Mekanisme hjælper med at forklare ørernes udsøgte følsomhed

Det menneskelige øre, ligesom andre pattedyrs er så overordentlig følsom, at den kan registrere lydbølge-inducerede vibrationer i trommehinden, der bevæger sig mindre end atomets bredde. Nu, forskere ved MIT har opdaget vigtige nye detaljer om, hvordan øret opnår denne fantastiske evne til at opfange svage lyde.

De nye fund hjælper med at forklare, hvordan vores ører kan registrere vibrationer, der er en million gange mindre intense end dem, vi kan registrere gennem følelsen af ​​berøring, for eksempel. Resultaterne vises i journalen Fysisk gennemgangsbreve , i et papir af gæsteforsker og hovedforfatter Jonathan Sellon, professor i elektroteknik og seniorforfatter Dennis Freeman, gæsteforsker Roozbeh Ghaffari, og medlemmer af Grodzinsky -gruppen på MIT.

Både ørets følsomhed og dets selektivitet - dets evne til at skelne forskellige lydfrekvenser - afhænger afgørende af adfærden for en lille gelatinøs struktur i det indre øre kaldet tektorialmembranen, som Freeman og hans studerende har studeret i mere end et årti. Nu, de har fundet ud af, at den måde gelmembranen giver vores hørelse sin ekstreme følsomhed har at gøre med størrelsen, stivhed, og distribution af porer i nanoskala i denne membran, og den måde, disse nanoporer styrer vandets bevægelse inden i gelen.

Tektorialmembranen ligger oven på de små hår, der beklæder det indre øre, eller cochlea. Disse sensoriske receptorer er arrangeret i tuer, der hver især er følsomme over for forskellige lydfrekvenser, i en progression langs længden af ​​den tæt krøllede struktur. Den kendsgerning, at spidserne af disse hår er indlejret i tektorialmembranen, betyder, at dens adfærd stærkt påvirker den måde, disse hår reagerer på lyd.

"Mekanisk, det er Jell-O, "Freeman siger, beskriver den lille tektorielle membran, som er tyndere end et hår. Selvom det i det væsentlige er en mættet svampeagtig struktur, der hovedsageligt består af vand, "hvis du presser det så hårdt som du kan, du kan ikke få vandet ud. Det holdes sammen af ​​elektrostatiske kræfter, "forklarer han. Men selvom der er mange gelbaserede materialer i kroppen, herunder brusk, elastin og sener, tektorialmembranen udvikler sig fra et andet sæt genetiske instruktioner.

Formålet med strukturen var oprindeligt et puslespil. "Hvorfor vil du det?" Sellon siger. Sidder lige oven på den følsomme lydoptagelsesstruktur, "det er den slags ting, der dæmper de fleste slags mikrofoner, "siger han." Alligevel er det vigtigt for at høre, "og eventuelle defekter i dets struktur forårsaget af genvariationer kan forringe en persons hørelse betydeligt.

Efter detaljerede test af den mikroskopiske struktur, teamet fandt ud af, at størrelsen og arrangementet af porer i det, og den måde, disse egenskaber påvirker, hvordan vand i gelen bevæger sig frem og tilbage mellem porerne som reaktion på vibrationer, gør hele systemets reaktion meget selektiv. Både de højeste og laveste toner, der kommer ind i øret, påvirkes mindre af forstærkningen fra tektorialmembranen, mens de midterste frekvenser forstærkes kraftigere.

"Det er indstillet helt rigtigt for at få det signal, du har brug for, "Sellon siger, at forstærke de lyde, der er mest nyttige.

Teamet fandt ud af, at tektorialmembranens struktur "lignede et fast stof, men opførte sig som en væske, "Freeman siger - hvilket giver mening, da det hovedsageligt består af væske." Det, vi finder, er, at tektorialmembranen er mindre solid, end vi troede. "Det centrale fund, som han siger, at holdet ikke havde regnet med, var det "for mellemfrekvenser, strukturen bevæger sig som en væske, men for høje og lave frekvenser, det opfører sig kun som et fast stof. "

Samlet set, forskerne håber, at en bedre forståelse af disse mekanismer kan hjælpe med at udtænke måder at modvirke forskellige former for høretab - enten gennem mekaniske hjælpemidler såsom forbedrede cochleaimplantater, eller medicinske indgreb såsom lægemidler, der kan ændre nanoporer eller væskens egenskaber i tektorialmembranen. "Hvis porernes størrelse er vigtig for hørelsen, der er ting du kan gøre, "Siger Freeman.

"Det er virkelig et fantastisk arbejde, "siger John S. Oghalai, professor og formand

fra afdelingen for otolaryngologi ved University of Southern California, som ikke var tilknyttet forskningen. "Den mekaniske karakter af nanoskala strukturer i det indre øre er ekstremt svært at studere, men kritisk vigtig for at høre. I denne undersøgelse, forfatterne viser, at proteinerne i tektorialmembranen og væsken mellem dem er 'tunet'. Dette kan endelig forklare, hvordan hver hårcelle stimuleres med sin korrekte frekvens. "

Oghalai tilføjer, "denne forskning er af højeste kvalitet. Ikke alene blev der udført udsøgte eksperimenter, dataene blev matematisk modelleret for at udvikle en dyb forståelse af deres implikationer. "En ting, der mangler at blive gjort, han siger, er, at da disse tests blev udført på udskåret væv, "det er tilbage at se, om disse fund er relevante i det normale indre øre for levende dyr."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.