Doskonalenie Boisku

Jack Freeman pracował przez cztery dekady w hałaśliwej fabryce cegieł, ale przez lata jego żonie trudno było uwierzyć, że ma ubytek słuchu. Często siedział do późna, oglądając telewizję – zawsze przy niskim poziomie głośności. Jak może twierdzić, że mnie też nie słyszy, kiedy przychodzę z nim porozmawiać? zapyta.

Syn Freemanów, Dennis, SM ‘76, PhD ‘86, profesor elektrotechniki MIT, bada ucho wewnętrzne od ponad 30 lat. Ale dopiero niedawno dotarł do sedna pytania matki. Laboratorium Freemana w Laboratorium Badawczym Grupy Fizjologii Słuchowej Elektroników dokonało fundamentalnego odkrycia na temat ucha wewnętrznego, które pomaga wyjaśnić, dlaczego ojciec Freemana ma problemy z dźwiękami z różnych źródeł.

Naukowcy od dawna wiedzą, że ludzie tracą zdolność rozróżniania dźwięków, gdy narażenie na nadmierny hałas uszkadza delikatne struktury ucha wewnętrznego. (Problem może być również wrodzony). Ale nie odkryli jeszcze, dlaczego ucho wewnętrzne jest zwykle tak niezwykłym czujnikiem – pozwalającym usłyszeć wszystko, od cichego szeptu po ryk silnika odrzutowego i rozróżnić do 30 tonów pomiędzy częstotliwościami sąsiednich klawiszy na fortepianie.

Uważa się, że te niezwykłe zdolności wynikają ze wzmocnienia ślimaka, procesu, w którym reakcja ucha wewnętrznego na dźwięki jest wzmacniana nawet tysiąckrotnie dzięki wspólnemu działaniu 12 000 komórek receptorów czuciowych. Wielu badaczy badało, w jaki sposób poszczególne komórki czuciowe – w szczególności te znane jako zewnętrzne komórki rzęsate – pracują nad wzmacnianiem dźwięków, czyniąc je wystarczająco głośnymi, aby słyszeć, lub umożliwiając wykrywanie niewielkich zmian częstotliwości. Ale naukowcy dopiero zaczynają rozumieć, jak różne części ucha wchodzą w interakcję z tymi komórkami włoskowatymi.

W każdym uchu znajduje się 12 000 komórek czuciowych, które rozmawiają ze sobą w systemie sprzężenia zwrotnego, mówi Freeman. I właśnie ten system staramy się zrozumieć.

Zainteresowanie Freemana jest zarówno osobiste, jak i akademickie: kiedy dostał gorączki reumatycznej w czwartej klasie, streptomycyna stosowana do jej leczenia osłabiła jego słuch. Potem, po pierwszym roku studiów w Penn State, jego słuch został dodatkowo uszkodzony przez letnią pracę w tej samej huczącej fabryce, w której pracował jego ojciec. Mimo to Freeman nie przyjechał do MIT w latach 70., aby zbadać ucho. Przyszedł budować komputery. Potem poznał profesora Campbella Searle'a – autora jego pierwszego podręcznika do obwodów elektrycznych – i zdał sobie sprawę, że może zastosować elektrotechnikę do badania słuchu. Freeman współpracował z Searle i innymi, aby spróbować opracować aparaty słuchowe, które ułatwiłyby zrozumienie dźwięków mowy, wykorzystując przetwarzanie sygnału do wykonania części pracy ucha. Ale to podejście, mówi Freeman, po prostu nie zadziałało.

Na początku lat 80. Freeman doszedł do wniosku, że istniejące modele ucha są niekompletne. Więc zamiast próbować zbudować lepszy aparat słuchowy przy użyciu tych modeli, rozpoczął przyspieszony kurs neurofizjologii i fizjologii komórki, aby móc prowadzić badania doktoranckie na temat hydrodynamiki ślimaka. W ciągu ostatnich dwóch dekad Freeman udoskonalił swoje modele, aby odzwierciedlić nowe dowody, takie jak odkrycie Williama Brownella z Baylor College of Medicine, że komórki receptorów czuciowych działają jak mechaniczne wzmacniacze, faktycznie generując ruch w strukturach ucha wewnętrznego w odpowiedzi. zabrzmieć zamiast po prostu zgłaszać ruchy wywołane dźwiękiem do mózgu.

Teraz laboratorium Freemana odkryło kluczową rolę, jaką odgrywa mało zrozumiała część ucha wewnętrznego. Używając sprytnej konfiguracji eksperymentalnej zaprojektowanej przez doktoranta Roozbeha Ghaffari '01, Mng '03, zespół Freemana wykazał, że membrana tektoryczna, struktura tradycyjnie uważana za bezwładną, w rzeczywistości się porusza, przenosząc fale poruszające się z dokładną prędkością i kierunek prostopadły do ​​kierunku ruchu innych fal w uchu. Wydaje się, że interakcja między dwoma rodzajami fal sprawia, że ​​komórki rzęsate stają się bardziej wrażliwe.

To bardzo podstawowa praca, mówi Rahul Sarpeshkar ‘90, profesor elektrotechniki MIT, który pracuje nad bionicznymi uszami i implantami ślimakowymi. Ludzie podejrzewali, że błona tektoniczna może być częścią układu rezonansowego. Ale do tej pory nikt nigdy nie pokazał tego eksperymentalnie.

Od około 60 lat badania ucha wewnętrznego skupiają się na komórkach czuciowych i ich interakcji z błoną podstawną, grupą cienkich elastycznych włókien. Kiedy dźwięk dostanie się do ucha, powoduje, że błona podstawna porusza się w górę iw dół, propagując falę. Fala przemieszcza się szybko wzdłuż błony i wzdłuż spiralnie ukształtowanej części ucha wewnętrznego znanej jako ślimak, która jest dostrojona do różnych częstotliwości wzdłuż swojej długości. Kiedy fala dociera do części ślimaka dostrojonej do jej częstotliwości, zwalnia. W miarę przemieszczania się fal stymulują komórki rzęsate znajdujące się nad błoną podstawną, które przekształcają fale w impulsy nerwowe, a także wibrują w sposób wzmacniający ruch fal.

Poszczególne komórki czuciowe nie mogą samodzielnie wytwarzać amplifikacji ślimaka. Aby dowiedzieć się, jak współpracują, zespół Freemana przyjrzał się błonie tektonicznej, która znajduje się nad komórkami włoskowatymi i w której są osadzone.

Ale błona tektorialna nie jest łatwa do zbadania. To jak kawałek galaretki O, mówi dr Alexander Aranyosi, naukowiec, który pracował nad badaniem. Membrana ma mniej więcej dwa centymetry długości, mniej niż pół milimetra szerokości i jest cieńsza od ludzkiego włosa. Membrana jest trudna do manipulowania – i prawie przezroczysta. Pod wpływem powietrza kurczy się, ponieważ w 97 procentach składa się z wody.

Intrygująca jest jednak zawartość pozostałych 3 proc. Oprócz cukru błona zawiera alfa-tektorynę i beta-tektorynę, dwa białka, których nie ma nigdzie indziej; ssaki pozbawione genów, które powodują, że mają wrodzone wady słuchu. Dlatego Freeman zachęcił Ghaffari do zastanowienia się nad symulacją naturalnej stymulacji błony tektorowej w laboratorium.

Ghaffari zawiesił półmilimetrowy kawałek błony tektonicznej myszy na dwóch maleńkich wspornikach o grubości 300 mikrometrów każda, które zbudował na szklanym szkiełku i umieścił w roztworze soli fizjologicznej symulującym środowisko ślimaka. Jedna podpora jest przyklejona do slajdu; druga jest przymocowana do siłownika piezoelektrycznego i luźno połączona z suwakiem. Gdy do siłownika zostanie przyłożone napięcie oscylacyjne, wibruje on z odpowiednią częstotliwością dźwięku i porusza przymocowaną podporą, powodując ruch fali w dół zawieszonej membrany. Korzystając z systemu obrazowania stroboskopowego opracowanego wcześniej w laboratorium Freemana i zbudowanego przez Aranyosiego, Ghaffari zmierzył przemieszczenia membrany w skali nanometrowej z prędkością do kilku tysięcy cykli na sekundę – częstotliwości idealne dla słyszenia.

Zespół zaobserwował, że fale poruszają się z boku na bok wzdłuż błony tektorycznej (fale przemieszczające się wzdłuż błony podstawnej poruszają się w górę iw dół). Naukowcy odkryli również, że fale poruszają się wzdłuż błony tektorowej z mniej więcej taką samą prędkością, jak fale błony podstawnej, które dotarły do ​​części ślimaka dostrojonej do ich częstotliwości. Kiedy masz dwie fale poruszające się z tą samą prędkością, daje to im możliwość interakcji, mówi Aranyosi. Mogą wymieniać energię tam iz powrotem. Dwa rodzaje fal rozchodzą się z tą samą prędkością tylko w jednym miejscu – gdzie ślimak jest dostrojony do częstotliwości dźwięku. Tutaj ucho jest w stanie selektywnie wzmocnić, a tym samym rozróżnić określoną częstotliwość.

Następnym krokiem grupy jest pomiar tych interakcji in vivo. Kiedy już lepiej zrozumiemy, w jaki sposób zachodzą interakcje fal, możemy zbudować aparaty słuchowe, które faktycznie rozwiązują rzeczywisty problem, zamiast po prostu starać się, aby wszystko brzmiało głośniej, mówi Aranyosi. Naukowcy planują również zbadać geny, które produkują dwa unikalne białka błony tektorowej, aby uzyskać więcej wskazówek na temat działania amplifikacji ślimaka.

W niehierarchicznym laboratorium Freemana tematy dyskusji sięgają od filozofii Wschodu po nowe metodologie badania ślimaka. Wszyscy traktujemy siebie nawzajem jak kolegów i współpracowników, w przeciwieństwie do profesora i studenta lub naukowca i studenta, mówi Aranyosi. Każdy ma coś do wniesienia i każdy ma równy głos w tym, jak robimy różne rzeczy.

Wiele subtelnych pomysłów pochodzi z tych spotkań, na których wszyscy po prostu spędzamy czas z Dennym, mówi Ghaffari. Taki właśnie jest Denny.

ukryć