211service.com
Pitch perfectioneren
Jack Freeman werkte vier decennia in een lawaaierige steenfabriek, maar jarenlang vond zijn vrouw het moeilijk te geloven dat hij een gehoorverlies had. Hij bleef vaak laat op om tv te kijken - altijd met het volume laag. Hoe kan hij beweren dat hij mij ook niet hoort, als ik binnenkom om met hem te praten? zou ze vragen.
De zoon van Freemans, Dennis, SM '76, PhD '86, een MIT-hoogleraar elektrotechniek, bestudeert al meer dan 30 jaar het binnenoor. Maar pas onlangs heeft hij de vraag van zijn moeder tot op de bodem uitgezocht. Freeman's lab, in de Audity Physiology Group van het Research Laboratory of Electronics, heeft een fundamentele ontdekking gedaan over het binnenoor, een ontdekking die helpt verklaren waarom Freemans vader moeite heeft met geluiden uit verschillende bronnen.
Wetenschappers weten al lang dat mensen het vermogen verliezen om onderscheid te maken tussen geluiden wanneer blootstelling aan overmatig lawaai de delicate structuren van het binnenoor beschadigt. (Het probleem kan ook aangeboren zijn.) Maar ze moeten nog ontdekken waarom het binnenoor normaal gesproken zo'n buitengewone sensor is - waardoor we alles kunnen horen, van een zacht gefluister tot het gebrul van een straalmotor, en tot 30 tonen kunnen onderscheiden tussen de frequenties van aangrenzende toetsen op een piano.
Men denkt dat deze opmerkelijke vermogens voortkomen uit cochleaire versterking, een proces waarbij de reactie van het binnenoor op geluiden duizendvoudig wordt versterkt door de collectieve actie van 12.000 sensorische receptorcellen. Veel onderzoekers hebben onderzocht hoe individuele sensorische cellen, met name die die bekend staan als buitenste haarcellen, werken om geluiden te vergroten, ofwel door ze luid genoeg te maken om te horen of om minieme veranderingen in frequentie te detecteren. Maar wetenschappers beginnen net te begrijpen hoe verschillende delen van het oor interageren met die haarcellen.
Er zijn 12.000 sensorische cellen in elk oor en ze praten met elkaar in een feedbacksysteem, zegt Freeman. En dat systeem is wat we proberen te begrijpen.
Freemans interesse is zowel persoonlijk als academisch: toen hij in de vierde klas reumatische koorts kreeg, verzwakte de streptomycine die hij gebruikte om het te behandelen zijn gehoor. Toen, na zijn eerste jaar in Penn State, werd zijn gehoor verder beschadigd door een vakantiebaantje in dezelfde donderende fabriek waar zijn vader werkte. Toch kwam Freeman in de jaren zeventig niet naar het MIT om het oor te bestuderen. Hij kwam computers bouwen. Toen ontmoette hij professor Campbell Searle – auteur van zijn eerste leerboek over circuits – en realiseerde hij zich dat hij elektrotechniek kon toepassen op de studie van het gehoor. Freeman werkte samen met Searle en anderen om hoortoestellen te ontwikkelen die spraakgeluiden gemakkelijker maakten door signaalverwerking te gebruiken om een deel van het werk van het oor te doen. Maar die aanpak, zegt Freeman, werkte gewoon niet.
Tegen het begin van de jaren tachtig had Freeman geconcludeerd dat de bestaande modellen van het oor onvolledig waren. Dus in plaats van te proberen een beter hoortoestel te bouwen met die modellen, begon hij aan een spoedcursus neurofysiologie en celfysiologie, zodat hij zijn promotieonderzoek naar cochleaire hydrodynamica kon doen. In de afgelopen twee decennia heeft Freeman zijn modellen verfijnd om nieuw bewijsmateriaal weer te geven, zoals de ontdekking, door William Brownell van het Baylor College of Medicine, dat sensorische receptorcellen fungeren als mechanische versterkers en in feite beweging in binnenoorstructuren genereren als reactie om te klinken in plaats van simpelweg door geluid veroorzaakte bewegingen naar de hersenen te rapporteren.
Nu heeft het laboratorium van Freeman een sleutelrol blootgelegd die wordt gespeeld door een weinig begrepen deel van het binnenoor. Met behulp van een slimme experimentele opstelling ontworpen door afgestudeerde student Roozbeh Ghaffari '01, Mng '03, toonde het team van Freeman aan dat het tectoriale membraan, een structuur die traditioneel als inert werd beschouwd, in feite beweegt, golven uitzendt die met een precieze snelheid reizen, en in een richting loodrecht op die van andere golfbewegingen in het oor. Interactie tussen de twee soorten golven lijkt de haarcellen gevoeliger te maken.
Het is een heel fundamenteel werk, zegt Rahul Sarpeshkar '90, een universitair hoofddocent elektrotechniek aan het MIT, die werkt aan bionische oren en cochleaire implantaten. Men vermoedde dat het tectoriaal membraan deel zou kunnen uitmaken van een resonantiesysteem. Maar tot nu toe heeft niemand het ooit experimenteel aangetoond.
Gedurende ongeveer 60 jaar hebben binnenoorstudies zich gericht op de sensorische cellen en hun interactie met het basilair membraan, een groep dunne elastische vezels. Wanneer een geluid het oor binnenkomt, zorgt het ervoor dat het basilair membraan op en neer beweegt en een golf voortplant. De golf reist snel langs het membraan en door het spiraalvormige deel van het binnenoor dat bekend staat als het slakkenhuis, dat over de hele lengte is afgestemd op verschillende frequenties. Wanneer een golf het deel van het slakkenhuis bereikt dat op zijn frequentie is afgestemd, vertraagt hij. En terwijl golven reizen, stimuleren ze de haarcellen die zich boven het basilair membraan bevinden, die de golven omzetten in zenuwimpulsen en ook trillen op een manier die de golfbeweging versterkt.
Individuele sensorische cellen kunnen zelf geen cochleaire amplificatie produceren. Om erachter te komen hoe ze samenwerken, keek het team van Freeman naar het tectoriale membraan, dat boven de haarcellen ligt en waarin ze zijn ingebed.
Maar het tectoriale membraan is niet gemakkelijk te bestuderen. Het is als een plak Jell-O, zegt Alexander Aranyosi, PhD '02, een onderzoeker die aan het onderzoek heeft gewerkt. Ongeveer twee centimeter lang, minder dan een halve millimeter breed en dunner dan een mensenhaar, het membraan is moeilijk te manipuleren - en bijna transparant. Als het wordt blootgesteld aan lucht, verschrompelt het, omdat het voor 97 procent uit water bestaat.
De inhoud van de overige 3 procent is echter intrigerend. Naast suiker bevat het membraan alfa-tectorine en beta-tectorine, twee eiwitten die nergens anders voorkomen; zoogdieren die de genen missen die hen maken, hebben aangeboren gehoorbeschadigingen. Dus moedigde Freeman Ghaffari aan om na te denken over hoe natuurlijke stimulatie van het tectoriaal membraan in het laboratorium kan worden gesimuleerd.
Ghaffari hing een halve millimeter stuk tectoriaal membraan van een muis over twee kleine steunen, elk 300 micrometer dik, die hij op een glasplaatje bouwde en in een zoutoplossing plaatste die de cochleaire omgeving simuleert. Eén steun wordt op de slede gelijmd; de andere is bevestigd aan een piëzo-elektrische actuator en losjes gekoppeld aan de slede. Wanneer een oscillerende spanning op de actuator wordt toegepast, trilt deze met een overeenkomstige audiofrequentie en beweegt de bevestigde steun, waardoor een golf door het hangende membraan beweegt. Met behulp van een stroboscopisch beeldvormingssysteem dat eerder in het laboratorium van Freeman is ontwikkeld en gebouwd door Aranyosi, heeft Ghaffari de verplaatsingen van het membraan op nanometerschaal gemeten tot enkele duizenden cycli per seconde - frequenties die perfect zijn voor het gehoor.
Het team merkte op dat golven heen en weer bewegen langs het tectoriale membraan (golven die langs het basilaire membraan bewegen op en neer). De onderzoekers ontdekten ook dat golven langs het tectoriaal membraan bewegen met ongeveer dezelfde snelheid als basilaire membraangolven die het deel van het slakkenhuis hebben bereikt dat is afgestemd op hun frequentie. Als je twee golven met dezelfde snelheid hebt, kunnen ze met elkaar communiceren, zegt Aranyosi. Ze kunnen energie heen en weer verhandelen. De twee soorten golven reizen met dezelfde snelheid op slechts één plek - waar het slakkenhuis is afgestemd op de frequentie van een geluid. Hier is het oor in staat om selectief een bepaalde frequentie te versterken en zo te onderscheiden.
De volgende stap van de groep is om deze interacties in vivo te meten. Als we eenmaal een beter begrip hebben van hoe die golfinteracties plaatsvinden, kunnen we hoortoestellen bouwen die het echte probleem daadwerkelijk corrigeren in plaats van simpelweg te proberen alles luider te laten klinken, zegt Aranyosi. De onderzoekers zijn ook van plan om de genen te bestuderen die de twee unieke eiwitten van het tectoriaalmembraan produceren voor meer aanwijzingen over hoe cochleaire amplificatie werkt.
In het niet-hiërarchische Freeman-lab variëren de discussieonderwerpen van oosterse filosofieën tot nieuwe methoden voor het onderzoeken van het slakkenhuis. We behandelen elkaar allemaal als collega's en collega's, in tegenstelling tot professor en student of onderzoeker en student, zegt Aranyosi. Iedereen heeft iets bij te dragen en iedereen krijgt een gelijke stem in hoe we dingen doen.
Er komen veel subtiele ideeën uit deze bijeenkomsten waar we allemaal gewoon rondhangen met Denny, zegt Ghaffari. Zo is Denny nu eenmaal.