Het menselijk oor, zoals die van andere zoogdieren, is zo buitengewoon gevoelig dat het door geluidsgolven veroorzaakte trillingen van het trommelvlies kan detecteren die minder dan de breedte van een atoom bewegen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben belangrijke nieuwe details ontdekt over hoe het oor dit verbazingwekkende vermogen bereikt om zwakke geluiden op te vangen.

De nieuwe bevindingen helpen verklaren hoe onze oren trillingen kunnen detecteren die een miljoen keer minder intens zijn dan die we kunnen detecteren via de tastzin, bijvoorbeeld. De resultaten verschijnen in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , in een paper van gastwetenschapper en hoofdauteur Jonathan Sellon, hoogleraar elektrotechniek en senior auteur Dennis Freeman, gastwetenschapper Roozbeh Ghaffari, en leden van de Grodzinsky-groep aan het MIT.

Zowel de gevoeligheid als de selectiviteit van het oor - het vermogen om verschillende frequenties van geluid te onderscheiden - hangen in grote mate af van het gedrag van een minuscule gelatineuze structuur in het binnenoor, het tectoriale membraan genaamd, die Freeman en zijn studenten al meer dan tien jaar bestuderen. Nutsvoorzieningen, ze hebben ontdekt dat de manier waarop het gelmembraan ons gehoor zijn extreme gevoeligheid geeft, te maken heeft met de grootte, stijfheid, en verdeling van poriën op nanoschaal in dat membraan, en de manier waarop die nanoporiën de beweging van water in de gel regelen.

Het tectoriale membraan ligt bovenop de kleine haartjes die het binnenoor bekleden, of slakkenhuis. Deze sensorische receptoren zijn gerangschikt in bosjes die elk gevoelig zijn voor verschillende geluidsfrequenties, in een opeenvolging langs de lengte van de strak gekrulde structuur. Het feit dat de toppen van die haren in het tectoriale membraan zijn ingebed, betekent dat het gedrag ervan een grote invloed heeft op de manier waarop die haren op geluid reageren.

"Mechanisch, het is Jell-O, "Vrijman zegt, het beschrijven van het kleine tectoriale membraan, die dunner is dan een haar. Hoewel het in wezen een verzadigde sponsachtige structuur is die grotendeels uit water bestaat, "Als je er zo hard mogelijk in knijpt, je krijgt het water er niet uit. Het wordt bij elkaar gehouden door elektrostatische krachten, " legt hij uit. Maar hoewel er veel op gel gebaseerde materialen in het lichaam zijn, inclusief kraakbeen, elastine en pezen, het tectoriale membraan ontwikkelt zich uit een andere reeks genetische instructies.

Het doel van de structuur was aanvankelijk een puzzel. "Waarom zou je dat willen?" zegt Sellon. Zittend bovenop de gevoelige geluidsopnamestructuur, "het is het soort ding dat de meeste soorten microfoons dempt, "zegt hij. "Toch is het essentieel om te horen, " en eventuele defecten in de structuur veroorzaakt door genvariaties kunnen het gehoor van een persoon aanzienlijk verslechteren.

Na gedetailleerde tests van de microscopische structuur, het team ontdekte dat de grootte en rangschikking van de poriën erin, en de manier waarop die eigenschappen van invloed zijn op hoe water in de gel heen en weer beweegt tussen de poriën als reactie op trillingen, maakt de respons van het hele systeem zeer selectief. Zowel de hoogste als de laagste tonen die in het oor komen, worden minder beïnvloed door de versterking die door het tectoriaal membraan wordt geleverd, terwijl de middenfrequenties sterker worden versterkt.

"Het is precies goed afgesteld om het signaal te krijgen dat je nodig hebt, "Sellen zegt, om de geluiden te versterken die het nuttigst zijn.

Het team ontdekte dat de structuur van het tectoriale membraan "er uitzag als een vaste stof, maar zich gedroeg als een vloeistof, " zegt Freeman - wat logisch is omdat het voornamelijk uit vloeistof bestaat. "Wat we ontdekken is dat het tectoriale membraan minder stevig is dan we dachten." De belangrijkste bevinding, waarvan hij zegt dat het team niet had verwacht, was dat "voor middenfrequenties, de structuur beweegt als een vloeistof, maar voor hoge en lage frequenties, het gedraagt ​​zich alleen als een vaste stof."

Algemeen, de onderzoekers hopen dat een beter begrip van deze mechanismen kan helpen bij het bedenken van manieren om verschillende soorten gehoorbeschadiging tegen te gaan - hetzij door mechanische hulpmiddelen zoals verbeterde cochleaire implantaten, of medische ingrepen zoals medicijnen die de nanoporiën of de eigenschappen van de vloeistof in het tectoriaal membraan kunnen veranderen. "Als de grootte van de poriën belangrijk is voor het functioneren van het gehoor, er zijn dingen die je zou kunnen doen, ' zegt Freemans.

"Dit is echt prachtig werk, " zegt John S. Oghalai, een professor en voorzitter

van de afdeling KNO van de Universiteit van Zuid-Californië, die niet bij het onderzoek betrokken was. "De mechanische aard van de nanoschaalstructuren van het binnenoor is extreem moeilijk te bestuderen, maar van cruciaal belang voor het gehoor. In deze studie, de auteurs laten zien dat de eiwitten in het tectoriale membraan en de vloeistof daartussen 'afgestemd' zijn. Dit kan eindelijk verklaren hoe elke haarcel op de juiste frequentie wordt gestimuleerd."

Oghalai voegt toe, "dit onderzoek is van de hoogste kwaliteit. Er werden niet alleen voortreffelijke experimenten uitgevoerd, de gegevens werden wiskundig gemodelleerd om een ​​diep begrip van hun implicaties te ontwikkelen." Eén ding moet nog worden gedaan, hij zegt, is dat aangezien deze tests werden gedaan op uitgesneden weefsel, "het valt nog te bezien of deze bevindingen relevant zijn in het normale binnenoor van levende dieren."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.