Perfecting Pitch

Jack Freeman arbetade i fyra decennier i en bullrig tegelfabrik, men i flera år hade hans fru svårt att tro att han hade en hörselnedsättning. Han satt ofta uppe sent och tittade på TV – alltid med låg volym. Hur kan han påstå att han inte hör mig också när jag kommer in för att prata med honom? skulle hon fråga.

The Freemans son, Dennis, SM '76, PhD '86, en MIT-professor i elektroteknik, har studerat innerörat i mer än 30 år. Men först nyligen har han kommit till botten med sin mammas fråga. Freemans labb, i Research Laboratory of Electronics Auditory Physiology Group, har gjort en grundläggande upptäckt om innerörat, en som hjälper till att förklara varför Freemans far har problem med ljud från olika källor.

Forskare har länge känt till att människor förlorar förmågan att skilja mellan ljud när exponering för överdrivet buller skadar de ömtåliga strukturerna i innerörat. (Problemet kan också vara medfött.) Men de har ännu inte upptäckt varför innerörat normalt är en sådan extraordinär sensor – vilket gör att vi kan höra allt från ett lågt viskande till bruset från en jetmotor och att urskilja upp till 30 toner mellan frekvenserna för intilliggande tangenter på ett piano.

Dessa anmärkningsvärda förmågor tros härröra från cochleaförstärkning, en process genom vilken innerörats svar på ljud förstärks så mycket som tusenfaldigt av den kollektiva verkan av 12 000 sensoriska receptorceller. Många forskare har studerat hur individuella sensoriska celler - särskilt de som kallas yttre hårceller - arbetar för att förstora ljud, antingen gör dem tillräckligt höga för att höra eller möjliggör detektering av små förändringar i frekvens. Men forskare har precis börjat förstå hur olika delar av örat interagerar med dessa hårceller.

Det finns 12 000 sensoriska celler i varje öra, och de pratar med varandra i ett återkopplingssystem, säger Freeman. Och det systemet är vad vi försöker förstå.

Freemans intresse är personligt såväl som akademiskt: när han fick reumatisk feber i fjärde klass, försvagade streptomycinet som användes för att behandla det hans hörsel. Sedan, efter sitt första år i Penn State, skadades hans hörsel ytterligare av ett sommarjobb i samma dundrande fabrik där hans far arbetade. Trots det kom Freeman inte till MIT på 1970-talet för att studera örat. Han kom för att bygga datorer. Sedan träffade han professor Campbell Searle – författare till sin första kretsbok – och insåg att han kunde tillämpa elektroteknik för att studera hörsel. Freeman arbetade med Searle och andra för att försöka utveckla hörapparater som gjorde talljud lättare att förstå genom att använda signalbehandling för att göra en del av örats arbete för det. Men det tillvägagångssättet, säger Freeman, fungerade bara inte.

I början av 1980-talet hade Freeman kommit fram till att befintliga modeller av örat var ofullständiga. Så istället för att försöka bygga en bättre hörapparat med hjälp av de modellerna, inledde han en snabbkurs i neurofysiologi och cellfysiologi, så att han kunde göra sin doktorsforskning om cochlea hydrodynamik. Under de senaste två decennierna har Freeman förfinat sina modeller för att återspegla nya bevis, såsom upptäckten, av William Brownell från Baylor College of Medicine, att sensoriska receptorceller fungerar som mekaniska förstärkare, som faktiskt genererar rörelse i innerörat som svar. att ljuda istället för att bara rapportera ljudinducerade rörelser till hjärnan.

Nu har Freemans labb avslöjat en nyckelroll som spelas av en lite förstådd del av innerörat. Med hjälp av en smart experimentell uppställning designad av doktorand Roozbeh Ghaffari '01, Mng '03, visade Freemans team att det tektoriska membranet, en struktur som traditionellt tros vara inert, faktiskt rör sig och sänder ut vågor som färdas med en exakt hastighet och i en riktning vinkelrät mot den för andra vågrörelser i örat. Interaktion mellan de två typerna av vågor verkar göra hårcellerna känsligare.

Det är ett mycket grundläggande arbete, säger Rahul Sarpeshkar '90, en MIT-docent i elektroteknik som arbetar med bioniska öron och cochleaimplantat. Människor har misstänkt att det tektoriska membranet kan vara en del av ett resonanssystem. Men hittills har ingen någonsin visat det experimentellt.

Under cirka 60 år har studier i innerörat fokuserat på sinnescellerna och deras interaktion med basilarmembranet, en grupp tunna elastiska fibrer. När ett ljud kommer in i örat, får det basilarmembranet att röra sig upp och ner, och sprider en våg. Vågen färdas snabbt längs membranet och nedför den spiralformade delen av innerörat som kallas snäckan, som är inställd på olika frekvenser längs dess längd. När en våg når den del av snäckan som är inställd på dess frekvens, saktar den ner. Och när vågorna färdas stimulerar de hårcellerna som ligger ovanför basilarmembranet, som omvandlar vågorna till nervimpulser och även vibrerar på ett sätt som förstärker vågrörelsen.

Individuella sensoriska celler kan inte producera cochlea amplifiering av sig själva. För att ta reda på hur de samarbetar tittade Freemans team på det tektoriska membranet, som ligger ovanför hårcellerna och i vilket de är inbäddade.

Men det tektoriska membranet är inte lätt att studera. Det är som en platta av Jell-O, säger Alexander Aranyosi, PhD '02, en forskare som arbetade med studien. Ungefär två centimeter långt, mindre än en halv millimeter brett och tunnare än ett människohår är membranet svårt att manipulera - och nästan genomskinligt. Om den utsätts för luft, krymper den, eftersom det är 97 procent vatten.

Innehållet i de återstående 3 procenten är dock spännande. Förutom socker innehåller membranet alfa-tektorin och beta-tektorin, två proteiner som inte finns någon annanstans; däggdjur som saknar generna som gör att de har medfödda hörselnedsättningar. Så Freeman uppmuntrade Ghaffari att tänka på hur man simulerar naturlig stimulering av det tektoriska membranet i labbet.

Ghaffari hängde en halv millimeter bit av en muss tektoriska membran över två små stöd, vardera 300 mikrometer tjocka, som han byggde på en glasskiva och placerade i en saltlösning som simulerar cochlea-miljön. Ett stöd är limmat på sliden; den andra är ansluten till ett piezoelektriskt ställdon och löst kopplad till sliden. När en oscillerande spänning appliceras på ställdonet vibrerar det med en motsvarande ljudfrekvens och flyttar det fästa stödet, vilket gör att en våg färdas nedför det upphängda membranet. Med hjälp av ett stroboskopiskt bildsystem som utvecklats tidigare i Freemans labb och byggt av Aranyosi, mätte Ghaffari förskjutningar i nanometerskala av membranet med upp till flera tusen cykler per sekund – frekvenser perfekta för hörsel.

Teamet observerade att vågor rör sig sida till sida längs det tektoriska membranet (vågor som rör sig längs basilarmembranet rör sig upp och ner). Forskarna upptäckte också att vågor rör sig längs det tektoriska membranet med ungefär samma hastighet som basilarmembranvågor som har nått den del av snäckan som är inställd på deras frekvens. När du har två vågor som rör sig med samma hastighet, ger det dem möjlighet att interagera, säger Aranyosi. De kan byta energi fram och tillbaka. De två typerna av vågor färdas med samma hastighet på bara en plats - där snäckan är inställd på ett ljuds frekvens. Här kan örat selektivt förstärka, och därmed urskilja, en specifik frekvens.

Gruppens nästa steg är att mäta dessa interaktioner in vivo. När vi väl har en bättre förståelse för hur dessa våginteraktioner äger rum, då kan vi bygga hörapparater som faktiskt korrigerar för det verkliga problemet snarare än att bara försöka få allt att låta högre, säger Aranyosi. Forskarna planerar också att studera generna som producerar tektorialmembranets två unika proteiner för att få fler ledtrådar om hur cochlea-amplifiering fungerar.

I det icke-hierarkiska Freeman-labbet sträcker sig diskussionsämnen från österländska filosofier till nya metoder för att undersöka snäckan. Vi behandlar alla varandra som kollegor och medarbetare, till skillnad från professor och student eller forskare och student, säger Aranyosi. Alla har något att bidra med och alla får en lika röst i hur vi gör saker.

Många subtila idéer kommer ut från dessa möten där vi alla bara umgås med Denny, säger Ghaffari. Det är precis så Denny är.

Dölj