Det mänskliga örat, som hos andra däggdjur, är så utomordentligt känslig att den kan detektera ljudvåginducerade vibrationer i trumhinnan som rör sig mindre än atomens bredd. Nu, forskare vid MIT har upptäckt viktiga nya detaljer om hur örat uppnår denna fantastiska förmåga att ta upp svaga ljud.

De nya resultaten hjälper till att förklara hur våra öron kan upptäcka vibrationer som är en miljon gånger mindre intensiva än de vi kan upptäcka genom beröringskänslan, till exempel. Resultaten visas i journalen Fysiska granskningsbrev , i ett papper av gästforskaren och huvudförfattaren Jonathan Sellon, professor i elektroteknik och seniorförfattare Dennis Freeman, gästforskaren Roozbeh Ghaffari, och medlemmar i Grodzinsky -gruppen vid MIT.

Både öratets känslighet och dess selektivitet - dess förmåga att skilja olika ljudfrekvenser - beror avgörande på beteendet hos en liten gelatinös struktur i innerörat som kallas tektorialmembranet, som Freeman och hans studenter har studerat i mer än ett decennium. Nu, de har funnit att det sätt gelmembranet ger vår hörsel sin extrema känslighet har att göra med storleken, styvhet, och distribution av porer i nanoskala i det membranet, och hur dessa nanoporer kontrollerar rörelsen av vatten i gelén.

Tektorialmembranet ligger ovanpå de små hårstrån som kantar innerörat, eller cochlea. Dessa sensoriska receptorer är arrangerade i tuvor som var och en är känsliga för olika ljudfrekvenser, i en progression längs längden på den tätt böjda strukturen. Det faktum att hårspetsarna är inbäddade i tektorialmembranet betyder att dess beteende starkt påverkar hur håren reagerar på ljud.

"Mekaniskt, det är Jell-O, "Freeman säger, beskriver det lilla tektoriella membranet, som är tunnare än ett hår. Även om det i huvudsak är en mättad svampliknande struktur som till största delen består av vatten, "om du pressar det så hårt du kan, du kan inte få ut vattnet. Den hålls samman av elektrostatiska krafter, "förklarar han. Men även om det finns många gelbaserade material i kroppen, inklusive brosk, elastin och senor, tektorialmembranet utvecklas från en annan uppsättning genetiska instruktioner.

Syftet med strukturen var ett pussel från början. "Varför skulle du vilja det?" Sellon säger. Sitter precis ovanpå den känsliga ljudupptagningsstrukturen, "Det är den typen av saker som dämpar de flesta typer av mikrofoner, "säger han." Men det är viktigt för att höra, "och eventuella defekter i dess struktur som orsakas av genvariationer kan avsevärt försämra en persons hörsel.

Efter detaljerade tester av den mikroskopiska strukturen, laget fann att storleken och arrangemanget av porerna i det, och hur dessa egenskaper påverkar hur vatten i gelén rör sig fram och tillbaka mellan porerna som svar på vibrationer, gör hela systemets respons mycket selektiv. Både de högsta och lägsta tonerna som kommer in i örat påverkas mindre av förstärkningen från tektorialmembranet, medan de mellersta frekvenserna förstärks starkare.

"Den är rätt inställd för att få den signal du behöver, "Sellon säger, för att förstärka de ljud som är mest användbara.

Teamet fann att tektorialmembranets struktur "såg ut som ett fast ämne men betedde sig som en vätska, "Freeman säger - vilket är vettigt eftersom det består mestadels av vätska." Det vi hittar är att tektorialmembranet är mindre fast än vi trodde. "Det viktigaste fyndet, som han säger att laget inte hade räknat med, var det "för mellanfrekvenser, strukturen rör sig som en vätska, men för höga och låga frekvenser, det beter sig bara som ett fast. "

Övergripande, forskarna hoppas att en bättre förståelse av dessa mekanismer kan hjälpa till att ta fram sätt att motverka olika typer av hörselnedsättning - antingen genom mekaniska hjälpmedel som förbättrade cochleaimplantat, eller medicinska ingrepp som läkemedel som kan förändra nanoporerna eller egenskaperna hos vätskan i tektorialmembranet. "Om storleken på porerna är viktig för hörselns funktion, det finns saker du kan göra, Säger Freeman.

"Det här är verkligen ett fantastiskt arbete, "säger John S. Oghalai, professor och ordförande

vid avdelningen för otolaryngologi vid University of Southern California, som inte var associerad med forskningen. "Den mekaniska karaktären hos nanoskala strukturerna i innerörat är extremt svårt att studera men avgörande för hörseln. I denna studie har författarna visar att proteinerna i tektorialmembranet och vätskan mellan dem är "tunade". Detta kan slutligen förklara hur varje hårcell stimuleras med rätt frekvens. "

Oghalai tillägger, "denna forskning är av högsta kvalitet. Inte bara utfördes utsökta experiment, data modellerades matematiskt för att utveckla en djup förståelse för deras implikationer. "En sak som återstår att göra, han säger, är att eftersom dessa tester gjordes på utskurna vävnader, "det återstår att se om dessa fynd är relevanta i det normala innerörat hos levande djur."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.