Perfezionamento dell'intonazione

Jack Freeman ha lavorato per quattro decenni in una rumorosa fabbrica di mattoni, ma per anni sua moglie ha avuto difficoltà a credere che avesse una perdita uditiva. Stava spesso alzato fino a tardi a guardare la TV, sempre con il volume basso. Come può affermare di non sentire anche me, quando vengo a parlargli? avrebbe chiesto.

Il figlio dei Freeman, Dennis, SM '76, PhD '86, professore di ingegneria elettrica al MIT, studia l'orecchio interno da più di 30 anni. Ma solo di recente è arrivato in fondo alla domanda di sua madre. Il laboratorio di Freeman, nel Research Laboratory of Electronics' Auditory Physiology Group, ha fatto una scoperta fondamentale sull'orecchio interno, che aiuta a spiegare perché il padre di Freeman ha problemi con i suoni provenienti da fonti diverse.

Gli scienziati sanno da tempo che le persone perdono la capacità di discriminare i suoni quando l'esposizione a un rumore eccessivo danneggia le delicate strutture dell'orecchio interno. (Il problema può anche essere congenito.) Ma devono ancora scoprire perché l'orecchio interno è normalmente un sensore così straordinario, che ci permette di sentire tutto, da un sussurro basso al rombo di un motore a reazione, e di distinguere fino a 30 toni tra le frequenze di tasti adiacenti su un pianoforte.

Si pensa che queste straordinarie capacità derivino dall'amplificazione cocleare, un processo mediante il quale la risposta dell'orecchio interno ai suoni viene amplificata fino a mille volte dall'azione collettiva di 12.000 cellule recettoriali sensoriali. Molti ricercatori hanno studiato come le singole cellule sensoriali, in particolare quelle note come cellule ciliate esterne, lavorano per amplificare i suoni, rendendoli abbastanza forti da poter essere uditi o consentendo il rilevamento di piccoli cambiamenti di frequenza. Ma gli scienziati stanno appena iniziando a capire come le diverse parti dell'orecchio interagiscono con quelle cellule ciliate.

Ci sono 12.000 cellule sensoriali in ciascun orecchio e parlano tra loro in un sistema di feedback, dice Freeman. E quel sistema è ciò che stiamo cercando di capire.

L'interesse di Freeman è personale oltre che accademico: quando ha avuto la febbre reumatica in quarta elementare, la streptomicina usata per curarla ha indebolito il suo udito. Poi, dopo il primo anno alla Penn State, il suo udito è stato ulteriormente danneggiato da un lavoro estivo nella stessa fabbrica tonante in cui lavorava suo padre. Anche così, Freeman non è venuto al MIT negli anni '70 per studiare l'orecchio. È venuto per costruire computer. Poi incontrò il professor Campbell Searle, autore del suo primo libro di testo sui circuiti, e si rese conto che poteva applicare l'ingegneria elettrica allo studio dell'udito. Freeman ha lavorato con Searle e altri per cercare di sviluppare apparecchi acustici che rendessero i suoni del parlato più facili da capire utilizzando l'elaborazione del segnale per svolgere parte del lavoro dell'orecchio. Ma quell'approccio, dice Freeman, non ha funzionato.

All'inizio degli anni '80, Freeman aveva concluso che i modelli esistenti dell'orecchio erano incompleti. Quindi, invece di cercare di costruire un apparecchio acustico migliore usando quei modelli, ha intrapreso un corso intensivo in neurofisiologia e fisiologia cellulare, così da poter fare la sua ricerca di dottorato sull'idrodinamica cocleare. Negli ultimi due decenni, Freeman ha perfezionato i suoi modelli per riflettere nuove prove, come la scoperta, da parte di William Brownell del Baylor College of Medicine, che le cellule dei recettori sensoriali agiscono come amplificatori meccanici, generando effettivamente movimento nelle strutture dell'orecchio interno in risposta suonare invece di riferire semplicemente i movimenti indotti dal suono al cervello.

Ora il laboratorio di Freeman ha scoperto un ruolo chiave svolto da una parte poco compresa dell'orecchio interno. Utilizzando un ingegnoso apparato sperimentale progettato dallo studente laureato Roozbeh Ghaffari '01, Mng '03, il team di Freeman ha dimostrato che la membrana tettoria, una struttura tradizionalmente ritenuta inerte, in realtà si muove, trasmettendo onde che viaggiano a una velocità precisa, e in un direzione perpendicolare a quella dell'altro moto ondoso nell'orecchio. L'interazione tra i due tipi di onde sembra rendere le cellule ciliate più sensibili.

È un lavoro fondamentale, afferma Rahul Sarpeshkar '90, professore associato di ingegneria elettrica al MIT che lavora su orecchie bioniche e impianti cocleari. La gente ha sospettato che la membrana tettonica potesse far parte di un sistema risonante. Ma fino ad ora nessuno l'ha mai mostrato sperimentalmente.

Per circa 60 anni, gli studi sull'orecchio interno si sono concentrati sulle cellule sensoriali e sulla loro interazione con la membrana basilare, un gruppo di sottili fibre elastiche. Quando un suono entra nell'orecchio, fa muovere la membrana basilare su e giù, propagando un'onda. L'onda viaggia rapidamente lungo la membrana e lungo la porzione a forma di spirale dell'orecchio interno nota come coclea, che è sintonizzata su frequenze diverse lungo la sua lunghezza. Quando un'onda raggiunge la parte della coclea sintonizzata sulla sua frequenza, rallenta. E mentre le onde viaggiano, stimolano le cellule ciliate situate sopra la membrana basilare, che convertono le onde in impulsi nervosi e vibrano anche in un modo che amplifica il movimento delle onde.

Le singole cellule sensoriali non possono produrre da sole l'amplificazione cocleare. Per capire come collaborano, il team di Freeman ha esaminato la membrana tettoriale, che si trova sopra le cellule ciliate e in cui sono incorporate.

Ma la membrana tettoria non è facile da studiare. È come una lastra di gelatina, afferma Alexander Aranyosi, PhD '02, un ricercatore che ha lavorato allo studio. Lunga circa due centimetri, larga meno di mezzo millimetro e più sottile di un capello umano, la membrana è difficile da manipolare e quasi trasparente. Se esposto all'aria, si accartoccia, poiché è composto per il 97 percento da acqua.

I contenuti del restante 3%, invece, sono intriganti. Oltre allo zucchero, la membrana contiene alfa-tectorin e beta-tectorin, due proteine ​​che non si trovano da nessun'altra parte; i mammiferi privi dei geni che li producono hanno problemi di udito congeniti. Così Freeman ha incoraggiato Ghaffari a pensare a come simulare la stimolazione naturale della membrana tettonica in laboratorio.

Ghaffari ha sospeso un pezzo di mezzo millimetro della membrana tettonica di un topo su due minuscoli supporti, ciascuno spesso 300 micrometri, che ha costruito su un vetrino e posto in una soluzione salina che simula l'ambiente cocleare. Un supporto è incollato alla slitta; l'altro è collegato a un attuatore piezoelettrico e accoppiato in modo lasco alla slitta. Quando viene applicata una tensione oscillante all'attuatore, questo vibra a una frequenza audio corrispondente e sposta il supporto attaccato, facendo viaggiare un'onda lungo la membrana sospesa. Utilizzando un sistema di imaging stroboscopico sviluppato in precedenza nel laboratorio di Freeman e costruito da Aranyosi, Ghaffari ha misurato gli spostamenti su scala nanometrica della membrana fino a diverse migliaia di cicli al secondo, frequenze perfette per l'udito.

Il team ha osservato che le onde si muovono da un lato all'altro lungo la membrana tettoriale (le onde che viaggiano lungo la membrana basilare si muovono su e giù). I ricercatori hanno anche scoperto che le onde si muovono lungo la membrana tettoriale all'incirca alla stessa velocità delle onde della membrana basilare che hanno raggiunto la parte della coclea sintonizzata sulla loro frequenza. Quando hai due onde che si muovono alla stessa velocità, questo dà loro la possibilità di interagire, dice Aranyosi. Possono scambiare energia avanti e indietro. I due tipi di onde viaggiano alla stessa velocità in un solo punto, dove la coclea è sintonizzata sulla frequenza di un suono. Qui, l'orecchio è in grado di amplificare selettivamente, e quindi distinguere, una frequenza specifica.

Il prossimo passo del gruppo è misurare queste interazioni in vivo. Una volta che avremo una migliore comprensione di come avvengono queste interazioni delle onde, allora possiamo costruire apparecchi acustici che risolvono effettivamente il problema reale piuttosto che cercare semplicemente di far sembrare tutto più forte, dice Aranyosi. I ricercatori hanno anche in programma di studiare i geni che producono le due proteine ​​uniche della membrana tettoriale per ulteriori indizi su come funziona l'amplificazione cocleare.

Nel laboratorio non gerarchico Freeman, gli argomenti di discussione spaziano dalle filosofie orientali alle nuove metodologie per sondare la coclea. Ci trattiamo tutti come colleghi e colleghi, al contrario di professore e studente o ricercatore e studente, dice Aranyosi. Tutti hanno qualcosa da contribuire e a tutti viene data la stessa voce nel modo in cui facciamo le cose.

Molte idee sottili emergono da questi incontri in cui stiamo tutti semplicemente uscendo con Denny, dice Ghaffari. Denny è così.

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