La increíble y hermosa ciencia de cómo escuchamos

Alguna vez te has preguntado cómo funcionan tus oídos. En esta encantadora y fascinante exposición, el biofísico Jim Hudspeth presenta la increíble simpleza pero a la vez asombrosa fuerza de la mecánica de las células ciliadas, el microscópico motor que nos permite escuchar. Y explica cómo, cuando está realmente callado el ambiente, tus oídos comienzan a emitir un espectro de sonido único para cada uno.

¿Me escuchan?

Sí

Perfecto. Si lo pueden hacer,
es asombroso,

porque mi voz está cambiando la presión
del aire donde están sentados

en milmillonésimas del nivel atmosférico,

aunque den por hecho

que sus oídos pueden capturar
la señal infinitesimal

y utilizarla para decir al cerebro el
rango completo de experiencias auditivas:

la voz humana, la música, la naturaleza.

¿Cómo hace eso el oído?

La respuesta es:

por medio de células que son
el centro de esta presentación:

los receptores sonsoriales del oído,

que se llaman "células ciliadas".

Estas células tienen
un nombre desafortunado,

porque ellas no tienen nada
que ver con el pelo

del que cada vez yo tengo menos.

A estas células las llamaron originalmente
así los primeros microscopistas,

quienes vieron que
desde un extremo de la célula

emanaba un pequeño racimo de cerdas.

con la microscopía electrónica moderna,
se puede oberservar mucho mejor

la naturaleza de las características
que le dan a estas células su nombre.

Es un conjunto de pelos.

Es este grupo que contiene
desde 20 a varios centenares de finos

bastones cilíndricos están verticalmente
en el extremo superior de la célula.

Y es este aparato el responsable de
que Uds. me oigan en este instante.

Confieso que de alguna manera
estoy enamorado de estas células.

He pasado 45 años en compañía de ellas.

(Risas)

Y parte de la razón
es que son realmente preciosas.

Aquí hay un componente estético.

Aquí por ejemplo están las células

con las que un pollo escucha.

Estas son las células que
un murciélago utiliza para su sonar.

Utilizamos estas largas células ciliadas
de una rana para muchos experimentos.

Las células ciliadas se encuentran incluso
hasta en los peces más primitivos,

y las de los reptiles
usualmente tienen

este precioso, casi cristalino, orden.

Pero más allá de su hermosura,

este conjunto de pelos son una antena.

Es una máquina que convierte
las vibraciones de los sonidos

en reacciones eléctricas
que el cerebro puede interpretar.

En la parte superior de cada conjunto de
pelos, como aprecian en la imagen,

existen pequeñas fibras que conectan
con cada uno de los pequeños pelos,

las estereocilias.

Aquí están marcadas
con un pequeño triángulo rojo.

Estas fibras tienen su base
en algunos canales iónicos.

que son proteínas que abarcan la membrana.

Aquí ven cómo funcionan.

Esta trampa para ratones
representa un canal iónico.

Esta tiene un poro por el que pasan
iones de potasio y de calcio.

Tiene una pequeña puerta molecular
que puede abrirse o cerrarse.

Y su estatus lo fija esta banda elástica
que representa ese filamento de proteína.

Ahora imaginen que este brazo
representa un estereocilio

y este otro representa
el adyacente, más corto

con la banda elástica entre ellos.

Cuando el conjunto de pelos se ve
afectado por la energía del sonido,

lo empuja a la dirección
hacia el borde más elevado.

El deslice de las estereocilias
ejercen tensión en el vínculo

hasta que se abre el canal y
los iones se precipitan hacia la célula.

Cuando el conjunto de pelos es
empujado en la dirección opuesta,

el canal se cierra.

Y, lo más importante,

el movimiento de una lado
a otro del conjunto de pelos,

como resultado durante la aplicación
de las ondas acústicas,

abre y cierra el canal alternativamente.

Y cada apertura admite millones y
millones de iones hacia la célula.

Estos iones constituyen
una corriente eléctrica

que excita la célula.

Esta excitación se transmite
a una fibra nerviosa,

y luego se propaga hacia el cerebro.

Observen que la intensidad del sonido

es representada
por la magnitud de esta respuesta.

Un sonido fuerte empuja
el conjunto de pelos más lejos,

abre un canal más largo,

permite entrar más iones

y da lugar a una mayor respuesta.

Ahora, este modo de operación
tiene la ventaja de una mayor velocidad.

Algunos de nuestros sentidos,
tales como el de la vista,

utilizan reacciones químicas
que toman tiempo.

Y como consecuencia de esto,

si les muestro una serie de fotos
en intervalos de 20 o 30 segundos,

Uds. tendrán la sensación
de imágenes continuas.

Porque no utiliza reacciones,

las células ciliadas son 1000 veces
más rápidas que otros sentidos.

Nosotros escuchamos sonidos en frecuencias
hasta de 20 000 ciclos por segundo

y algunos animales tienen
un oído más rápido.

Por ejemplo, el oído del murciélago
y de la ballena puede responder a su sonar

a 150 000 ciclos por segundo.

Pero esta velocidad no explica del todo
porque el oído se desempeña tan bien.

Y resulta que nuestro oído
se beneficia de un amplificador,

a veces llamado "proceso activo".

El proceso activo mejora nuestra escucha

y permite todas las funciones
destacadas que ya he mencionado.

Permitanme contarles cómo funciona.

En primer lugar, el proceso activo
amplifica el sonido,

para que oigamos, en los umbrales, en los
que el sonido mueve el conjunto de pelos

simplemente a una distancia de
cerca de tres tercios de un nanómetro.

Ese es el diámetro de
una molécula de agua.

Es realmente sorprendente.

El sistema también puede funcionar

sobre un enorme rango dinámico.

¿Por qué necesitamos esta amplificación?

La amplificación, años atrás, era útil

porque era valioso para nosotros escuchar
al tigre antes que él a nosotros.

Y en estos días, es esencial
como sistema temprano de advertencia.

Es útil poder escuchar
las alarmas contra incendios

o riesgos contemporáneos como autos
de bomberos o de policía y afines.

Cuando la amplificación falla,
nuestra sensibilizad auditiva se desploma,

y entonces un individuo puede necesitar
un aparato auditivo electrónico

para reemplazar el dañado.

Este proceso activo también mejora
nuestra selección de frecuencias.

Incluso un individuo sin entrenamiento
puede distinguir dos tonos

que difieren solo por
dos décimas de un porcentaje,

que equivale a una trigésima de diferencia
entre dos notas de un piano,

y un músico de formación
puede hacerlo incluso mejor.

Esta buena discriminación es útil

en nuestra habilidad
para distinguir diferentes voces

y para entender
el matiz de una intervención.

Y, nuevamente,
si el proceso activo se deteriora,

se vuelve más difícil realizar
la comunicación verbal.

Finalmente, el proceso activo es valioso
para configurar una gama muy amplia

de intensidades sonoras
que nuestros oídos pueden tolerar,

desde el más suave sonido que se puede
detectar, como la caída de un lápiz,

hasta el más fuerte que se puede soportar,

como un martillo neumático o un avión.

La amplitud sonora abarca un amplio
espectro de un millón de posibilidades,

que es más de lo abarcado
por cualquier otro sentido.

o por cualquier dispositivo existente
que yo conozca.

Y otra vez, si este sistema se deteriora,

un individuo afectado puede
tener un momento difícil

escuchando el sonida más leve

o tolerando sonidos muy fuertes.

Para entender
cómo hacen esto las células ciliadas,

debemos ubicarnos
dentro de su entorno dentro del oído.

Aprendemos en la escuela
que el órgano para escuchar

es la cóclea, enrollada y
con forma de caracol.

Es un organo del tamaño
aproximado de un garbanzo.

Está incorporado al hueso
en cada lado del cráneo.

También aprendemos que un prisma óptico

puede separar la luz blanca
en las frecuencias que la integran,

que vemos como distintos colores.

De modo análogo,

la cóclea actúa como una especie
de prisma acústico

que divide los sonidos complejos
en las frecuencias que lo componen.

Por eso cuando suena un piano,

diferentes notas se juntan en un acorde.

La cóclea deshace este proceso.

Esta las separa y representa
cada una en una posición diferente.

En esta imagen pueden apreciar
cuando tres notas,

Do central y las dos notas
al extremo de un piano,

son representadas en la cóclea.

La frecuencia más baja alcanza
la parte alta de la cóclea.

Las frecuencia más alta,
que llega a 20 000 hertz,

alcanza la parte baja de la cóclea,

y todas las otras frecuencias se
representan en la mitad entre estas.

Y, como este gráfico muestra,

las notas consecutivas, se representan
con una distancia de decenas de células

a lo largo de la superficie cóclea.

Ahora, esta diferencia de frecuencias

es muy importante en nuestra habilidad
para identificar diferentes sonidos,

porque cada instrumento musical,

cada voz,

emite una constelación
característica de tonos.

La cóclea separa esas frecuencias,

y las 16 000 células ciliadas
informan al cerebro

cuanto de cada una de
las frecuencias está presente.

El cerebro puede comparar
todas las señales nerviosas

y decidir qué tonalidad está escuchando.

Pero esto no explica todo
lo que quiero explicar.

¿Dónde está la magia?

Ya he explicado las grandes cosas
que las células ciliadas pueden hacer.

¿Cómo llevan a cabo el proceso activo

y hacen todas esas funciones
que les mencioné al principio?

La respuesta es la inestabilidad.

Antes pensábamos que
el conjunto de pelos era un objeto pasivo,

que simplemente estaba ahí,
excepto cuando era estimulado.

Pero en realidad, es una máquina activa.

Constantemente utiliza energía interna
para realizar el trabajo mecánico

y mejorar nuestra escucha.

Incluso en reposo,
en la ausencia de cualquier estímulo,

un conjunto de pelos activo
está constantemente vibrando.

moviéndose constantemente de lado a otro.

Pero cuando incluso
un sonido débil se le aplica,

se concentra en ese sonido
y comienza a moverse cuidadosamente

de manera unidireccional con este,

y al hacerlo, amplifica
la señal unas mil veces.

Esta es la misma inestabilidad que
mejora nuestra selección de frecuencias,

una célula ciliada suele oscilar mejor

en la frecuencia en la que
normalmente vibra

cuando no es estimulada.

Entonces, este aparato no solo
nos da nuestra agudeza de oído,

sino que también la aguda afinación.

Yo quiero darles una breve demostración

de algo relacionado con esto.

Voy a pedir a las personas
encargadas del sistema de sonido

que suban la sensibilidad
en una frecuencia específica.

Para que cuando una célula ciliada
se sintonce a una frecuencia,

el amplificador mejorará
una frecuencia particular en mi voz.

Observen cómo algunos tonos específicos
surgen claramente del fondo.

Esto es lo que las células ciliadas hacen.

Cada una amplifica y reporta
una frecuencia específica

e ignora todas las demás.

Y el conjunto completo de células,
como grupo, reportan al cerebro

exactamente las frecuencias que
están en un sonido determinado,

y el cerebro puede determinar
qué melodía está siendo escuchada

o qué conversación está atendiendo.

Un amplificador
como el sistema de megafonía

puede también causar problemas.

Si la amplificación se intensifica mucho

se vuelve inestable y comienza a aullar

o emitir sonidos.

Y uno se pregunta por qué
el proceso activo no hace lo mismo.

¿Por qué nuestros oídos no emiten sonidos?

Y la respuesta es que lo sí lo hacen.

En un ambiente callado,
el 70 % de las personas

tendrán uno o incluso
más sonidos saliendo de sus oídos.

(Risas)

Les daré un ejemplo de esto.

Uds. oirán dos emisiones
en altas frecuencias

saliendo de un oído humano normal.

Uds. también podrán
diferenciar el ruido de fondo,

como el silbido del micrófono,

el sonido del estómago, el latido
del corazón, el ruido de la ropa.

(Hums, silbido de micrófono, griferías
reducidas, ruido de ropa)

Esto es típico.

La mayoría de oídos emiten
un puñado de sonidos,

pero algunas pueden llegar hasta 30.

Cada oído es único, mi oído derecho
es diferente del izquierdo,

mi oído es diferente del suyo,

pero a menos que se deteriore,

continúa emitiendo
el mismo espectro de frecuencias

durante años o incluso décadas.

¿Pero entonces qué está pasando?

Resulta que el oído puede controlar
su propia sensibilidad,

su propia amplificación.

Incluso en un entorno muy ruidoso,
como un evento deportivo

o un concierto musical,

no van a necesitar amplificación,

y el sistema reduce todo el tiempo.

Si están en una sala como este auditorio,

posiblemente van a tener
un poco de amplificación,

pero claro que el sistema de megafonía
hace la mayor parte.

Y si entran a una sala
totalmente silenciosa

donde se puede oír la caída de un alfiler,

el sistema vuelve a incrementarse.

Pero si van a una sala muy silenciosa
como una cámara de sonido,

el sistema se incremente
por sí solo hasta 11,

se vuelve inestable

y comienza a emitir sonidos.

Y estas emisiones constituyen
una demostración contundente

de lo activas que pueden ser
las células ciliadas.

Wn el último minuto, quiero pasar
a otra pregunta que puede surgir.

¿Cuál es el siguiente paso?

Yo diría que aquí hay tres cuestiones

que realmente me gustaría
abordar en el futuro.

La primera: ¿Cuál es el motor molecular

responsable de la amplificación
de la células ciliadas?

De alguna manera, la naturaleza
ha vacilado entre un sistema

que puede oscilar o amplificar a
20 000 ciclos por segundo,

o incluso más.

Eso es mucho más rápido
que cualquier otra oscilación biológica.

Y nos gustaría entender de dónde viene.

Cómo se ajusta la amplificación de las
células ciliadas es la segunda cuestión

para afrontar
las circunstancias acústicas.

¿Quién gira el pomo para
incrementar o reducir la amplificación

en un entorno callado o ruisodo?

Y la tarcera es una
que nos inquieta a todos nosotros,

que es qué podemos hacer respecto
al deterioro de la escucha.

30 millones de estadounidenses,

y más de 400 millones
de personas en el mundo,

tiene a diario un problema significativo

para entender conversaciones
en entornos ruidosos

o en el teléfono.

Muchos tienen mayores deficiencias.

Además, estas deficiencias
tienden a incrementarse con el tiempo,

porque cuando las células ciliadas mueren,

no son reemplazadas por división celular.

Pero sabemos que los animales no
mamíferos pueden reemplazar las células,

y las células de esas criaturas mueren
y son reemplazadas durante su vida,

por lo que mantienen una escucha normal.

Aquí hay un ejemplo de
un pequeño pez cebra.

La célula en la parte de arriba va
experimentará una división

para producir dos nuevas células ciliadas.

Ellas bailan un rato,

después se calman y se ponen a trabajar.

Por eso creemos que si podemos decodificar
las señales moleculares utilizadas

por estos otros animales
para regenerar sus células ciliadas,

podremos hacer lo mismo para los humanos.

Y nuestro equipo y muchos otros
están dedicados a investigar

intentando revivir estas
sorprendentes células ciliadas.

Muchas gracias por su atención.

(Aplausos)