Zelfs in een overvolle kamer vol achtergrondgeluid, het menselijk oor is opmerkelijk bedreven in het afstemmen op een enkele stem - een prestatie die opmerkelijk moeilijk is gebleken voor computers om te evenaren. Een nieuwe analyse van de onderliggende mechanismen, uitgevoerd door onderzoekers van het MIT, inzichten heeft opgeleverd die uiteindelijk kunnen leiden tot beter machinaal horen, en misschien ook naar betere hoortoestellen.

De selectiviteit van onze oren, het blijkt, komt voort uit de nauwkeurige afstemming van een klein membraan door de evolutie, in het binnenoor, het tectoriaal membraan genoemd. De viscositeit van dit membraan - zijn stevigheid, of het ontbreken daarvan - hangt af van de grootte en verdeling van kleine poriën, slechts enkele tientallen nanometers breed. Dit, beurtelings, biedt mechanische filtering die helpt bij het sorteren van specifieke geluiden.

De nieuwe bevindingen worden gerapporteerd in de Biofysisch tijdschrift door een team onder leiding van MIT-afgestudeerde student Jonathan Sellon, en inclusief onderzoekswetenschapper Roozbeh Ghaffari, voormalig afgestudeerde student Shirin Farrahi, en hoogleraar elektrotechniek Dennis Freeman. Het team werkte samen met bioloog Guy Richardson van de Universiteit van Sussex.

Ongrijpbaar begrip

Bij het onderscheiden van concurrerende geluiden, het menselijk oor is "buitengewoon vergeleken met conventionele spraak- en geluidsherkenningstechnologieën, " zegt Freeman. De exacte redenen zijn ongrijpbaar gebleven - maar het belang van het tectoriale membraan, gelegen in het slakkenhuis, of binnenoor, is de afgelopen jaren duidelijk geworden, grotendeels door het werk van Freeman en zijn collega's. Nu lijkt het erop dat een gebrekkige veronderstelling heeft bijgedragen aan de langdurige moeilijkheid om het belang van dit membraan te begrijpen.

Veel van ons vermogen om onderscheid te maken tussen geluiden is gebaseerd op frequenties, Freeman zegt - dus onderzoekers waren ervan uitgegaan dat hoe beter we frequentie konden oplossen, hoe beter we konden horen." Maar deze veronderstelling blijkt niet altijd waar te zijn.

In feite, Freeman en zijn co-auteurs ontdekten eerder dat tectorial membranen met een bepaald genetisch defect in feite zeer gevoelig zijn voor variaties in frequentie - en het resultaat is een slechter gehoor, niet beter.

Het MIT-team vond "een fundamentele afweging tussen hoe goed je verschillende frequenties kunt oplossen en hoe lang het duurt om het te doen, " legt Freeman uit. Dat maakt de fijnere frequentiediscriminatie te traag om bruikbaar te zijn in real-world geluidsselectiviteit.

Te snel voor neuronen

Eerder werk van Freeman en collega's heeft aangetoond dat het tectoriale membraan een fundamentele rol speelt bij geluidsdiscriminatie door golven te dragen die een bepaald soort sensorische receptor stimuleren. Dit proces is essentieel bij het ontcijferen van concurrerende geluiden, maar het vindt te snel plaats voor neurale processen om gelijke tred te houden. Natuur , in de loop van de evolutie, lijkt een zeer effectief elektromechanisch systeem te hebben geproduceerd, Vrijman zegt, die de snelheid van deze geluidsgolven kan bijhouden.

Het nieuwe werk legt uit hoe de structuur van het membraan bepaalt hoe goed het geluid filtert. Het team bestudeerde twee genetische varianten die ervoor zorgen dat nanoporiën in het tectoriale membraan kleiner of groter zijn dan normaal. De poriegrootte beïnvloedt de viscositeit van het membraan en zijn gevoeligheid voor verschillende frequenties.

Het tectoriale membraan is sponsachtig, bezaaid met kleine poriën. Door te bestuderen hoe de viscositeit varieert met de poriegrootte, het team was in staat om te bepalen dat de typische poriegrootte die wordt waargenomen bij muizen - ongeveer 40 nanometer breed - een optimale grootte vertegenwoordigt voor het combineren van frequentiediscriminatie met algehele gevoeligheid. Poriën die groter of kleiner zijn, tasten het gehoor aan.

"Het verandert echt de manier waarop we over deze structuur denken, ", zegt Ghaffari. De nieuwe bevindingen tonen aan dat vloeistofviscositeit en poriën eigenlijk essentieel zijn voor de prestaties ervan. De grootte van nanoporiën van tectoriaalmembraan veranderen, via biochemische manipulatie of andere middelen, kan unieke manieren bieden om de gehoorgevoeligheid en frequentiediscriminatie te veranderen.

William Brownel, een professor in de otolaryngologie aan het Baylor College of Medicine, zegt, "Dit is de eerste studie die suggereert dat porositeit de cochleaire afstemming kan beïnvloeden." Dit werk, hij voegt toe, "inzicht kunnen geven" in het ontstaan ​​van specifieke gehoorproblemen.

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.