Perfecting Pitch

Jack Freeman arbejdede i fire årtier på en støjende murstensfabrik, men i årevis havde hans kone svært ved at tro, at han havde et høretab. Han blev ofte oppe til sent og så tv – altid med lav lydstyrke. Hvordan kan han hævde, at han ikke også hører mig, når jeg kommer ind for at tale med ham? ville hun spørge.

The Freemans' søn, Dennis, SM '76, PhD '86, en MIT professor i elektroteknik, har studeret det indre øre i mere end 30 år. Men først for nylig er han nået til bunds i sin mors spørgsmål. Freemans laboratorium, i Research Laboratory of Electronics' Auditory Physiology Group, har gjort en grundlæggende opdagelse om det indre øre, en der hjælper med at forklare, hvorfor Freemans far har problemer med lyde fra forskellige kilder.

Forskere har længe vidst, at mennesker mister evnen til at skelne mellem lyde, når eksponering for overdreven støj skader de sarte strukturer i det indre øre. (Problemet kan også være medfødt.) Men de har endnu ikke fundet ud af, hvorfor det indre øre normalt er sådan en ekstraordinær sensor – det giver os mulighed for at høre alt fra en lav hvisken til en jetmotors brøl og skelne op til 30 toner mellem frekvenserne af tilstødende tangenter på et klaver.

Disse bemærkelsesværdige evner menes at opstå fra cochlear forstærkning, en proces, hvorved det indre øres respons på lyde forstærkes så meget som tusindfold af den kollektive handling af 12.000 sensoriske receptorceller. Mange forskere har undersøgt, hvordan individuelle sanseceller - især dem kendt som ydre hårceller - arbejder for at forstørre lyde, enten at gøre dem høje nok til at høre eller muliggøre detektering af små ændringer i frekvens. Men videnskabsmænd er lige begyndt at forstå, hvordan forskellige dele af øret interagerer med disse hårceller.

Der er 12.000 sanseceller i hvert øre, og de taler med hinanden i et feedbacksystem, siger Freeman. Og det system er det, vi forsøger at forstå.

Freemans interesse er personlig såvel som akademisk: Da han fik gigtfeber i fjerde klasse, svækkede streptomycinet, der blev brugt til at behandle det, hans hørelse. Så, efter sit første år i Penn State, blev hans hørelse yderligere skadet af et sommerjob på den samme tordnende fabrik, hvor hans far arbejdede. Alligevel kom Freeman ikke til MIT i 1970'erne for at studere øret. Han kom for at bygge computere. Så mødte han professor Campbell Searle – forfatter til hans første kredsløbslærebog – og indså, at han kunne anvende elektroteknik til studiet af hørelse. Freeman arbejdede sammen med Searle og andre for at forsøge at udvikle høreapparater, der gjorde talelyde lettere at forstå ved at bruge signalbehandling til at gøre noget af ørets arbejde for det. Men den tilgang, siger Freeman, virkede bare ikke.

I begyndelsen af ​​1980'erne havde Freeman konkluderet, at eksisterende modeller af øret var ufuldstændige. Så i stedet for at prøve at bygge et bedre høreapparat ved hjælp af disse modeller, begyndte han på et lynkursus i neurofysiologi og cellefysiologi, så han kunne lave sin doktorgradsforskning i cochlear hydrodynamik. I løbet af de sidste to årtier har Freeman forfinet sine modeller for at afspejle nye beviser, såsom opdagelsen af ​​William Brownell fra Baylor College of Medicine, at sensoriske receptorceller fungerer som mekaniske forstærkere, der faktisk genererer bevægelse i indre ørestrukturer som reaktion at lyde i stedet for blot at rapportere lyd-inducerede bevægelser til hjernen.

Nu har Freemans laboratorium afsløret en nøglerolle, der spilles af en lidt forstået del af det indre øre. Ved hjælp af en smart eksperimentel opsætning designet af kandidatstuderende Roozbeh Ghaffari '01, Mng '03, demonstrerede Freemans team, at den tektoriale membran, en struktur, der traditionelt menes at være inert, faktisk bevæger sig og transmitterer bølger, der bevæger sig med en præcis hastighed og i en retning vinkelret på andre bølgebevægelser i øret. Interaktion mellem de to slags bølger ser ud til at gøre hårcellerne mere følsomme.

Det er et meget grundlæggende stykke arbejde, siger Rahul Sarpeshkar '90, en MIT-lektor i elektroteknik, der arbejder med bioniske ører og cochleære implantater. Folk har haft mistanke om, at den tektoriale membran kunne være en del af et resonanssystem. Men indtil nu har ingen nogensinde vist det eksperimentelt.

I omkring 60 år har studier af det indre øre fokuseret på sansecellerne og deres interaktion med basilarmembranen, en gruppe tynde elastiske fibre. Når en lyd kommer ind i øret, får den basilarmembranen til at bevæge sig op og ned og udbreder en bølge. Bølgen bevæger sig hurtigt langs membranen og ned ad den spiralformede del af det indre øre kendt som cochlea, som er indstillet til forskellige frekvenser langs dens længde. Når en bølge når den del af cochlea, der er indstillet til dens frekvens, sænkes den. Og som bølger rejser, stimulerer de hårcellerne, der er placeret over basilarmembranen, som omdanner bølgerne til nerveimpulser og også vibrerer på en måde, der forstærker bølgebevægelsen.

Individuelle sanseceller kan ikke producere cochlear amplifikation af sig selv. For at finde ud af, hvordan de samarbejder, kiggede Freemans team på den tektoriale membran, som ligger over hårcellerne, og som de er indlejret i.

Men den tektoriale membran er ikke let at studere. Det er som en plade af Jell-O, siger Alexander Aranyosi, PhD '02, en forsker, der arbejdede på undersøgelsen. Omtrent to centimeter lang, mindre end en halv millimeter bred og tyndere end et menneskehår er membranen svær at manipulere - og næsten gennemsigtig. Hvis det udsættes for luft, svinder det sammen, da det er 97 procent vand.

Indholdet af de resterende 3 procent er dog spændende. Ud over sukker indeholder membranen alfa-tectorin og beta-tectorin, to proteiner, der ikke findes andre steder; pattedyr, der mangler de gener, der gør, at de har medfødte hørenedsættelser. Så Freeman opfordrede Ghaffari til at tænke over, hvordan man simulerer naturlig stimulering af den tektoriale membran i laboratoriet.

Ghaffari suspenderede et halvt millimeter stykke af en muses tektoriske membran på tværs af to bittesmå understøtninger, hver 300 mikrometer tykke, som han byggede på et objektglas og placerede i en saltvandsopløsning, der simulerer det cochleare miljø. Den ene støtte er limet til slæden; den anden er fastgjort til en piezoelektrisk aktuator og løst koblet til slæden. Når en oscillerende spænding påføres aktuatoren, vibrerer den ved en tilsvarende lydfrekvens og flytter den påsatte støtte, hvilket får en bølge til at bevæge sig ned ad den ophængte membran. Ved hjælp af et stroboskopisk billeddannelsessystem udviklet tidligere i Freemans laboratorium og bygget af Aranyosi, målte Ghaffari nanometerskalaforskydninger af membranen med op til flere tusinde cyklusser pr. sekund – frekvenser perfekt til hørelse.

Holdet observerede, at bølger bevæger sig side til side langs den tektoriale membran (bølger, der bevæger sig langs basilarmembranen, bevæger sig op og ned). Forskerne opdagede også, at bølger bevæger sig langs den tektoriale membran med omtrent samme hastighed som basilarmembranbølger, der har nået den del af cochlea, der er indstillet til deres frekvens. Når du har to bølger, der bevæger sig med samme hastighed, giver det dem mulighed for at interagere, siger Aranyosi. De kan handle energi frem og tilbage. De to slags bølger bevæger sig med samme hastighed på kun ét sted - hvor cochlea er indstillet til en lyds frekvens. Her er øret i stand til selektivt at forstærke, og dermed skelne, en bestemt frekvens.

Gruppens næste skridt er at måle disse interaktioner in vivo. Når vi først har en bedre forståelse af, hvordan disse bølgeinteraktioner finder sted, så kan vi bygge høreapparater, der faktisk retter op på det virkelige problem i stedet for blot at prøve at få alt til at lyde højere, siger Aranyosi. Forskerne planlægger også at studere generne, der producerer tektorialmembranens to unikke proteiner for at få flere fingerpeg om, hvordan cochleær amplifikation fungerer.

I det ikke-hierarkiske Freeman-laboratorium spænder diskussionsemner fra østlige filosofier til nye metoder til at sondere cochlea. Vi behandler alle hinanden som kolleger og kolleger, i modsætning til professor og studerende eller forsker og studerende, siger Aranyosi. Alle har noget at bidrage med, og alle får en lige stemme i, hvordan vi gør tingene.

Der kommer mange subtile ideer ud af disse møder, hvor vi alle bare hænger ud med Denny, siger Ghaffari. Sådan er Denny bare.

skjule