Los investigadores encuentran que una estructura crítica similar a un gel en el oído interno se mueve de acuerdo con la frecuencia de un sonido.
David L Chandler | Oficina de noticias del MIT
El oído humano, como el de otros mamíferos, es tan extraordinariamente sensible que puede detectar vibraciones del tímpano inducidas por ondas de sonido que se mueven menos del ancho de un átomo. Ahora, los investigadores del MIT han descubierto nuevos e importantes detalles sobre cómo el oído logra esta asombrosa capacidad para captar sonidos débiles.
Los nuevos hallazgos ayudan a explicar cómo nuestros oídos pueden detectar vibraciones un millón de veces menos intensas que las que podemos detectar a través del sentido del tacto, por ejemplo. Los resultados aparecen en la revista Physical Review Letters , en un artículo del científico visitante y autor principal Jonathan Sellon, profesor de ingeniería eléctrica y autor principal Dennis Freeman, el científico visitante Roozbeh Ghaffari y miembros del grupo Grodzinsky del MIT.
Tanto la sensibilidad del oído como su selectividad, su capacidad para distinguir diferentes frecuencias de sonido, dependen de manera crucial del comportamiento de una minúscula estructura gelatinosa en el oído interno llamada membrana tectoria, que Freeman y sus alumnos han estado estudiando durante más de una década. Ahora, han descubierto que la forma en que la membrana de gel le da a nuestra audición su extrema sensibilidad tiene que ver con el tamaño, la rigidez y la distribución de los poros a nanoescala en esa membrana, y la forma en que esos nanoporos controlan el movimiento del agua dentro del gel.
La membrana tectorial se encuentra encima de los diminutos vellos que recubren el oído interno o cóclea. Estos receptores sensoriales están dispuestos en mechones, cada uno de los cuales es sensible a diferentes frecuencias de sonido, en una progresión a lo largo de la estructura fuertemente enrollada. El hecho de que las puntas de esos pelos estén incrustados en la membrana tectorial significa que su comportamiento afecta fuertemente la forma en que esos pelos responden al sonido.
“Mecánicamente, es gelatina”, dice Freeman, describiendo la diminuta membrana tectorial, que es más delgada que un cabello. Aunque es esencialmente una estructura similar a una esponja saturada hecha principalmente de agua, “si la aprietas tan fuerte como puedes, no puedes sacar el agua. Se mantiene unido por fuerzas electrostáticas”, explica. Pero aunque hay muchos materiales a base de gel en el cuerpo, incluidos cartílagos, elastina y tendones, la membrana tectoria se desarrolla a partir de un conjunto diferente de instrucciones genéticas.
Inicialmente, el propósito de la estructura era un rompecabezas. “¿Porqué querrías eso?” dice Sellon. Sentado justo encima de la estructura sensible de captación de sonido, “es el tipo de cosa que amortigua la mayoría de los tipos de micrófonos”, dice. “Sin embargo, es esencial para la audición”, y cualquier defecto en su estructura causado por variaciones genéticas puede degradar significativamente la audición de una persona.
Después de pruebas detalladas de la estructura microscópica, el equipo descubrió que el tamaño y la disposición de los poros dentro de ella, y la forma en que esas propiedades afectan la forma en que el agua dentro del gel se mueve de un lado a otro entre los poros en respuesta a la vibración, hace que la respuesta de todo el sistema. altamente selectivo. Tanto los tonos más altos como los más bajos que llegan al oído se ven menos afectados por la amplificación proporcionada por la membrana tectorial, mientras que las frecuencias medias se amplifican con más fuerza.
“Está sintonizado a la perfección para obtener la señal que necesita”, dice Sellon, para amplificar los sonidos que son más útiles.
Este diagrama muestra cómo funciona la membrana tectorial para mejorar la audición. Los pistones en la parte superior e inferior muestran cómo las variaciones en la presión del fluido dentro del oído interno, lo que hace que se muevan haces de pelos microscópicos (representados como las estructuras negras en el espacio en la parte superior), cada uno de ellos sintonizado con diferentes frecuencias de sonido. La membrana tectorial, cuyas propiedades inusuales estudió el equipo, es la estructura gris sombreada en la parte superior. Animación cortesía del grupo de micromecánica del MIT.
El equipo descubrió que la estructura de la membrana tectoria “parecía un sólido pero se comportaba como un líquido”, dice Freeman, lo cual tiene sentido ya que está compuesta principalmente de líquido. “Lo que estamos encontrando es que la membrana tectorial es menos sólida de lo que pensábamos”. El hallazgo clave, que dice que el equipo no había anticipado, fue que “para las frecuencias medias, la estructura se mueve como un líquido, pero para las frecuencias altas y bajas, solo se comporta como un sólido”.
En general, los investigadores esperan que una mejor comprensión de estos mecanismos pueda ayudar a idear formas de contrarrestar varios tipos de discapacidad auditiva, ya sea a través de ayudas mecánicas como implantes cocleares mejorados o intervenciones médicas como medicamentos que pueden alterar los nanoporos o las propiedades de el fluido en la membrana tectorial. “Si el tamaño de los poros es importante para el funcionamiento de la audición, hay cosas que podría hacer”, dice Freeman.
“Este es un trabajo realmente maravilloso”, dice John S. Oghalai, profesor y presidente
del departamento de otorrinolaringología de la Universidad del Sur de California, que no participó en la investigación. “La naturaleza mecánica de las estructuras a nanoescala del oído interno es extremadamente difícil de estudiar, pero de vital importancia para la audición. En este estudio, los autores muestran que las proteínas dentro de la membrana tectoria y el fluido intercalado entre ellas están ‘sintonizados’. Esto finalmente puede explicar cómo se estimula cada célula ciliada en su frecuencia correcta”.
Oghalai agrega, “esta investigación es de la más alta calidad. No solo se realizaron experimentos exquisitos, los datos se modelaron matemáticamente para desarrollar una comprensión profunda de sus implicaciones”. Una cosa que queda por hacer, dice, es que, dado que estas pruebas se realizaron en tejido extirpado, “queda por ver si estos hallazgos son relevantes en el oído interno normal de los animales vivos”.
Otros autores del artículo incluyen a Mojtaba Azadi, Ramin Oftadeh y Alan Grodzinsky en el MIT y Hadi Tavakoli Nia en el Hospital General de Massachusetts y la Facultad de Medicina de Harvard. Esta investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias.
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Dr. Martin Passen, a dedicated nutrition educator with a master’s in nutrition education and nearing completion of a clinical nutrition and dietetics master’s. Passionate about sharing valuable information effectively.