귀의 달팽이관 내 유세포가 음파를 전기 신호로 바꾸는 원리가 궁금해요

Question

공기의 진동인 소리가 귀의 고막과 이소골을 거쳐 달팽이관 내부 청각 세포로 전달되는 과정이 궁금합니다. 기저막의 위치에 따른 진동수 차이와 유세포의 털이 굽혀지면서 이온 통로가 열려 신경 자극을 발생하는 메커니즘이 알고 싶어요.

Answer 1

소리가 뇌로 전달되는 과정은 크게 소리 증폭 과정, 주파수 분석, 전기 신호 전환 3단계로 진행됩니다.

먼저 공기 파동이 고막을 떨게 하고, 3개의 미세한 이소골이 지렛대 원리로 진동 압력을 약 20배 증폭시킵니다.

그럼 증폭된 진동이 난원창을 통해 달팽이관 내부 림프액의 파동으로 변환됩니다.

그리고 기저막의 주파수 분석이 진행됩니다.

기저막은 위치마다 두께나 강도 같은 물리적 특성이 달라 소리의 높낮이에 따라 떨리는 위치가 결정됩니다.

이후 기저막의 진동이 신경 자극으로 바뀌는 과정을 거칩니다.

기저막이 흔들리며 유세포의 청모가 덮개막과 마찰로 굽혀지고, 털을 잇는 단백질 실이 당겨지며 기계적으로 칼륨 이온 통로가 열리게 됩니다.

그럼 세포 내로 칼륨 이온이 들어와 '탈분극 형성 - 신경전달물질 방출 - 청신경 활성화(전기 신호)' 후 뇌로 전달되게 됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 임형준 수의사입니다.

소리는 고막과 이소골을 거쳐 달팽이관의 액체와 기저막을 진동시킵니다. 고음은 기저부, 저음은 첨단부에서 크게 진동하며, 유세포의 섬모가 휘면 기계적 이온통로가 열려 탈분군되고 청신경에 전기 신호가 전달됩니다.

Answer 3

안녕하세요. 귀에서 소리가 전기 신호로 바뀌는 과정은 크게 음파의 기계적 진동 → 달팽이관의 유체 운동 → 유모세포의 털 움직임 → 이온 흐름 → 전기 신호 → 청신경의 활동전위 순서로 이해하시면 됩니다.

먼저 공기의 압력 변화인 음파가 외이도를 지나 고막을 진동시키면, 이 진동은 중이에 있는 망치뼈·모루뼈·등자뼈, 즉 이소골을 통해 증폭되어 달팽이관의 입구인 난원창으로 전달됩니다. 등자뼈가 난원창을 움직이면 달팽이관 내부의 림프에 압력파가 만들어지고, 이 압력파가 달팽이관을 따라 이동하면서 기저막을 위치에 따라 서로 다르게 진동시킵니다. 이때 중요한 것이 기저막의 구조인데요, 달팽이관 입구 쪽에 가까운 기저막은 상대적으로 좁고 단단하기 때문에 높은 주파수의 소리에 잘 반응하고, 달팽이관 안쪽의 꼭대기 방향으로 갈수록 넓고 유연해져 낮은 주파수의 소리에 잘 반응합니다. 따라서 특정 주파수의 소리가 들어오면 기저막 전체가 똑같이 움직이는 것이 아니라, 그 주파수에 가장 적합한 특정 위치에서 진동이 가장 크게 발생합니다. 이것이 소리의 주파수를 공간적으로 구분하는 장소 부호화의 기본 원리입니다.

기저막 위에는 코르티기관이 있고 그 안에 유모세포가 존재합니다. 유모세포의 위쪽에는 여러 개의 가느다란 털 구조인 입체섬모가 배열되어 있는데요, 기저막이 움직이면 유모세포와 덮개막 사이에 상대적인 움직임이 생기면서 입체섬모가 한쪽 방향으로 휘어집니다. 입체섬모가 특정 방향으로 휘어지면 털 사이를 연결하는 미세한 연결 구조인 팁 링크가 당겨지고, 이에 연결된 기계적 민감성 이온통로가 열립니다.

그러면 달팽이관의 특수한 액체에 풍부하게 존재하는 칼륨 이온이 유모세포 안으로 들어오면서 유모세포의 막전위가 상승합니다. 여기서 일반적인 신경세포와 조금 다른 점이 중요한데요, 유모세포는 활동전위를 만들어 바로 청신경을 발화시키는 것이 아니라, 먼저 수용기전위라는 전기적 변화를 만듭니다. 유모세포가 탈분극되면 세포 아래쪽의 전압개폐성 칼슘 통로가 열리고 칼슘 이온이 들어옵니다. 그 결과 신경전달물질인 글루타메이트가 분비되고, 이것이 유모세포와 연결된 청신경 말단을 자극하여 활동전위를 발생시킵니다. 즉 소리의 기계적 에너지가 신경계가 이해할 수 있는 전기적 정보로 변환되는 것입니다. 또한 유모세포가 반대 방향으로 휘어지면 이온통로가 닫히면서 반대 방향의 막전위 변화가 나타납니다. 정리하자면, 소리의 진동 방향과 크기 → 유모세포의 털 움직임 → 이온통로 개폐 → 수용기전위의 변화 → 신경전달물질 분비량 변화 → 청신경의 활동전위 패턴으로 정보가 전달됩니다. 이후 청신경을 통해 뇌간과 시상을 거쳐 대뇌피질의 청각피질로 전달되면서 우리가 최종적으로 소리의 높낮이와 크기, 음색 등을 인식하게 됩니다. 감사합니다.