L'orecchio umano, come quelli di altri mammiferi, è così straordinariamente sensibile da poter rilevare le vibrazioni indotte dalle onde sonore del timpano che si muovono di meno della larghezza di un atomo. Ora, i ricercatori del MIT hanno scoperto nuovi importanti dettagli su come l'orecchio raggiunge questa straordinaria capacità di captare suoni deboli.

Le nuove scoperte aiutano a spiegare come le nostre orecchie possono rilevare vibrazioni un milione di volte meno intense di quelle che possiamo rilevare attraverso il senso del tatto, Per esempio. I risultati appaiono sulla rivista Lettere di revisione fisica , in un articolo dello scienziato in visita e autore principale Jonathan Sellon, professore di ingegneria elettrica e autore senior Dennis Freeman, scienziato in visita Roozbeh Ghaffari, e membri del gruppo Grodzinsky al MIT.

Sia la sensibilità dell'orecchio che la sua selettività - la sua capacità di distinguere diverse frequenze del suono - dipendono in modo cruciale dal comportamento di una minuscola struttura gelatinosa nell'orecchio interno chiamata membrana tettoria, che Freeman e i suoi studenti studiano da più di un decennio. Ora, hanno scoperto che il modo in cui la membrana in gel conferisce al nostro udito la sua estrema sensibilità ha a che fare con le dimensioni, rigidità, e distribuzione dei pori su scala nanometrica in quella membrana, e il modo in cui quei nanopori controllano il movimento dell'acqua all'interno del gel.

La membrana tettoria si trova in cima ai minuscoli peli che rivestono l'orecchio interno, o coclea. Questi recettori sensoriali sono disposti in ciuffi ognuno dei quali è sensibile a diverse frequenze del suono, in una progressione lungo la lunghezza della struttura strettamente arricciata. Il fatto che le punte di quei peli siano incastonate nella membrana tettoriale significa che il suo comportamento influenza fortemente il modo in cui quei peli rispondono al suono.

"Meccanicamente, è Jell-O, "Freeman dice, descrivendo la minuscola membrana tettoria, che è più sottile di un capello. Sebbene sia essenzialmente una struttura spugnosa satura fatta principalmente di acqua, "se lo stringi più forte che puoi, non riesci a far uscire l'acqua. È tenuto insieme da forze elettrostatiche, " spiega. Ma sebbene ci siano molti materiali a base di gel nel corpo, compresa la cartilagine, elastina e tendini, la membrana tettoria si sviluppa da un diverso insieme di istruzioni genetiche.

Lo scopo della struttura era inizialmente un puzzle. "Perché vorresti questo?" Sellon dice. Seduto proprio sopra la sensibile struttura di ricezione del suono, "è il tipo di cosa che attutisce la maggior parte dei tipi di microfoni, " dice. "Eppure è essenziale per l'udito, " e qualsiasi difetto nella sua struttura causato da variazioni genetiche può degradare significativamente l'udito di una persona.

Dopo test dettagliati della struttura microscopica, il team ha scoperto che la dimensione e la disposizione dei pori al suo interno, e il modo in cui tali proprietà influenzano il modo in cui l'acqua all'interno del gel si muove avanti e indietro tra i pori in risposta alla vibrazione, rende la risposta dell'intero sistema altamente selettiva. Sia i toni più alti che quelli più bassi che arrivano nell'orecchio sono meno influenzati dall'amplificazione fornita dalla membrana tettoria, mentre le frequenze medie sono più fortemente amplificate.

"È sintonizzato proprio per ottenere il segnale di cui hai bisogno, "Sellon dice, per amplificare i suoni più utili.

Il team ha scoperto che la struttura della membrana tettoriale "sembrava un solido ma si comportava come un liquido, "Dice Freeman, il che ha senso poiché è composto principalmente da liquido. "Quello che stiamo scoprendo è che la membrana tettonica è meno solida di quanto pensassimo". La scoperta chiave, che dice che la squadra non aveva previsto, era che "per le frequenze medie, la struttura si muove come un liquido, ma per le alte e basse frequenze, si comporta solo come un solido."

Globale, i ricercatori sperano che una migliore comprensione di questi meccanismi possa aiutare a escogitare modi per contrastare vari tipi di disabilità uditiva, tramite ausili meccanici come impianti cocleari migliorati, o interventi medici come farmaci che possono alterare i nanopori o le proprietà del fluido nella membrana tettoria. "Se la dimensione dei pori è importante per il funzionamento dell'udito, ci sono cose che potresti fare, "dice Freeman.

"Questo è davvero un lavoro meraviglioso, "dice John S. Oghalai, un professore e una sedia

del dipartimento di otorinolaringoiatria della University of Southern California, che non era associato alla ricerca. "La natura meccanica delle strutture su scala nanometrica dell'orecchio interno è estremamente difficile da studiare ma di fondamentale importanza per l'udito. In questo studio, gli autori mostrano che le proteine ​​all'interno della membrana tectoriale e il fluido interposto tra loro sono "sintonizzati". Questo potrebbe finalmente spiegare come ogni cellula ciliata viene stimolata alla sua frequenza corretta".

Oghalai aggiunge, "questa ricerca è di altissima qualità. Non solo sono stati eseguiti squisiti esperimenti, i dati sono stati modellati matematicamente per sviluppare una profonda comprensione delle loro implicazioni." Una cosa resta da fare, lui dice, è che poiché questi test sono stati eseguiti su tessuto asportato, "Resta da vedere se questi risultati sono rilevanti nel normale orecchio interno degli animali viventi".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.