Hair cells in mouse cochlear cultures are selectively labeled by brief exposure to FM1-43, a styryl dye used to study endocytosis and exocytosis. Real-time confocal microscopy indicates that dye entry is rapid and via the apical surface. Cooling to 4°C and high extracellular calcium both reduce dye loading. Pretreatment with EGTA, a condition that breaks tip links and prevents mechanotransducer channel gating, abolishes subsequent dye loading in the presence of calcium. Dye loading recovers after calcium chelation with a time course similar to that described for tip-link regeneration.Myo7a mutant hair cells, which can transduce but have all mechanotransducer channels normally closed at rest, do not label with FM1-43 unless the bundles are stimulated by large excitatory stimuli. Extracellular perfusion of FM1-43 reversibly blocks mechanotransduction with half-blocking concentrations in the low micromolar range. The block is reduced by high extracellular calcium and is voltage dependent, decreasing at extreme positive and negative potentials, indicating that FM1-43 behaves as a permeant blocker of the mechanotransducer channel. The time course for the relief of block after voltage steps to extreme potentials further suggests that FM1-43 competes with other cations for binding sites within the pore of the channel. FM1-43 does not block the transducer channel from the intracellular side at concentrations that would cause complete block when applied extracellularly. Calcium chelation and FM1-43 both reduce the ototoxic effects of the aminoglycoside antibiotic neomycin sulfate, suggesting that FM1-43 and aminoglycosides enter hair cells via the same pathway.

Two types of human ES-cell-derived otic progenitors are shown to have the ability to differentiate in vitro into hair-cell-like cells and auditory neurons, and to engraft, differentiate and improve auditory-evoked response thresholds when transplanted into an auditory neuropathy model; this indicates that it may be possible to use cell-based therapeutic strategies to recover damaged sensory circuitry in deafness. Auditory neuropathy is a form of hearing loss in which the sensory-hair cells of the inner ear are often relatively unscathed, making cochlear implants alone ineffective as therapy. Rather, it is the next step in the auditory pathway that is impaired by damage sustained by the spiral ganglion neurons, and there are no routine treatments available to counter sensory-neuron loss. This paper reports the generation of ear-cell progenitors from human embryonic stem cells, and shows that these otic progenitor cells can differentiate into functional cells involved in auditory response. Transplant of the otic progenitor cells into chemically damaged gerbil ears restores auditory evoked response in the brainstem, suggesting that this type of procedure, combined with cochlear implants, could form the basis of a cell-based therapy for some types of deafness. Deafness is a condition with a high prevalence worldwide, produced primarily by the loss of the sensory hair cells and their associated spiral ganglion neurons (SGNs). Of all the forms of deafness, auditory neuropathy is of particular concern. This condition, defined primarily by damage to the SGNs with relative preservation of the hair cells1, is responsible for a substantial proportion of patients with hearing impairment2. Although the loss of hair cells can be circumvented partially by a cochlear implant, no routine treatment is available for sensory neuron loss, as poor innervation limits the prospective performance of an implant3. Using stem cells to recover the damaged sensory circuitry is a potential therapeutic strategy. Here we present a protocol to induce differentiation from human embryonic stem cells (hESCs) using signals involved in the initial specification of the otic placode. We obtained two types of otic progenitors able to differentiate in vitro into hair-cell-like cells and auditory neurons that display expected electrophysiological properties. Moreover, when transplanted into an auditory neuropathy model, otic neuroprogenitors engraft, differentiate and significantly improve auditory-evoked response thresholds. These results should stimulate further research into the development of a cell-based therapy for deafness.

Outer hair cells (OHCs) provide amplification in the mammalian cochlea using somatic force generation underpinned by voltage-dependent conformational changes of the motor protein prestin. However, prestin must be gated by changes in membrane potential on a cycle-by-cycle basis and the periodic component of the receptor potential may be greatly attenuated by low-pass filtering due to the OHC time constant (τ(m)), questioning the functional relevance of this mechanism. Here, we measured τ(m) from OHCs with a range of characteristic frequencies (CF) and found that, at physiological endolymphatic calcium concentrations, approximately half of the mechanotransducer (MT) channels are opened at rest, depolarizing the membrane potential to near -40 mV. The depolarized resting potential activates a voltage-dependent K+ conductance, thus minimizing τ(m) and expanding the membrane filter so there is little receptor potential attenuation at the cell's CF. These data suggest that minimal τ(m) filtering in vivo ensures optimal activation of prestin.

Abstract In this paper, we introduce a new, open-source software developed in Python for analyzing Auditory Brainstem Response (ABR) waveforms. ABRs are a far-field recording of synchronous neural activity generated by the auditory fibers in the ear in response to sound, and used to study acoustic neural information traveling along the ascending auditory pathway. Common ABR data analysis practices are subject to human interpretation and are labor-intensive, requiring manual annotations and visual estimation of hearing thresholds. The proposed new Auditory Brainstem Response Analyzer (ABRA) software is designed to facilitate the analysis of ABRs by supporting batch data import/export, waveform visualization, and statistical analysis. Techniques implemented in this software include algorithmic peak finding, threshold estimation, latency estimation, time warping for curve alignment, and 3D plotting of ABR waveforms over stimulus frequencies and decibels. The excellent performance on a large dataset of ABR collected from three labs in the field of hearing research that use different experimental recording settings illustrates the efficacy, flexibility, and wide utility of ABRA.

Abstract In cochlear outer hair cells (OHCs), a network of Ca 2+ channels, pumps and Ca 2+ -binding proteins (CaBPs) regulates the localization, spread, and magnitude of free Ca 2+ ions. During early postnatal development, OHCs express three prominent mobile EF-hand CaBPs: oncomodulin (OCM), α-parvalbumin (APV) and sorcin. We have previously shown that deletion of Ocm ( Ocm -/- ) gives rise to progressive cochlear dysfunction in young adult mice. Here, we show that changes in Ca 2+ signaling begin early in postnatal development of Ocm -/- mice. While mutant OHCs exhibit normal electrophysiological profiles compared to controls, their intracellular Ca 2+ signaling is altered. The onset of OCM expression at postnatal day 3 (P3) causes a developmental change in KCl-induced Ca 2+ transients in OHCs and leads to slower KCl-induced Ca 2+ transients than those elicited in cells from Ocm -/- littermates. We compared OCM buffering kinetics with other CaBPs in animal models and cultured cells. In a double knockout of Ocm and Apv ( Ocm -/- ;Apv -/- ), mutant OHCs show even faster Ca 2+ kinetics, suggesting that APV may also contribute to early postnatal Ca 2+ signaling. In transfected HEK293T cells, OCM slows Ca 2+ kinetics more so than either APV or sorcin. We conclude that OCM controls the intracellular Ca 2+ environment by lowering the amount of freely available [Ca 2+ ] i in OHCs and in transfected HEK293T cells. We propose that OCM plays an important role in shaping the development of early OHC Ca 2+ signals through its inimitable Ca 2+ buffering capacity.

Abstract Cochlear outer hair cells (OHCs) are responsible for the exquisite frequency selectivity and sensitivity of mammalian hearing. During development, the maturation of OHC afferent connectivity is refined by coordinated spontaneous Ca 2+ activity in both sensory and non-sensory cells. Calcium signaling in neonatal OHCs can be modulated by Oncomodulin (OCM, β-parvalbumin), an EF-hand calcium-binding protein. Here, we investigated whether OCM regulates OHC spontaneous Ca 2+ activity and afferent connectivity during development. Using a genetically encoded Ca 2+ sensor (GCaMP6s) expressed in OHCs in wild-type (Ocm +/+ ) and Ocm knockout (Ocm -/- ) littermates, we found increased spontaneous Ca 2+ activity and upregulation of purinergic receptors in OHCs from GCaMP6s Ocm -/- cochlea immediately following birth. The afferent synaptic maturation of OHCs was delayed in the absence of OCM, leading to an increased number of ribbon synapses and afferent fibers on GCaMP6s Ocm -/- OHCs before hearing onset. We propose that OCM regulates the spontaneous Ca 2+ signaling in the developing cochlea and the maturation of OHC afferent innervation.

Abstract Mammalian hearing involves the mechanoelectrical transduction (MET) of sound-induced fluid waves in the cochlea. Essential to this process are the specialised sensory cochlear cells, the inner (IHCs) and outer hair cells (OHCs). While genetic hearing loss is highly heterogeneous, understanding the requirement of each gene will lead to a better understanding of the molecular basis of hearing and also to therapeutic opportunities for deafness. The Neuroplastin ( Nptn ) gene, which encodes two protein isoforms Np55 and Np65, is required for hearing, and homozygous loss-of-function mutations that affect both isoforms lead to profound deafness in mice. Here we have utilised several distinct mouse models to elaborate upon the spatial, temporal, and functional requirement of Nptn for hearing. While we demonstrate that both Np55 and Np65 are present in cochlear cells, characterisation of a Np65-specific mouse knockout shows normal hearing thresholds indicating that Np65 is functionally redundant for hearing. In contrast, we find that Nptn -knockout mice have significantly reduced maximal MET currents and MET channel open probabilities in mature OHCs, with both OHCs and IHCs also failing to develop fully mature basolateral currents. Furthermore, comparing the hearing thresholds and IHC synapse structure of Nptn -knockout mice with those of mice that lack Nptn only in IHCs and OHCs shows that the majority of the auditory deficit is explained by hair cell dysfunction, with abnormal afferent synapses contributing only a small proportion of the hearing loss. Finally, we show that continued expression of NEUROPLASTIN in OHCs of adult mice is required for membrane localisation of Plasma Membrane Ca 2+ ATPase 2 (PMCA2), which is essential for hearing function. Moreover, Nptn haploinsufficiency phenocopies Atp2b2 (encodes PMCA2) mutations, with heterozygous Nptn -knockout mice exhibiting hearing loss through genetic interaction with the Cdh23 ahl allele. Together, our findings provide further insight to the functional requirement of Neuroplastin for mammalian hearing. Author Summary Sensorineural hearing loss, caused by problems with sensory cells in the cochlea or the auditory nerve, is the most common type of hearing loss. Mutations in Neuroplastin have already been implicated in deafness in mice. We have used mutant mouse models to investigate where Neuroplastin is expressed in the cochlea and its function. When mice do not express a functioning copy of Neuroplastin they have disruptions to the primary sensory synapse. We show that although synaptic disruption contributes to the loss of hearing function it is not the primary cause. Instead, continued expression of Neuroplastin is needed to maintain the localisation of Plasma Membrane Ca 2+ ATPase 2 channels which help regulate calcium flow. We have also shown that two types of NEUROPLASTIN protein (isoforms) are both expressed within the cochlea, although only one of these isoforms needs to be expressed for normal hearing. Finally, we also demonstrate that the hearing loss caused by the absence of Neuroplastin is made worse when combined with a common mutation within a gene called Cadherin 23 ( Cdh23 ahl ). This is an important finding as although there are currently no human patients with an identified NEUROPLASTIN mutation, it may be involved in human deafness in combination with other mutations.

Highlights•Hyperactivity associated with moderate hearing loss in ENU-induced whirlin mutant•Overexpression of C-terminus whirlin in the brain rescues hyperactive behaviors•Transcriptional profile of whirlin across tissues underscores pleiotropy•Qualitative deficit in the temporal processing of the acoustic stimulusSummaryDespite some evidence indicating diverse roles of whirlin in neurons, the functional corollary of whirlin gene function and behavior has not been investigated or broadly characterized. A single nucleotide variant was identified from our recessive ENU-mutagenesis screen at a donor-splice site in whirlin, a protein critical for proper sensorineural hearing function. The mutation (head-bob, hb) led to partial intron-retention causing a frameshift and introducing a premature termination codon. Mutant mice had a head-bobbing phenotype and significant hyperactivity across several phenotyping tests. Lack of complementation of head-bob with whirler mutant mice confirmed the head-bob mutation as functionally distinct with compound mutants having a mild-moderate hearing defect. Utilizing transgenics, we demonstrate rescue of the hyperactive phenotype and combined with the expression profiling data conclude whirlin plays an essential role in activity-related behaviors. These results highlight a pleiotropic role of whirlin within the brain and implicate alternative, central mediated pathways in its function.Graphical abstract

Abstract Spiral ganglion neurons (SGNs) are primary sensory afferent neurons that relay acoustic information from the cochlear inner hair cells (IHCs) to the brainstem. The response properties of different SGNs diverge to represent a wide range of sound intensities in an action‐potential code. This biophysical heterogeneity is established during pre‐hearing stages of development, a time when IHCs fire spontaneous Ca 2+ action potentials that drive glutamate release from their ribbon synapses onto the SGN terminals. The role of spontaneous IHC activity in the refinement of SGN characteristics is still largely unknown. Using pre‐hearing otoferlin knockout mice ( Otof −/− ), in which Ca 2+ ‐dependent exocytosis in IHCs is abolished, we found that developing SGNs fail to upregulate low‐voltage‐activated K + ‐channels and hyperpolarisation‐activated cyclic‐nucleotide‐gated channels. This delayed maturation resulted in hyperexcitable SGNs with immature firing characteristics. We have also shown that SGNs that synapse with the pillar side of the IHCs selectively express a resurgent K + current, highlighting a novel biophysical marker for these neurons. RNA‐sequencing showed that several K + channels are downregulated in Otof −/− mice, further supporting the electrophysiological recordings. Our data demonstrate that spontaneous Ca 2+ ‐dependent activity in pre‐hearing IHCs regulates some of the key biophysical and molecular features of the developing SGNs. image Key points Ca 2+ ‐dependent exocytosis in inner hair cells (IHCs) is otoferlin‐dependent as early as postnatal day 1. A lack of otoferlin in IHCs affects potassium channel expression in SGNs. The absence of otoferlin is associated with SGN hyperexcitability. We propose that type I spiral ganglion neuron functional maturation depends on IHC exocytosis.

In the mammalian cochlea, sensory hair cells are crucial for the transduction of acoustic stimuli into electrical signals, which are then relayed to the central auditory pathway via spiral ganglion neuron (SGN) afferent dendrites. The SGN output is directly modulated by inhibitory cholinergic axodendritic synapses from the efferent fibers originating in the superior olivary complex. When the adult cochlea is subjected to noxious stimuli or aging, the efferent system undergoes major rewiring, such that it reestablishes direct axosomatic contacts with the inner hair cells (IHCs), which occur only transiently during prehearing stages of development. The trigger, origin, and degree of efferent plasticity in the cochlea remains largely unknown. Using functional and morphological approaches, we demonstrate that efferent plasticity in the adult cochlea occurs as a direct consequence of mechanoelectrical transducer current dysfunction. We also show that, different from prehearing stages of development, the lateral olivocochlear - but not the medial olivocochlear - efferent fibers are those that form the axosomatic synapses with the IHCs. The study also demonstrates that in vivo restoration of IHC function using AAV-Myo7a rescue reestablishes the synaptic profile of adult IHCs and improves hearing, highlighting the potential of using gene-replacement therapy for progressive hearing loss.