Frumoasa și misterioasa știință a auzului

V-ați întrebat vreodată cum funcționează urechile? În această discuție încântătoare și fascinantă, biofizicianul Jim Hudspeth demonstrează mecanica minunat de simplă, dar uimitor de puternică a celulelor păroase, motoarele celulare microscopice care fac posibil auzul - și explică cum, atunci când este cu adevărat liniște, urechile tale vor începe să emită un spectru de sunete unic.

Mă auziți bine?

Audiența: Da.

Dacă puteți, e chiar uimitor,

pentru că vocea mea
schimbă presiunea aerului unde stați

cu doare câteva miliardimi
din nivelul atmosferic,

și totuși considerăm firesc

că urechile noastre pot capta
acest semnal infinitezimal

pentru a transmite creierului
gama completă de experiențe auditive:

vocea umană, muzica, mediul înconjurător.

Cum fac urechile asta?

Și răspunsul este:

cu ajutorul celulelor
care sunt subiectul acestei prezentări:

receptorii senzoriali ai urechilor,

care se numesc „celule păroase”.

Aceste celule au un nume nefericit,

deoarece nu au nimic de-a face
cu genul de păr

din care eu am din ce în ce mai puțin.

Au fost numite astfel
de primii microscopiști

care au observat că la un capăt al celulei

era un mic grup de peri.

Folosind microscopia electronică modernă
putem vedea mult mai bine

caracteristica specială
care dă numele celulei.

Acesta e smocul de păr.

Acesta e un grup de 20 până la câteva sute
de tije fine cilindrice

care stau drepte
la capătul superior al celulei.

Acest sistem e responsabil
pentru faptul că mă auziți acum.

Trebuie să spun că sunt cumva
îndrăgostit de aceste celule.

Am petrecut 45 de ani în compania lor...

(Râsete)

în parte și pentru că sunt frumoase.

Au un element estetic.

Aici, spre exemplu, sunt celulele

cu care aude un pui obișnuit.

Acestea sunt celule folosite
de un liliac pentru sonarul lui.

Noi folosim aceste celule lungi
de la o broască în experimentele noastre.

Celulele păroase se găsesc
chiar și la cei mai primitivi pești,

iar cele ale reptilelor au adesea
această structură ordonată

foarte frumoasă, aproape cristalină.

Dar mai presus de această frumusețe,

smocul de păr e o antenă.

E un mecanism care transformă
vibrațiile sonore în răspunsuri electrice

pe care creierul să le poată interpreta.

În partea superioară a fiecărui mănunchi,
cum puteți vedea în această imagine,

e un fir subțire care conectează
fiecare păr mic

sau stereocil.

E indicat aici cu un mic triunghi roșu.

Și acest filament are la bază
câteva canale ionice,

adică niște proteine ce acoperă membrana.

Iată cum funcționează.

Această capcană pentru șobolani
reprezintă un canal ionic.

Are un por prin care trec
ioni de potasiu și de calciu.

Are o mică poartă moleculară
care poate fi deschisă sau închisă.

Poziția sa e stabilită de această bandă
elastică ce reprezintă acel filament.

Imaginați-vă că acest braț
reprezintă un stereocil,

iar acest braț îl reprezintă
pe cel adiacent, mai scurt

cu banda elastică între ele.

Când energia sonoră afectează
smocul de păr,

îl împinge spre marginea mai înaltă.

Alunecarea stereocililor
încordează legătura

până când canalele se deschid
și ionii intră în celulă.

Când smocul de păr e împins
în direcția opusă,

canalele se închid.

Și, cel mai important,

o mișcare înainte și înapoi
a smocului de fire,

precum cea din timpul recepționării
undelor acustice,

deschide și închide alternativ canalul,

și fiecare deschidere permite intrarea
a milioane și milioane de ioni în celulă.

Aceștii ioni formează un curent electric

care stimulează celula.

Stimularea trece la o fibră nervoasă

și apoi se propagă în creier.

Observați că intensitatea sunetului

e reprezentată
de amploarea acestui răspuns.

Un sunet mai puternic
împinge smocul de păr mai departe,

deschide mai mult timp canalul,

lasă mai mulți ioni înăuntru

și dă naștere unui răspuns mai mare.

Acest mod de acțiune
are avantajul unei viteze mai mari.

Câteva simțuri, precum vederea,

folosesc reacții chimice
care necesită timp.

Și în consecință,

dacă vă arăt o serie de imagini
cu o viteză de 20 sau 30 pe secundă

aveți impresia unei imagini continue.

Deoarece nu folosește reacții chimice,

celula păroasă e de o mie de ori
mai rapidă decât celelalte simțuri.

Putem auzi sunete la frecvențe
de până la 20.000 cicluri pe secundă,

unele animale au urechi chiar mai rapide.

Urechile liliecilor și balenelor,
de exemplu, răspund pulsurilor sonare

la 15.000 cicluri pe secundă.

Dar viteza nu explică cu totul
de ce funcționează urechea atât de bine.

Se dovedește că auzul nostru
beneficiază de un amplificator,

ceva numit „proces activ”.

Procesul activ ne îmbunătățește auzul

și face posibile toate caracteristicile
remarcabile pe care le-am menționat.

Să vă spun cum funcționează.

În primul rând, procesul activ
amplifică sunetul

astfel auziți
sunete care mișcă smocul de fire

pe o distanță
de doar trei zecimi de nanometru.

Acesta e diametrul
unei molecule de apă.

E într-adevăr uimitor.

Sistemul poate acționa

într-o gamă dinamică enorm de largă.

De ce avem nevoie de această amplificare?

Amplificarea, în timpuri străvechi,
a fost de folos

pentru că era important să auzim tigrul
înainte ca el să ne poată auzi.

Și acum e esențial ca sistem
de avertizare timpurie la distanță.

E important să poți auzi
alarme de incendiu

sau pericole contemporane precum mașini
de pompieri sau de poliție etc.

Când amplificarea e redusă,
sensibilitatea noastră auditivă scade,

și o persoană poate avea nevoie
de un aparat auditiv electronic

pentru a-l înlocui pe cel biologic
deteriorat.

Acest proces activ îmbunătățește
și selectivitatea noastră de frecvență.

Chiar și un individ neinstruit
poate distinge două tonuri

care diferă
cu numai două zecimi de procent,

ceea ce reprezintă a 30-a parte
din diferența dintre două note de pian,

iar un muzician instruit
se poate descurca chiar mai bine.

Această ușoară discriminare e utilă

în capacitatea noastră
de a distinge voci diferite

și de a înțelege nuanțele vorbirii.

Dacă procesul activ se deteriorează,

devine mai dificilă comunicarea verbală.

Procesul activ e important
în stabilirea gamei foarte largi

de intensități sonore
pe care urechile noastre le pot tolera,

de la cel mai slab sunet ce îl putem auzi,
precum un stilou care cade,

la cel mai puternic sunet
pe care îl putem suporta,

să zicem un picamer
sau un avion cu reacție.

Amplitudinea sunetelor se întinde
pe o gamă de un milion de tonuri,

ceea ce e mai cuprinzător
decât orice alt simț

sau decât orice dispozitiv artificial
din câte cunosc.

Dacă acest sistem se deteriorează,

un individ afectat poate avea dificultăți

să audă sunetele foarte slabe

sau să le suporte pe cele mai puternice.

Pentru a înțelege cum își îndeplinesc
funcția celulelor păroase,

trebuie să le privim
în mediul lor din interiorul urechii.

Învățăm la școală că organul auzului

e cohleea ce are formă de melc.

E un organ cam de mărimea
unui bob de năut.

E încorporat în os,
de o parte și de alta a craniului.

Am învățat și că o prismă optică

poate separa lumina albă
în frecvențele sale constitutive,

pe care le vedem ca culori distincte.

În mod analog,

cohleea acționează
ca un fel de o prismă acustică

ce separă sunetele complexe
în frecvențele lor componente.

Când se aude un pian,

diferite note se amestecă
împreună într-un acord.

Cohleea anulează acest proces.

Le separă și le reprezintă
pe fiecare într-o poziție diferită.

În această imagine vedeți trei note,

nota Do din mijloc
și alte două note extreme de la un pian

sunt reprezentate în cohlee.

Frecvențele cele mai joase
ajung până în vârful cohleei.

Frecvențele cele mai înalte,
până la 20.000 Hz,

ajung până la baza cohleei,

și orice altă frecvență
e reprezentată undeva la mijloc.

Așa cum arată această diagramă,

tonurile alăturate sunt reprezentate
la câteva zeci de celule distanță

pe suprafața cohleei.

Această separare a frecvențelor

e cheia pentru a identifica
diferite sunete,

pentru că fiecare instrument muzical,

fiecare voce,

emite o gamă distinctă de tonuri.

Cohleaa separă aceste frecvențe,

și cele 16.000 de celule păroase
raportează creierului

nivelul fiecărei frecvențe.

Creierul poate apoi compara
toate semnalele nervoase

și decide ce ton e auzit.

Dar acest lucru nu explică
tot ce vreau să explic.

Unde e magia?

V-am spus deja despre lucrurile grozave
pe care le pot face celulele păroase.

Cum are loc procesul activ

și toate caracteristicile remarcabile
pe care le-am menționat?

Răspunsul este instabilitatea.

Obișnuiam să credem că smocul de fire
e un obiect pasiv,

doar stă acolo, mai puțin când e stimulat.

De fapt, e un mecanism activ.

Folosește constant energia internă
pentru a face lucruri mecanice

și să ne sporească auzul.

Chiar și în repaus,
în absența oricărui stimul,

un smoc de fire e activ continuu.

Se mișcă constant înainte și înapoi.

Dar chiar și când i se aplică
un sunet slab

se agață de acel sunet
și începe să se miște ușor

într-un mod sincron,

și astfel, amplifică semnalul
de o mie de ori.

Aceeași instabilitate îmbunătățește
și selectivitatea noastră,

deoarece se asigură ca fiecare celulă
să vibreze cel mai bine

la frecvența la care vibrează
în mod normal

când nu e stimulată.

Acest aparat ne oferă
nu numai un auz foarte sensibil,

dar are și o specificitate foarte precisă.

Vreau să vă ofer o scurtă demonstrație

legată de acest lucru.

Îi voi ruga pe oamenii
care folosesc sistemul de sunet

să-i ridice sensibilitatea
la o frecvență specifică.

La fel cum o celulă e reglată
la o frecvență,

amplificatorul va spori
o anumită frecvență din vocea mea.

Observați cum apar tonuri specifice
mai clar din fundal.

Exact asta fac celulele păroase.

Fiecare celulă amplifică și descrie
o frecvență specifică

și le ignoră pe celelalte.

Întregul set de celule,
ca grup, poate raporta creierului

frecvențele exacte
prezente într-un sunet dat,

iar creierul poate determina
ce melodie se aude

sau ce discurs are loc.

Un amplificator
precum cel folosit în sistemele audio

poate provoca probleme.

Dacă amplificarea e prea mare,

e instabilă și începe să țiuie

sau emite sunete.

Și ne putem întreba de ce procesul activ
nu face același lucru.

De ce urechile nu transmit
înapoi sunetele?

Răspunsul e că o fac.

Într-un mediu suficient de liniștit,
70% din oamenii obișnuiți

vor scoate pe urechi
unul sau mai multe sunete.

(Râsete)

Vă dau un exemplu.

Veți auzi două emisii la frecvențe înalte

provenind dintr-o ureche umană normală.

Puteți distinge zgomotul de fundal

precum șuieratul microfonului,

bolboroseala stomacului,
bătăile inimii, foșnetul hainelor.

(Zumzet, șuieratul microfonului,
robinet, foșnet de haine)

Acest lucru e tipic.

Majoritatea urechilor
emit doar câteva tonuri,

dar unele pot emite până la 30.

Fiecare ureche e unică,
urechea mea dreaptă e diferită de stânga,

urechile mele
sunt diferite de ale voastre,

dar dacă o ureche nu e deteriorată,

continuă să emită
același spectru de frecvențe

pe o perioadă de ani
sau chiar zeci de ani.

Deci ce se întâmplă?

Se pare că urechea
își poate controla propria sensibilitate,

propria sa amplificare.

Dacă vă aflați într-un mediu zgomotos,
precum un eveniment sportiv

sau un concert de muzică,

nu aveți nevoie de amplificare,

iar sistemul este oprit de tot.

Dacă sunteți într-o cameră ca aceasta

s-ar putea să aveți puțină amplificare,

dar sistemul audio face treaba
pentru voi, în mare parte.

Dacă intrați într-o cameră liniștită,

unde puteți auzi și un ac căzând,

sistemul e pornit aproape complet.

Dacă intrați într-o cameră liniștită,
precum o cameră izolată fonic,

sistemul funcționează la 110%,

devine instabil,

și începe să emită sunete.

Aceste emisii sunt
o demonstrație puternică

cât de active pot fi celulele păroase.

La final, vreau să abordez
o altă întrebare ce ar putea surveni:

„Ce urmează?”

Aș spune că sunt trei probleme

pe care mi-ar plăcea
să le abordez în viitor.

Prima: „Care e motorul molecular

responsabil de amplificarea
celulelor păroase?”

Cumva, natura s-a împiedicat de un sistem

care poate oscila sau crește
la 20.000 de cicluri pe secundă,

sau chiar mai mult.

E mult mai rapid
decât oricare altă oscilație biologică

și am vrea să înțelegem de unde vine.

A doua problemă: cum e reglată
amplificarea celulelor păroase

pentru a face față
circumstanțelor acustice.

Cine întoarce butonul pentru a crește
sau a scădea amplificarea

într-un mediu liniștit sau zgomotos?

A treia problemă ne privește pe toți:

respectiv ce putem face cu privire
la deteriorarea auzului nostru.

30 milioane de americani

și alți 400 de milioane de oameni
din întreaga lume,

au zilnic probleme semnificative

cu înțelegerea vorbirii
într-un mediu zgomotos

sau la telefon.

Mulți au deficiențe și mai grave.

Aceste deficiențe au tendința
de a se înrăutăți în timp,

fiindcă atunci când celulele păroase mor,

nu sunt înlocuite prin diviziune celulară.

Dar știm că animalele non-mamifere,
își pot înlocui celulele,

celulele lor păroase mor
și sunt înlocuite de-a lungul vieții,

astfel, animalele
își mențin un auz normal.

Iată un exemplu de la un peștișor-zebră.

Celula din vârf se va diviza

pentru a produce două celule păroase noi.

Dansează puțin,

apoi se liniștesc și trec la treabă.

Credem că dacă decodăm
semnalele moleculare

utilizate de aceste animale
pentru regenerarea celulelor păroase,

vom putea face același lucru
pentru oameni.

Grupul nostru, dar și altele, cercetează

și încearcă să învie
aceste celule păroase uimitoare.

Vă mulțumesc pentru atenția acordată!

(Aplauze)