué)院鄧團(tuán)團(tuán)，清華大學(xué)生命學(xué)院博士生鄒林志、王淑峰、陳姣鳳、劉戀，清華大學(xué)生命學(xué)院博士后王祎，清華大學(xué)生命學(xué)院技術(shù)員朱彤和侯函青，清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍教授，北京腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心孫文智研究員，中科院上海神經(jīng)所劉志勇研究員，陸軍軍醫(yī)大學(xué)諶小維教授，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院苑克鑫教授，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭海榮教授，均為本研究做出了重要貢獻(xiàn)。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/content/118/28/e2101207118
供稿單位：生命學(xué)院
編輯：張恩鳴
審核：田姬熔
