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Perfeccionamiento del tono
Jack Freeman trabajó durante cuatro décadas en una ruidosa fábrica de ladrillos, pero durante años a su esposa le costaba creer que tuviera una pérdida auditiva. A menudo se quedaba despierto hasta tarde viendo la televisión, siempre con el volumen bajo. ¿Cómo puede decir que no me escucha a mí también cuando entro para hablar con él? preguntaba ella.
El hijo de los Freeman, Dennis, SM '76, PhD '86, profesor de ingeniería eléctrica del MIT, ha estado estudiando el oído interno durante más de 30 años. Pero solo recientemente ha llegado al fondo de la pregunta de su madre. El laboratorio de Freeman, en el Grupo de Fisiología Auditiva del Laboratorio de Investigación de Electrónica, ha hecho un descubrimiento fundamental sobre el oído interno, que ayuda a explicar por qué el padre de Freeman tiene problemas con los sonidos de diferentes fuentes.
Los científicos saben desde hace mucho tiempo que las personas pierden la capacidad de discriminar entre sonidos cuando la exposición a un ruido excesivo daña las delicadas estructuras del oído interno. (El problema también puede ser congénito). Pero aún tienen que descubrir por qué el oído interno es normalmente un sensor tan extraordinario, que nos permite escuchar todo, desde un susurro bajo hasta el rugido de un motor a reacción, y distinguir hasta 30 tonos. entre las frecuencias de las teclas adyacentes de un piano.
Se cree que estas habilidades notables surgen de la amplificación coclear, un proceso mediante el cual la respuesta del oído interno a los sonidos se amplifica hasta mil veces por la acción colectiva de 12.000 células receptoras sensoriales. Muchos investigadores han estudiado cómo las células sensoriales individuales, en particular las conocidas como células ciliadas externas, trabajan para magnificar los sonidos, haciéndolos lo suficientemente fuertes como para escucharlos o permitiendo la detección de cambios mínimos en la frecuencia. Pero los científicos apenas están comenzando a comprender cómo las diferentes partes del oído interactúan con esas células ciliadas.
Hay 12.000 células sensoriales en cada oído y se comunican entre sí en un sistema de retroalimentación, dice Freeman. Y ese sistema es lo que estamos tratando de comprender.
El interés de Freeman es tanto personal como académico: cuando tuvo fiebre reumática en cuarto grado, la estreptomicina que se usaba para tratarla debilitó su audición. Luego, después de su primer año en Penn State, su audición se vio aún más dañada por un trabajo de verano en la misma fábrica atronadora donde trabajaba su padre. Aun así, Freeman no vino al MIT en la década de 1970 para estudiar el oído. Vino a construir computadoras. Luego conoció al profesor Campbell Searle, autor de su primer libro de texto sobre circuitos, y se dio cuenta de que podía aplicar la ingeniería eléctrica al estudio de la audición. Freeman trabajó con Searle y otros para tratar de desarrollar audífonos que facilitaran la comprensión de los sonidos del habla mediante el procesamiento de señales para hacer parte del trabajo del oído. Pero ese enfoque, dice Freeman, simplemente no funcionó.
A principios de la década de 1980, Freeman había llegado a la conclusión de que los modelos existentes del oído estaban incompletos. Entonces, en lugar de intentar construir un mejor audífono utilizando esos modelos, se embarcó en un curso intensivo de neurofisiología y fisiología celular, para poder hacer su investigación doctoral sobre hidrodinámica coclear. Durante las últimas dos décadas, Freeman ha refinado sus modelos para reflejar nueva evidencia, como el descubrimiento, por William Brownell del Baylor College of Medicine, de que las células receptoras sensoriales actúan como amplificadores mecánicos, generando realmente movimiento en las estructuras del oído interno en respuesta al sonido en lugar de simplemente informar al cerebro de los movimientos inducidos por el sonido.
Ahora, el laboratorio de Freeman ha descubierto un papel clave que desempeña una parte poco entendida del oído interno. Usando una inteligente configuración experimental diseñada por la estudiante de posgrado Roozbeh Ghaffari '01, Mng '03, el equipo de Freeman demostró que la membrana tectorial, una estructura tradicionalmente considerada inerte, de hecho se mueve, transmitiendo ondas que viajan a una velocidad precisa, y en un dirección perpendicular a la del otro movimiento ondulatorio en el oído. La interacción entre los dos tipos de ondas parece hacer que las células ciliadas sean más sensibles.
Es un trabajo muy fundamental, dice Rahul Sarpeshkar ‘90, profesor asociado de ingeniería eléctrica del MIT que trabaja en oídos biónicos e implantes cocleares. La gente ha sospechado que la membrana tectorial podría ser parte de un sistema resonante. Pero hasta ahora nadie lo ha demostrado de forma experimental.
Durante unos 60 años, los estudios del oído interno se han centrado en las células sensoriales y su interacción con la membrana basilar, un grupo de delgadas fibras elásticas. Cuando un sonido ingresa al oído, hace que la membrana basilar se mueva hacia arriba y hacia abajo, propagando una onda. La onda viaja rápidamente a lo largo de la membrana y desciende por la porción en forma de espiral del oído interno conocida como cóclea, que está sintonizada a diferentes frecuencias a lo largo de su longitud. Cuando una onda llega a la parte de la cóclea sintonizada con su frecuencia, se ralentiza. Y a medida que las ondas viajan, estimulan las células ciliadas ubicadas sobre la membrana basilar, que convierten las ondas en impulsos nerviosos y también vibran de una manera que amplifica el movimiento de las ondas.
Las células sensoriales individuales no pueden producir amplificación coclear por sí mismas. Para averiguar cómo colaboran, el equipo de Freeman miró a la membrana tectorial, que se encuentra por encima de las células ciliadas y en la que están incrustadas.
Pero la membrana tectorial no es fácil de estudiar. Es como una losa de gelatina, dice Alexander Aranyosi, PhD ‘02, un científico investigador que trabajó en el estudio. Aproximadamente dos centímetros de largo, menos de medio milímetro de ancho y más delgada que un cabello humano, la membrana es difícil de manipular y casi transparente. Si se expone al aire, se arruga, ya que es 97 por ciento de agua.
Sin embargo, el contenido del 3 por ciento restante es intrigante. Además del azúcar, la membrana contiene alfa-tectorina y beta-tectorina, dos proteínas que no se encuentran en ningún otro lugar; los mamíferos que carecen de los genes que los hacen tienen deficiencias auditivas congénitas. Así que Freeman animó a Ghaffari a pensar en cómo simular la estimulación natural de la membrana tectorial en el laboratorio.
Ghaffari suspendió una pieza de medio milímetro de la membrana tectorial de un ratón a través de dos pequeños soportes, cada uno de 300 micrómetros de espesor, que construyó sobre un portaobjetos de vidrio y colocó en una solución salina que simula el entorno coclear. Un soporte está pegado al tobogán; el otro está unido a un actuador piezoeléctrico y acoplado sin apretar a la corredera. Cuando se aplica un voltaje oscilante al actuador, vibra a una frecuencia de audio correspondiente y mueve el soporte adjunto, lo que hace que una onda viaje por la membrana suspendida. Utilizando un sistema de imágenes estroboscópicas desarrollado anteriormente en el laboratorio de Freeman y construido por Aranyosi, Ghaffari midió los desplazamientos de la membrana a escala nanométrica hasta varios miles de ciclos por segundo, frecuencias perfectas para la audición.
El equipo observó que las ondas se mueven de lado a lado a lo largo de la membrana tectorial (las ondas que viajan a lo largo de la membrana basilar se mueven hacia arriba y hacia abajo). Los investigadores también descubrieron que las ondas se mueven a lo largo de la membrana tectorial aproximadamente a la misma velocidad que las ondas de la membrana basilar que han alcanzado la parte de la cóclea sintonizada con su frecuencia. Cuando tienes dos ondas moviéndose a la misma velocidad, eso les da la posibilidad de interactuar, dice Aranyosi. Pueden intercambiar energía de un lado a otro. Los dos tipos de ondas viajan a la misma velocidad en un solo punto, donde la cóclea está sintonizada con la frecuencia de un sonido. Aquí, el oído puede amplificar selectivamente, y así distinguir, una frecuencia específica.
El siguiente paso del grupo es medir estas interacciones in vivo. Una vez que comprendamos mejor cómo tienen lugar esas interacciones de ondas, podremos construir audífonos que realmente corrijan el problema real en lugar de simplemente tratar de hacer que todo suene más fuerte, dice Aranyosi. Los investigadores también planean estudiar los genes que producen las dos proteínas únicas de la membrana tectorial para obtener más pistas sobre cómo funciona la amplificación coclear.
En el laboratorio no jerárquico de Freeman, los temas de discusión van desde filosofías orientales hasta nuevas metodologías para sondear la cóclea. Todos nos tratamos como colegas y compañeros de trabajo, a diferencia de profesores y estudiantes o científicos y estudiantes de investigación, dice Aranyosi. Todos tienen algo que contribuir y todos tienen la misma voz sobre cómo hacemos las cosas.
Muchas ideas sutiles surgen de estas reuniones en las que todos estamos pasando el rato con Denny, dice Ghaffari. Así es Denny.