Zdokonalování hřiště

Jack Freeman pracoval čtyři desetiletí v hlučné továrně na výrobu cihel, ale po léta bylo pro jeho ženu těžké uvěřit, že má ztrátu sluchu. Často zůstával dlouho vzhůru a sledoval televizi – vždy s nízkou hlasitostí. Jak může tvrdit, že mě také neslyší, když si s ním přijdu promluvit? zeptala by se.

Syn Freemanových, Dennis, SM ‘76, PhD ‘86, profesor elektrotechniky na MIT, studuje vnitřní ucho více než 30 let. Ale teprve nedávno se dostal k jádru matčiny otázky. Freemanova laboratoř ve Research Laboratory of Electronics’ Auditory Physiology Group učinila zásadní objev o vnitřním uchu, který pomáhá vysvětlit, proč má Freemanův otec potíže se zvuky z různých zdrojů.

Vědci již dlouho vědí, že lidé ztrácejí schopnost rozlišovat mezi zvuky, když vystavení nadměrnému hluku poškozuje jemné struktury vnitřního ucha. (Problém může být také vrozený.) Ale ještě musí odhalit, proč je vnitřní ucho normálně tak mimořádným senzorem – umožňuje nám slyšet vše od tichého šepotu po řev proudového motoru a rozlišit až 30 tónů. mezi frekvencemi sousedních kláves na klavíru.

Předpokládá se, že tyto pozoruhodné schopnosti vycházejí z kochleárního zesílení, což je proces, při kterém je reakce vnitřního ucha na zvuky zesílena až tisíckrát společným působením 12 000 buněk smyslových receptorů. Mnoho výzkumníků studovalo, jak jednotlivé smyslové buňky – zejména ty známé jako vnější vláskové buňky – pracují na zvětšení zvuků, buď je činí dostatečně hlasitými, aby je bylo možné slyšet, nebo umožňují detekovat nepatrné změny frekvence. Ale vědci teprve začínají chápat, jak různé části ucha interagují s těmito vlasovými buňkami.

V každém uchu je 12 000 smyslových buněk a ty spolu mluví v systému zpětné vazby, říká Freeman. A tento systém je to, co se snažíme pochopit.

Freemanův zájem je osobní i akademický: když ve čtvrté třídě dostal revmatickou horečku, streptomycin používaný k léčbě mu oslabil sluch. Poté, po jeho prvním ročníku na Penn State, jeho sluch dále poškodila letní brigáda ve stejné továrně, kde pracoval jeho otec. Přesto Freeman v 70. letech nepřišel na MIT, aby studoval ucho. Přišel stavět počítače. Pak se setkal s profesorem Campbellem Searlem – autorem své první učebnice obvodů – a uvědomil si, že by mohl elektrotechniku ​​aplikovat na studium sluchu. Freeman spolupracoval se Searlem a dalšími, aby se pokusili vyvinout sluchadla, která usnadňují porozumění zvukům řeči pomocí zpracování signálu, aby za ně udělalo část práce ucha. Ale tento přístup, říká Freeman, prostě nefungoval.

Na začátku 80. let Freeman dospěl k závěru, že existující modely ucha jsou neúplné. Takže místo toho, aby se pokoušel postavit lepší sluchadlo pomocí těchto modelů, pustil se do rychlokurzu neurofyziologie a buněčné fyziologie, aby mohl dělat svůj doktorandský výzkum kochleární hydrodynamiky. Během posledních dvou desetiletí Freeman zdokonalil své modely tak, aby odrážely nové důkazy, jako je objev Williama Brownella z Baylor College of Medicine, že buňky smyslových receptorů fungují jako mechanické zesilovače, které ve skutečnosti generují pohyb ve strukturách vnitřního ucha jako odpověď. zaznít namísto pouhého hlášení zvukem vyvolaných pohybů do mozku.

Nyní Freemanova laboratoř odhalila klíčovou roli, kterou hraje málo srozumitelná část vnitřního ucha. Pomocí chytrého experimentálního uspořádání navrženého postgraduálním studentem Roozbehem Ghaffarim '01, Mng '03 Freemanův tým prokázal, že tektorická membrána, struktura tradičně považovaná za inertní, se ve skutečnosti pohybuje a přenáší vlny, které se šíří přesnou rychlostí, a v směr kolmý ke směru pohybu jiných vln v uchu. Zdá se, že interakce mezi těmito dvěma druhy vln činí vlasové buňky citlivějšími.

Je to velmi zásadní kus práce, říká Rahul Sarpeshkar ‘90, docent elektrotechniky na MIT, který pracuje na bionických uších a kochleárních implantátech. Lidé měli podezření, že tektoriální membrána by mohla být součástí rezonančního systému. Ale až dosud to nikdo nikdy experimentálně neukázal.

Již asi 60 let se studie vnitřního ucha zaměřují na smyslové buňky a jejich interakci s bazilární membránou, skupinou tenkých elastických vláken. Když zvuk vstoupí do ucha, způsobí, že se bazilární membrána pohybuje nahoru a dolů a šíří vlnu. Vlna se rychle šíří podél membrány a dolů spirálovitě tvarovanou částí vnitřního ucha známou jako kochlea, která je po své délce naladěna na různé frekvence. Když vlna dosáhne části kochley naladěné na její frekvenci, zpomalí se. A jak se vlny šíří, stimulují vláskové buňky umístěné nad bazilární membránou, které přeměňují vlny na nervové impulsy a také vibrují způsobem, který zesiluje vlnový pohyb.

Jednotlivé smyslové buňky nemohou samy produkovat kochleární amplifikaci. Aby zjistil, jak spolupracují, Freemanův tým se podíval na tektorální membránu, která leží nad vlasovými buňkami a ve které jsou zapuštěny.

Ale tektorální membránu není snadné studovat. Je to jako deska Jell-O, říká Alexander Aranyosi, PhD ‘02, vědecký pracovník, který na studii pracoval. S membránou, která je zhruba dva centimetry dlouhá, méně než půl milimetru široká a tenčí než lidský vlas, je těžké manipulovat – a je téměř průhledná. Pokud je vystavena vzduchu, scvrkne, protože je z 97 procent tvořena vodou.

Obsah zbývajících 3 procent je však zajímavý. Kromě cukru obsahuje membrána alfa-tektorin a beta-tektorin, dva proteiny, které se nikde jinde nenacházejí; savci, kterým chybí geny, díky nimž mají vrozené vady sluchu. Freeman tedy vyzval Ghaffariho, aby přemýšlel o tom, jak simulovat přirozenou stimulaci tektoriální membrány v laboratoři.

Ghaffari zavěsil půlmilimetrový kousek myší tektoriální membrány přes dvě drobné podpěry, každou o tloušťce 300 mikrometrů, které postavil na podložní sklíčko a umístil do solného roztoku, který simuluje kochleární prostředí. Jedna podpěra je nalepena na sklíčko; druhý je připojen k piezoelektrickému aktuátoru a volně připojen k šoupátku. Když je na pohon přivedeno oscilační napětí, vibruje při odpovídající zvukové frekvenci a pohybuje připojenou podpěrou, což způsobuje, že vlna postupuje po zavěšené membráně. Pomocí stroboskopického zobrazovacího systému vyvinutého dříve ve Freemanově laboratoři a postaveného Aranyosim Ghaffari změřil posunutí membrány v nanometrovém měřítku až několik tisíc cyklů za sekundu – frekvence ideální pro poslech.

Tým pozoroval, že vlny se pohybují ze strany na stranu podél tektoriální membrány (vlny putující podél bazilární membrány se pohybují nahoru a dolů). Vědci také zjistili, že vlny se pohybují podél tektoriální membrány přibližně stejnou rychlostí jako vlny bazilární membrány, které dosáhly části kochley naladěné na jejich frekvenci. Když se dvě vlny pohybují stejnou rychlostí, dává jim to možnost interakce, říká Aranyosi. Mohou obchodovat s energií tam a zpět. Tyto dva druhy vln se pohybují stejnou rychlostí pouze na jednom místě – kde je kochlea naladěna na frekvenci zvuku. Zde je ucho schopno selektivně zesílit, a tím rozlišit, konkrétní frekvenci.

Dalším krokem skupiny je měření těchto interakcí in vivo. Jakmile lépe porozumíme tomu, jak k těmto vlnovým interakcím dochází, můžeme vytvořit naslouchátka, která skutečně opraví skutečný problém, spíše než se jednoduše snažit, aby vše znělo hlasitěji, říká Aranyosi. Vědci také plánují studovat geny, které produkují dva jedinečné proteiny tektorické membrány, aby získali další vodítka o tom, jak funguje kochleární amplifikace.

V nehierarchické laboratoři Freeman se diskuzní témata pohybují od východních filozofií po nové metodologie pro sondování hlemýždě. Všichni se k sobě chováme jako ke kolegům a spolupracovníkům, na rozdíl od profesora a studenta nebo výzkumného vědce a studenta, říká Aranyosi. Každý může něčím přispět a každý má stejný hlas v tom, jak věci děláme.

Z těchto schůzek, kde se všichni jen scházíme s Dennym, vzešlo mnoho jemných nápadů, říká Ghaffari. Přesně takový Denny je.

skrýt