Nanopores ligger til grund for vores evne til at stille ind på en enkelt stemme

Selv i et overfyldt rum fuld af baggrundsstøj, det menneskelige øre er bemærkelsesværdigt dygtig til at indstille sig til en enkelt stemme - en bedrift, der har vist sig bemærkelsesværdigt vanskelig for computere at matche. En ny analyse af de underliggende mekanismer, udført af forskere ved MIT, har givet indsigt, der i sidste ende kan føre til bedre maskinhørelse, og måske også til bedre høreapparater.

Vores ørers selektivitet, det viser sig, stammer fra evolutionens præcise afstemning af en lille membran, inde i det indre øre, kaldet tektorialmembranen. Denne membrans viskositet - dens fasthed, eller mangel på det - afhænger af størrelsen og fordelingen af ​​små porer, kun få titalls nanometer brede. Det her, på tur, giver mekanisk filtrering, der hjælper med at sortere bestemte lyde.

De nye fund er rapporteret i Biofysisk Journal af et team ledet af MIT -kandidatstuderende Jonathan Sellon, og inklusive forsker Roozbeh Ghaffari, tidligere kandidatstuderende Shirin Farrahi, og professor i elektroteknik Dennis Freeman. Holdet samarbejdede med biolog Guy Richardson fra University of Sussex.

Undvigende forståelse

Ved at skelne mellem konkurrerende lyde, det menneskelige øre er "ekstraordinært i forhold til konventionelle tale- og lydgenkendelsesteknologier, "Siger Freeman. De nøjagtige årsager er forblevet undvigende - men betydningen af ​​tektorialmembranen, placeret inde i sneglen, eller indre øre, er blevet klart i de seneste år, stort set gennem Freemans og hans kollegers arbejde. Nu ser det ud til, at en mangelfuld antagelse bidrog til den mangeårige vanskelighed ved at forstå betydningen af ​​denne membran.

Meget af vores evne til at differentiere mellem lyde er frekvensbaseret, Freeman siger - så forskere havde "antaget, at jo bedre vi kunne løse frekvensen, jo bedre kunne vi høre. "Men denne antagelse viser sig ikke altid at være sand.

Faktisk, Freeman og hans medforfattere fandt tidligere ud af, at tektorielle membraner med en vis genetisk defekt faktisk er meget følsomme over for variationer i frekvens-og resultatet er dårligere hørelse, ikke bedre.

MIT -teamet fandt "en grundlæggende afvejning mellem, hvor godt du kan løse forskellige frekvenser, og hvor lang tid det tager at gøre det, "Freeman forklarer. Det gør den finere frekvensdiskrimination for langsom til at være nyttig i virkelige lydselektivitet.

For hurtigt for neuroner

Tidligere arbejde af Freeman og kolleger har vist, at tektorialmembranen spiller en grundlæggende rolle i lyddiskrimination ved at bære bølger, der stimulerer en bestemt slags sensorisk receptor. Denne proces er afgørende for at tyde konkurrerende lyde, men det foregår for hurtigt til, at neurale processer kan holde trit. Natur , i løbet af evolutionen, synes at have produceret et meget effektivt elektromekanisk system, Freeman siger, der kan følge med hastigheden på disse lydbølger.

Det nye værk forklarer, hvordan membranens struktur bestemmer, hvor godt den filtrerer lyd. Teamet undersøgte to genetiske varianter, der forårsager, at nanoporer i tektorialmembranen er mindre eller større end normalt. Porestørrelsen påvirker membranens viskositet og dens følsomhed over for forskellige frekvenser.

Tektorialmembranen er svampeagtig, fyldt med små porer. Ved at studere, hvordan dens viskositet varierer med porestørrelse, teamet var i stand til at bestemme, at den typiske porestørrelse observeret hos mus - cirka 40 nanometer på tværs - repræsenterer en optimal størrelse til at kombinere frekvensdiskrimination med generel følsomhed. Store eller mindre porer nedsætter hørelsen.

"Det ændrer virkelig vores måde at tænke på denne struktur, "Siger Ghaffari. De nye fund viser, at væskets viskositet og porer faktisk er afgørende for dets ydeevne. Ændring af størrelsen af ​​tektorial membran nanoporer, via biokemisk manipulation eller andre midler, kan give unikke måder at ændre hørfølsomhed og frekvensdiskriminering på.

William Brownell, professor i otolaryngologi ved Baylor College of Medicine, siger, "Dette er den første undersøgelse, der antyder, at porøsitet kan påvirke cochlear tuning." Dette arbejde, tilføjer han, "kunne give indsigt" i udviklingen af ​​specifikke høreproblemer.

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.