Questa immagine al microscopio ottico raffigura il moto ondoso in una sezione trasversale della membrana tectoriale, parte dell'orecchio interno. Questa membrana è un gel in microscala, più piccolo in larghezza di un singolo capello umano, e svolge un ruolo chiave nella stimolazione dei recettori sensoriali dell'orecchio interno. Le onde che viaggiano su questa membrana controllano la nostra capacità di separare i suoni di tonalità e intensità variabili. Credito:MIT/Gruppo di micromeccanica
Anche in una stanza affollata e piena di rumore di fondo, l'orecchio umano è straordinariamente abile nel sintonizzarsi su una singola voce, un'impresa che si è rivelata molto difficile da eguagliare per i computer. Una nuova analisi dei meccanismi sottostanti, condotto da ricercatori del MIT, ha fornito spunti che alla fine potrebbero portare a un migliore udito della macchina, e forse anche ad apparecchi acustici migliori.
La selettività delle nostre orecchie, si scopre, nasce dalla precisa messa a punto dell'evoluzione di una minuscola membrana, all'interno dell'orecchio interno, chiamata membrana tettoria. La viscosità di questa membrana, la sua fermezza, o mancanza di ciò, dipende dalle dimensioni e dalla distribuzione dei piccoli pori, solo poche decine di nanometri di larghezza. Questo, a sua volta, fornisce un filtraggio meccanico che aiuta a selezionare suoni specifici.
Le nuove scoperte sono riportate nel Giornale Biofisico da un team guidato dallo studente laureato del MIT Jonathan Sellon, e tra cui il ricercatore Roozbeh Ghaffari, l'ex studentessa Shirin Farrahi, e professore di ingegneria elettrica Dennis Freeman. Il team ha collaborato con il biologo Guy Richardson dell'Università del Sussex.
Comprensione sfuggente
Nel discriminare tra suoni in competizione, l'orecchio umano è "straordinario rispetto alle tradizionali tecnologie di riconoscimento del parlato e del suono, "Dice Freeman. Le ragioni esatte sono rimaste elusive, ma l'importanza della membrana tettoria, situato all'interno della coclea, o orecchio interno, è diventato chiaro negli ultimi anni, in gran parte attraverso il lavoro di Freeman e dei suoi colleghi. Ora sembra che un'ipotesi errata abbia contribuito all'annosa difficoltà nel comprendere l'importanza di questa membrana.
Gran parte della nostra capacità di differenziare i suoni è basata sulla frequenza, Freeman dice, quindi i ricercatori avevano "assunto che meglio potevamo risolvere la frequenza, meglio potremmo sentire." Ma questa ipotesi si rivela non sempre essere vera.
Infatti, Freeman e i suoi coautori avevano precedentemente scoperto che le membrane tettoniche con un certo difetto genetico sono in realtà molto sensibili alle variazioni di frequenza e il risultato è un udito peggiore, non meglio.
Il team del MIT ha trovato "un compromesso fondamentale tra quanto bene si possono risolvere diverse frequenze e quanto tempo ci vuole per farlo, " spiega Freeman. Ciò rende la discriminazione di frequenza più fine troppo lenta per essere utile nella selettività del suono nel mondo reale.
Troppo veloce per i neuroni
Il lavoro precedente di Freeman e colleghi ha dimostrato che la membrana tettoria svolge un ruolo fondamentale nella discriminazione del suono trasportando onde che stimolano un particolare tipo di recettore sensoriale. Questo processo è essenziale per decifrare suoni in competizione, ma avviene troppo rapidamente perché i processi neurali tengano il passo. Natura , nel corso dell'evoluzione, sembra aver prodotto un sistema elettromeccanico molto efficace, Freeman dice, che può tenere il passo con la velocità di queste onde sonore.
Il nuovo lavoro spiega come la struttura della membrana determina quanto bene filtra il suono. Il team ha studiato due varianti genetiche che fanno sì che i nanopori all'interno della membrana tettoriale siano più piccoli o più grandi del normale. La dimensione dei pori influenza la viscosità della membrana e la sua sensibilità alle diverse frequenze.
La membrana tettoria è spugnosa, crivellato di minuscoli pori. Studiando come la sua viscosità varia con la dimensione dei pori, il team è stato in grado di determinare che la tipica dimensione dei pori osservata nei topi, circa 40 nanometri di diametro, rappresenta una dimensione ottimale per combinare la discriminazione di frequenza con la sensibilità complessiva. I pori più grandi o più piccoli compromettono l'udito.
"Cambia davvero il modo in cui pensiamo a questa struttura, " dice Ghaffari. Le nuove scoperte mostrano che la viscosità del fluido e i pori sono in realtà essenziali per le sue prestazioni. Cambiando le dimensioni dei nanopori della membrana tettoriale, tramite manipolazione biochimica o altri mezzi, può fornire modi unici per alterare la sensibilità dell'udito e la discriminazione di frequenza.
William Brownell, professore di otorinolaringoiatria al Baylor College of Medicine, dice, "Questo è il primo studio a suggerire che la porosità può influenzare l'accordatura cocleare". Questo lavoro, Aggiunge, "potrebbe fornire informazioni" sullo sviluppo di specifici problemi di udito.
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.
