Membrana otolítica

La membrana otolítica es una estructura fibrosa ubicada en el sistema vestibular del oído interno. Desempeña un papel fundamental en la interpretación del equilibrio por parte del cerebro. La membrana sirve para determinar si el cuerpo o la cabeza están inclinados, además de la aceleración lineal del cuerpo. La aceleración lineal puede ser en dirección horizontal, como en un automóvil en movimiento, o en dirección vertical, como la que se siente cuando un ascensor sube o baja.

La membrana otolítica es parte de los órganos otolíticos del sistema vestibular. Los órganos otolíticos incluyen el utrículo y el sáculo. Los órganos otolíticos son lechos de células sensoriales en el oído interno, específicamente pequeñas áreas de células ciliadas. Sobre las células ciliadas y sus haces de pelos hay una capa gelatinosa y encima de esa capa está la membrana otolítica. El utrículo sirve para medir aceleraciones horizontales y el sáculo responde a aceleraciones verticales. La razón de esta diferencia es la orientación de la mácula en los dos órganos. La mácula utricular se encuentra horizontal en el utrículo, mientras que la mácula sacular se encuentra vertical en el sáculo. Cada célula pilosa en estos lechos sensoriales consta de 40 a 70 estereocilios y un cinocilio. Los estereocilios y el cinocilio están incrustados en la membrana otolítica y son esenciales para la función de los órganos otolíticos. Las células ciliadas son desviadas por estructuras llamadas otoconias.

Las otoconias son cristales de carbonato de calcio que hacen que la membrana otolítica sea más pesada que las estructuras y los fluidos que la rodean. Las otoconias son cristales compuestos que recubren el epitelio sensorial macular de los receptores de gravedad de la mayoría de los vertebrados y son necesarios para la entrada óptima de estímulos de aceleración lineal y gravedad. Los peces suelen tener un único cristal grande llamado otolito, pero las otoconias de los vertebrados superiores tienen numerosos cristales, y cada cristal aparentemente único tiene de hecho múltiples cristalitos que están compuestos de componentes orgánicos e inorgánicos. La microscopía electrónica de transmisión de ultra alta resolución de las otoconias de rata muestra que los cristalitos tienen un diámetro de 50 a 100 nm, tienen bordes redondeados y están muy ordenados en láminas. La biomineralización de los otolitos y las otoconias resulta principalmente de la liberación de iones de calcio solubles, que a su vez se precipitan en forma de cristales de carbonato de calcio.

El acoplamiento mecánico de las otoconias a los estereocilios sensoriales de las células ciliadas en la superficie del epitelio sensorial vestibular está mediado por dos capas de la matriz extracelular, cada una con una función específica en el proceso de transducción mecánica. La primera de estas capas es la membrana otolítica, que distribuye uniformemente la fuerza de inercia de la masa no uniforme de otoconias a todos los haces de estereocilios. La segunda capa formada por filamentos columnares fija la membrana por encima de la superficie del epitelio.

Cuando la cabeza se inclina, la gravedad hace que la membrana otolítica se desplace con respecto al epitelio sensorial (mácula). El movimiento de cizallamiento resultante entre la membrana otolítica y la mácula desplaza los haces de pelos, que están incrustados en la superficie gelatinosa inferior de la membrana. Este desplazamiento de los haces de pelos genera un potencial receptor en las células pilosas. Además de ayudar a detectar la inclinación, la membrana otolítica ayuda al cuerpo a detectar aceleraciones lineales. La mayor masa relativa de la membrana, debido a la presencia de las otoconias, hace que quede rezagada con respecto a la mácula temporalmente, lo que provoca un desplazamiento transitorio del haz de pelos.

Una consecuencia de los efectos similares que ejercen ciertas inclinaciones de la cabeza y aceleraciones lineales sobre las células pilosas otolíticas es que las aferencias otolíticas no pueden transmitir información que distinga entre estos dos tipos de estímulos. En consecuencia, se podría esperar que estos diferentes estímulos se volvieran perceptualmente equivalentes cuando no hay retroalimentación visual, como ocurre en la oscuridad o cuando los ojos están cerrados. Sin embargo, este no es el caso porque los sujetos con los ojos vendados pueden discriminar entre estos dos tipos de estímulos.

La estructura de los órganos otolíticos les permite detectar tanto los desplazamientos estáticos, como los que se producirían al inclinar la cabeza respecto del eje gravitacional, como los desplazamientos transitorios causados por los movimientos de traslación de la cabeza. La masa de la membrana otolítica en relación con la endolinfa circundante, así como el desacoplamiento físico de la membrana de la mácula subyacente, significa que el desplazamiento del haz de pelos se producirá de forma transitoria en respuesta a las aceleraciones lineales, y de forma tónica en respuesta a la inclinación de la cabeza. Antes de la inclinación, el axón tiene una alta tasa de activación, que aumenta o disminuye según la dirección de la inclinación. Cuando la cabeza vuelve a su posición original, el nivel de activación vuelve al valor de referencia. De manera similar, los aumentos o disminuciones transitorios de la tasa de activación a partir de los niveles espontáneos señalan la dirección de las aceleraciones lineales de la cabeza.

La variedad de orientaciones de las células pilosas dentro del utrículo y el sáculo se combinan para medir eficazmente las fuerzas lineales que actúan sobre la cabeza en cualquier momento, en las tres dimensiones. Las inclinaciones de la cabeza con respecto al plano horizontal y los movimientos de traslación de la cabeza en cualquier dirección estimulan un subconjunto específico de células pilosas en las máculas sacular y utricular, al tiempo que suprimen las respuestas de otras células pilosas en estos órganos. En última instancia, las variaciones en la polaridad de las células pilosas dentro de los órganos otolíticos producen patrones de actividad de las fibras nerviosas vestibulares que, a nivel de población, codifican de manera inequívoca la posición de la cabeza y las fuerzas que la influyen.

Estudios realizados por un equipo de la Universidad de California en Los Ángeles dilucidaron el movimiento del haz de pelos activo debajo de la membrana otolítica, así como el acoplamiento entre los haces de pelos y la membrana. Los investigadores concluyeron que cuando se acoplan y cargan mediante la membrana otolítica, los haces de pelos del sáculo de la rana toro no oscilan espontáneamente, sino que se mantienen en un régimen latente. Sin embargo, cuando se estimulan mediante un pulso sinusoidal, los haces en el sistema acoplado muestran una respuesta bifásica activa similar a la "contracción" observada en los haces individuales. El movimiento del haz activo puede generar suficiente fuerza para mover la membrana otolítica. Además, el arrastre casi perfecto entre los haces de pelos y la membrana demuestra que el acoplamiento entre ambos es elástico en lugar de viscoso. Un estudio posterior demostró además que el movimiento evocado en los haces de células ciliadas inducido por la membrana otolítica estaba altamente bloqueado en fase, lo que era constante en grandes porciones del epitelio sensorial.

Aunque la fisiopatología de la disfunción otolítica es poco conocida, se puede sospechar un trastorno de la función otolítica, a nivel periférico o central, cuando un paciente describe síntomas de falsas sensaciones de movimiento lineal o inclinación o muestra signos de alteraciones específicas de las respuestas motoras oculares y posturales, de orientación y equilibrio. Cuando la desorientación es grave, el paciente puede describir síntomas que suenan extraños, lo que genera dudas sobre la base orgánica de la enfermedad. Es importante comprender la afectación otolítica en un contexto neurológico más amplio a través del conocimiento de la fisiología otolítica y las características de los síndromes otolíticos comprobados.

El vértigo posicional paroxístico benigno (VPPB) es el trastorno más común del sistema vestibular y se produce como resultado del desprendimiento de las otoconias de la membrana otolítica en el utrículo y su acumulación en uno de los canales semicirculares. Generalmente se asocia con la degeneración natural relacionada con la edad de la membrana otolítica. Cuando la cabeza está quieta, la gravedad hace que las otoconias se aglomeren y se asienten. Cuando la cabeza se mueve, las otoconias se desplazan, lo que estimula la cúpula para que envíe señales falsas al cerebro, lo que produce vértigo y desencadena nistagmo. Además del vértigo, los síntomas del VPPB incluyen mareos, desequilibrio, dificultad para concentrarse y náuseas.

La membrana otolítica puede verse afectada en pacientes con enfermedad de Ménière. Algunas personas pueden sufrir caídas repentinas sin pérdida de conciencia (ataques de caída) en las últimas etapas de la enfermedad, en cuyo caso se las denomina ataques de Tumarkin o crisis otolíticas de Tumarkin. Quienes sufren estos ataques (probablemente menos del 10% de las personas con enfermedad de Ménière) pueden referir una sensación de ser empujados bruscamente al suelo desde atrás. Se cree que el fenómeno se desencadena por una alteración mecánica repentina de la membrana otolítica que activa las neuronas motoras en el tracto vestibuloespinal.

La función otolítica también puede verse comprometida después de una neurectomía vestibular unilateral. La ilusión es que durante la estimulación centrífuga, una pequeña barra luminosa, fija con respecto al observador, parece estar inclinada en la misma medida en que el observador la siente. Esta ilusión se percibe simétricamente en pacientes normales, pero después de una neuroectomía vestibular, los pacientes perciben una ilusión reducida cuando la fuerza se dirige hacia el oído operado.

La estructura de la membrana otolítica se ha estudiado con frecuencia en anfibios y reptiles con el fin de dilucidar las diferencias y comprender cómo ha evolucionado la membrana en varios órganos otolíticos. Las membranas otolíticas de los utrículos en reptiles y anfibios representan placas delgadas de estructura no uniforme, mientras que la membrana otolítica en el sáculo se asemeja a un gran conglomerado de otoconios con forma de adoquín. En peces, anfibios y reptiles también existe un tercer órgano otolítico que no está presente en los humanos, y se llama lagena. La membrana otolítica en la lagena de los anfibios está poco diferenciada, pero bien diferenciada en los reptiles. Esta diferencia corresponde al hecho de que cuando los vertebrados comenzaron a habitar la superficie terrestre hubo una reorganización de la membrana. Con el tiempo, hubo dos cambios que ocurrieron en paralelo cuando se refiere a la evolución de la membrana otolítica. En primer lugar, los otolitos que estaban presentes en los anfibios y reptiles fueron reemplazados por una membrana otolítica estructuralmente diferenciada. En segundo lugar, las otoconias aragoníticas fusiformes fueron reemplazadas por otoconias calcíticas en forma de barril. Estos dos cambios se conocen como las dos direcciones de la evolución de la membrana otolítica.

Actualmente existen varias técnicas para modelar la membrana otolítica que sirven a investigadores, científicos y profesionales de la salud para ilustrar y comprender la estructura y función de la membrana. Una de estas técnicas se denomina método de elementos finitos, que divide la membrana en triángulos y se utiliza una computadora para determinar la combinación lineal de las funciones que representan el desplazamiento que resuelve un sistema complejo de ecuaciones. El método de elementos finitos se desarrolló inicialmente para su uso en campos como la ingeniería mecánica y la ingeniería civil para resolver ecuaciones diferenciales parciales (EDP) elípticas y ha tenido un enorme éxito. El método de elementos finitos se opone a otra técnica para resolver EDP, el método de diferencias finitas, y ha demostrado ser más eficaz para modelar la membrana otolítica en varios estudios, pero también ha sido rechazado por otros investigadores. Incluso se han desarrollado modelos similares para tener en cuenta la aceleración variable de la gravedad para modelar el efecto de la membrana otolítica en entornos con efectos gravitacionales cambiantes, como el espacio, la Luna y otros planetas.

El método alternativo utilizado para modelar la membrana otolítica es el método de diferencias finitas, mientras que el método de elementos finitos tiene ventajas en el manejo de geometría complicada, mientras que el método de diferencias se implementa más fácilmente. Los modelos de diferencias imponen una cuadrícula rectangular sobre la forma de la membrana otolítica y utilizan diferentes esquemas de extrapolación de límites aplicados a las condiciones de contorno. Otro método utiliza una técnica de optimización para generar una cuadrícula no uniforme que se ajusta a la forma de la membrana y luego genera una cuadrícula a través de transformaciones de coordenadas generales. Los pasos principales de dichos modelos incluyen 1) colocar un conjunto de puntos en la membrana (generalmente modelada como una elipse irregular, 2) discretizar ecuaciones diferenciales parciales y 3) resolver las ecuaciones discretas. También hay varios parámetros de la membrana otolítica que son importantes para el proceso de modelado. Los parámetros comunes para modelos similares incluyen el módulo de elasticidad, el coeficiente de Poisson y la densidad específica de las otoconias.

Un último tipo de modelo que los investigadores han utilizado para comprender la membrana otolítica está relacionado con la interacción entre la membrana y el haz de células pilosas. En el modelo, la membrana se trata como un material de Kelvin-Voigt, lo que significa que tiene propiedades tanto de viscosidad como de elasticidad. Para esta técnica, se tiene en cuenta el proceso de transformación de la información en la cadena que detecta la aceleración lineal, comenzando desde una aceleración externa y terminando en la despolarización de la célula pilosa. El modelo muestra que una respuesta depende de dos factores que son la dependencia espacial del desplazamiento del gel y la distribución espacial de la altura de los estereocilios en el haz de células pilosas.