音への曝露は、聴覚神経線維へのフィードバックのために、コリン作動性のLOC efferentにおいてドーパミン合成を動的に誘導します

Sound exposure dynamically induces dopamine synthesis in cholinergic LOC efferents for feedback to auditory nerve fibers.

• Jingjing Sherry Wu
• Eunyoung Yi
• Marco Manca
• Hamad Javaid
• Amanda M Lauer
• Elisabeth Glowatzki

抄録

側方乏耳（LOC）の発信性ニューロンは、ドーパミン（DA）やアセチルコリン（ACh）などの神経伝達物質の多くのレパートリーを用いて聴覚神経線維（ANF）の活動を調節しています。刻々と変化する音響環境に応じて、個々の神経伝達物質システムがどのように異なる形で利用されているかについては、ほとんど知られていません。ここでは、動物の最近の音響経験に応じて、ANFへのドーパミン作動性LOC入力が動的に制御されていることを、齧歯類を用いて定量的に示しています。音に曝露されると、コリン作動性のLOC内在性ニューロンにおいて、ドパミン合成に関与する酵素であるチロシン水酸化酵素が増加することから、個々のLOCニューロンが時としてAChとDAを共放出している可能性が示唆された。さらに、ドーパミンは、毛髪細胞の放出速度とシナプスイベントの大きさの両方を減少させることで、ANFの発火速度をダウンレギュレーションすることを示している。以上の結果から、LOCの内在性ニューロンは、神経伝達物質の再調整を必要とすることで、ANFの活動を再調整し、毛髪細胞とANFのシナプスの利得を調整し、ノイズによる損傷からシナプスを保護することが可能であることが示唆されました。

Lateral olivocochlear (LOC) efferent neurons modulate auditory nerve fiber (ANF) activity using a large repertoire of neurotransmitters, including dopamine (DA) and acetylcholine (ACh). Little is known about how individual neurotransmitter systems are differentially utilized in response to the ever-changing acoustic environment. Here we present quantitative evidence in rodents that the dopaminergic LOC input to ANFs is dynamically regulated according to the animal's recent acoustic experience. Sound exposure upregulates tyrosine hydroxylase, an enzyme responsible for dopamine synthesis, in cholinergic LOC intrinsic neurons, suggesting that individual LOC neurons might at times co-release ACh and DA. We further demonstrate that dopamine down-regulates ANF firing rates by reducing both the hair cell release rate and the size of synaptic events. Collectively, our results suggest that LOC intrinsic neurons can undergo on-demand neurotransmitter re-specification to re-calibrate ANF activity, adjust the gain at hair cell/ANF synapses, and possibly to protect these synapses from noise damage.

私たちは毎日のように、警戒したり、気が散ったり、興味をそそられたり、心を落ち着かせたりするような音を耳にします。私たちの聴覚システムは、音が脳に入る前に音を微調整することで、これらの音響変化に対応しています。例えば、騒音が大きすぎる場合、耳の神経線維が脳に送る信号を減衰させることで音量を下げることができます。これは、大きな音が耳の中の感覚器官に与えるダメージを軽減するためと考えられています。脳の基部にある神経細胞のセットは、側方小葉内耳（LOC）ニューロンと呼ばれ、異なる音量や音に対するこの調整を行っています。これらの神経細胞は、外部の音に関する情報を受け取ると、聴覚器官に信号を送り返し、その情報を脳に伝える聴覚神経線維の活動を調整します。LOCニューロンは、「気持ちいい」神経伝達物質ドーパミンをはじめ、さまざまな分子を使って聴覚神経線維の活動を調節しています。しかし、この聴覚フィードバックループにおいてドーパミンがどのような役割を果たしているのかは不明である。それを見つけるために、Wuらは、異なるレベルの音にさらされたマウスの聴覚系を研究しました。ドーパミンのマーカーで染色したLOCニューロンをイメージングし、内耳の神経線維の活動を測定しました。実験の結果、最近音にさらされたマウスのLOCニューロンは、ドーパミンを作るのに不可欠な酵素で覆われていることがわかりました。音が大きいほどこの酵素が多く存在していたことから、ドーパミンの放出量は音の大きさに依存していることが示唆されました。LOCニューロンからはアセチルコリンという別の神経伝達物質が放出され、これが聴覚神経線維の活動を刺激します。Wuらは、LOCニューロンの同じグループからドーパミンとアセチルコリンが放出されることを発見した。しかし、ドーパミンはアセチルコリンとは逆の作用を示し、神経活動を低下させた。これらの知見は、放出される神経伝達物質の混合物を制御することで、LOCニューロンが音響変化に応じて聴覚神経線維の活動を微調整することができることを示唆している。この研究は、私たちの聴覚システムが音環境の変化をどのように知覚し、伝達するのかについての新たな知見を提供しています。この聴覚フィードバックループの理解が深まれば、難聴者のためのインプラント装置の設計に影響を与える可能性があります。

Every day, we hear sounds that might be alarming, distracting, intriguing or calming – or simply just too loud. Our hearing system responds to these acoustic changes by fine-tuning sounds before they enter the brain. For example, if a noise is too loud, the volume can be turned down by dampening the signals nerve fibers in the ear send to the brain. This is thought to reduce the damage loud sounds can cause to the sensory organ inside the ear. A set of nerve cells located at the base of the brain called the lateral olivocochlear (LOC) neurons coordinate this adjustment to different volumes and sounds. When these neurons receive information on external sounds, they signal back to the hearing organs and adjust the activity of auditory nerve fibers that communicate this information to the brain. LOC neurons use a diverse range of molecules to modify the activity of auditory nerve fibers, including the ‘feel-good’ neurotransmitter dopamine. But it is unclear what role dopamine plays in this auditory feedback loop. To find out, Wu et al. studied the hearing system of mice that had been exposed to different levels of sound. This involved imaging LOC neurons stained with a marker for dopamine and measuring the activity of nerve fibers in the inner ear. The experiments showed that LOC neurons in mice that had recently been exposed to sound were covered in an enzyme that is essential for making dopamine. The louder the sound, the more of this enzyme was present, suggesting that the amount of dopamine released depends on the volume of the sound. LOC neurons release another neurotransmitter called acetylcholine, which stimulates activity in auditory nerve fibers. Wu et al. found that dopamine and acetylcholine are released from the same group of LOC neurons. However, dopamine had the opposite effect to acetylcholine and reduced nerve activity. These findings suggest that by controlling the mixture of neurotransmitters released, LOC neurons are able to fine-tune the activity of auditory nerve fibers in response to acoustic changes. This work provides a new insight into how our hearing system is able to perceive and relay changes in the sound environment. A better understanding of this auditory feedback loop could influence the design of implant devices for people with impaired hearing.

© 2020, Wu et al.