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内耳特殊体液「内リンパ液」解析
外界からの音は、外耳、中耳を通り、内耳蝸牛に達します（図1）。蝸牛の断面図である図2Aを見てください。 この臓器は、三つの管によって構成されています。その中で、上下の二つの管には、通常の細胞外液とほぼ同じイオン組成（150 mMのNa+、5 mMのK+）を示す外リンパ液が入っています。 一方、中央の管には、細胞外液であるにも関わらず、高いK+濃度(150 mM)を有する「内リンパ液」が満たされています（図2B）。 ちなみに、Na+濃度は2 ~ 5 mM、Ca2+濃度は20 µMと低いことがわかっています。 また、外リンパ液を基準とすると、内リンパ液では常に+80 ~ +100 mVの高電位を測定することができます。この電位・イオン環境は、体内で蝸牛にのみ観察されるものです。
感覚細胞である有毛細胞は、感覚毛が分布する頂上膜のみを内リンパ液に、細胞体を外リンパ液に浸しています。有毛細胞は、その下にある支持細胞の層とともに「基底板」と呼ばれる膜状の細胞外基質にのっています。この三要素をまとめて、「感覚上皮帯」と言いzます。音入力により、まず、基底板が振動を受け、感覚上皮帯全体が揺れます。 次に、有毛細胞の感覚毛が屈曲し、その頂部にある機械刺激感受性イオンチャネルが開口します。 すると、内リンパ液に豊富にあるK+がチャネルを通って有毛細胞に流入し、細胞を電気興奮させます（図2B）。 すなわち、この過程で、“音の機械的（物理的）刺激が電気信号に変換”されることになります。 結果として、神経伝達物質の放出が発生し、神経線維を通じて脳へと音情報が伝わります。
実験手法
実験装置の外見などは、計測機器のページをご覧ください。
(1)分子生物学的手法・組織学的手法：K+循環に関与するチャネルやトランスポーターを分子同定し、その局在を知るために使います（成果3, 4, 12）。
(2)網羅的解析：HPLCやLC-MS/MSなどの最新機器を使い、K+循環に関与する分子を網羅的に同定しています。大阪大学大学院医学系研究科の金井好克教授・永森收志先生（現 奈良県立医科大学教授）との共同研究です（成果13）。
(3)イオン電極法：K+循環は、側壁のイオン濃度を制御することで内リンパ液の電位を維持します。従って、この組織の細胞内外のK+濃度動態を調べることは、とても重要です。 わたしたちは、その場のK+濃度と電位を同時にモニターする「イオン電極」を、in vivo計測に活用します。現在、蝸牛を対象にこの技術を駆使できるのは、世界でも恐らくわたしたちのみです（成果4-10）。
(4)コンピュータシミュレーション：生命現象には、実験では測れないパラメータがあります。 例えば、本研究に関しては、チャネルやトランスポーターを介した各イオンの流れを直接的に捉えることはできません。 計算科学は、理論的背景に立って、この問題を解決してくれます。わたしたちは、側壁に分布するチャネルやトランスポーターの働きに基づき数式を立て、有毛細胞のイオン流と統合した数理モデル「Nin-Hibino-Kurachi（NHK）モデル」を2012年に発表しました（成果9）。 その後の実験結果に基づき、最近、モデルを更新しました（fi-NHKモデル；ソースコード）（成果4）。初期のモデルでは達成できなかった計測値を再現し、その成り立ちをシミュレーションできます。引き続き、多彩な局面でモデルを改良・活用していく予定です。
この研究に関する主な成果
(1) Nonomura Y, Sawamura S, Hanzawa K, Nishikaze T, Sekiya S, Higuchi T, Nin F, Uetsuka S, Inohara H, Okuda S, Miyoshi E, Horii A, Takahashi S, Natsuka S, Hibino H. Characterisation of N-glycans in the epithelial-like tissue of the rat cochlea. Scientific Reports, (2019), 9, Article number:1551.
(2) Watabe T, Xu M, Watanabe M, Nabekura J, Higuchi T, Hori K, Sato MP, Nin F, Hibino H, Ogawa K, Masuda M, Tanaka KF. Time-controllable Nkcc1 knockdown replicates reversible hearing loss in postnatal mice. Scientific Reports, (2017), 7, Article number:13605.
(3) Sato MP, Higuchi T, Nin F, Ogata G, Sawamura S, Yoshida T, Ota T, Hori K, Komune S, Uetsuka S, Choi S, Masuda M, Watabe T, Kanzaki S, Ogawa K, Inohara H, Sakamoto S, Takebayashi H, Doi K, Tanaka KF, Hibino H. Hearing loss controlled by optogenetic stimulation of nonexcitable nonglial cells in the cochlea of the inner ear. Frontiers in Molecular Neuroscience, (2017), 10(300): 1-16
(4) Nin F, Yoshida T, Murakami S, Ogata G, Uetsuka S, Choi S, Doi K, Sawamura S, Inohara H, Komune S, Kurachi Y, Hibino H. Computer modeling defines the system driving a constant current crucial for homeostasis in the mammalian cochlea by integrating unique ion transports. npj Systems Biology and Applications, (2017), 3, Article number:24.
(5) Yoshida T, Nin F, Murakami S, Ogata G, Uetsuka S, Choi S, Nakagawa T, Inohara H, Komune S, Kurachi Y, Hibino H. The unique ion permeability profile of cochlear fibrocytes and its contribution to establishing their positive resting membrane potential. Pflügers Archiv - European Journal of Physiology, (2016), 468(9): 1609-1619.
(6) Nin F, Yoshida T, Sawamura S, Ogata G, Ota T, Higuchi T, Murakami S, Doi K, Kurachi Y, Hibino H. The unique electrical properties in an extracellular fluid of the mammalian cochlea; their functional roles, homeostatic processes, and pathological significance. Pflügers Archiv - European Journal of Physiology, (2016), 468(10): 1637-1649.
(7) Yoshida T, Nin F, Ogata G, Uetsuka S, Kitahara T, Inohara H, Akazawa K, Komune S, Kurachi Y, Hibino H. NKCCs in the fibrocytes of the spiral ligament are silent on the unidirectional K+-transport that controls the electrochemical properties in the mammalian cochlea. Pflügers Archiv - European Journal of Physiology, (2015), 467(7): 1577-1589.
(8) Adachi N, Yoshida T, Nin F, Ogata G, Yamaguchi S, Suzuki T, Komune S, Hisa Y, Hibino H#, Kurachi Y#. The mechanism underlying maintenance of the endocochlear potential by the K+ -transport system in the fibrocytes of the inner ear. Journal of Physiology (London), (2013), 591(18): 4459-4472. [#: equal corresponding authors]
(9) Nin F, Hibino H#, Murakami S, Suzuki T, Hisa Y, Kurachi Y#. A computational model of a circulation current that controls electrochemical properties in the mammalian cochlea. Proceedings of National Academy Sciences of the United States of America, (2012), 109(23): 9191-9196. [#: equal corresponding authors]
(10) Nin F*, Hibino H*, Doi K, Suzuki T, Hisa Y, Kurachi Y. The endocochlear potential depends on two K+ diffusion potentials and an electrical barrier in the stria vascularis of the inner ear. Proceedings of National Academy Sciences of the United States of America, (2008), 105(5):1751-1756. [*: equal contributors]
(11) Hibino H, Kurachi Y. Molecular and physiological bases of the K+ circulation in the mammalian inner ear. Physiology (Bethesda), (2006), 21:336-345.
(12) Hibino H, Horio Y, Inanobe A, Doi K, Ito M, Yamada M, Gotow T, Uchiyama Y, Kawamura M, Kubo T, Kurachi Y. An ATP-dependent inwardly rectifying potassium channel, KAB-2 (Kir4.1), in cochlear stria vascularis of inner ear: its specific subcellular localization and correlation with the formation of endocochlear potential. Journal of Neuroscience, (1997), 17(12):4711-4721.
(13) Uetsuka S*, Ogata G*, Nagamori S*, Isozumi N, Nin F, Yoshida T, Komune S, Kitahara T, Kikkawa Y, Inohara H, Kanai Y, Hibino H. Molecular architecture of the stria vascularis membrane transport system, which is essential for physiological function of the mammalian cochlea. European Journal of Neuroscience, (2015), 42: 1984-2002. [*: equal contributors]