Även i ett trångt rum fullt av bakgrundsljud, det mänskliga örat är anmärkningsvärt skickligt att ställa in på en enda röst - en prestation som har visat sig vara anmärkningsvärt svår för datorer att matcha. En ny analys av de bakomliggande mekanismerna, genomförd av forskare vid MIT, har gett insikter som i slutändan kan leda till bättre maskinhörsel, och kanske till bättre hörapparater också.

Våra örons selektivitet, det visar sig, härrör från evolutionens exakta avstämning av ett litet membran, inuti innerörat, kallas tektorialmembranet. Detta membrans viskositet - dess fasthet, eller brist på det - beror på storleken och fördelningen av små porer, bara några tiotals nanometer breda. Detta, i tur och ordning, ger mekanisk filtrering som hjälper till att sortera ut specifika ljud.

De nya fynden rapporteras i Biofysisk tidskrift av ett team som leds av MIT -doktoranden Jonathan Sellon, och inklusive forskare Roozbeh Ghaffari, tidigare doktorand Shirin Farrahi, och professor i elektroteknik Dennis Freeman. Teamet samarbetade med biologen Guy Richardson från University of Sussex.

Undvikande förståelse

I diskriminering mellan konkurrerande ljud, det mänskliga örat är "extraordinärt jämfört med konventionella tal- och ljudigenkänningstekniker, "Säger Freeman. De exakta orsakerna har förblivit svårfångade - men betydelsen av tektorialmembranet, placerad inuti cochlea, eller innerörat, har blivit tydligt de senaste åren, till stor del genom Freemans och hans kollegors arbete. Nu verkar det som om ett felaktigt antagande bidrog till den långvariga svårigheten att förstå betydelsen av detta membran.

Mycket av vår förmåga att skilja mellan ljud är frekvensbaserad, Freeman säger - så forskare hade "antagit att ju bättre vi kunde lösa frekvensen, desto bättre kunde vi höra. "Men detta antagande visar sig inte alltid vara sant.

Faktiskt, Freeman och hans medförfattare fann tidigare att tektoriella membran med en viss genetisk defekt faktiskt är mycket känsliga för variationer i frekvens-och resultatet är sämre hörsel, inte bättre.

MIT -teamet fann "en grundläggande avvägning mellan hur bra du kan lösa olika frekvenser och hur lång tid det tar att göra det, "Förklarar Freeman. Det gör den finare frekvensdiskrimineringen för långsam för att vara användbar vid verklig ljudselektivitet.

För snabbt för neuroner

Tidigare arbete av Freeman och kollegor har visat att tektorialmembranet spelar en grundläggande roll för ljuddiskriminering genom att bära vågor som stimulerar en viss typ av sensorisk receptor. Denna process är avgörande för att dechiffrera konkurrerande ljud, men det sker för snabbt för att neurala processer ska hålla jämna steg. Natur , under evolutionens gång, verkar ha producerat ett mycket effektivt elektromekaniskt system, Freeman säger, som kan hålla jämna steg med hastigheten på dessa ljudvågor.

Det nya verket förklarar hur membranets struktur avgör hur väl det filtrerar ljud. Teamet studerade två genetiska varianter som gör att nanoporer i tektorialmembranet är mindre eller större än normalt. Porstorleken påverkar membranets viskositet och dess känslighet för olika frekvenser.

Tektorialmembranet är svampliknande, full av små porer. Genom att studera hur dess viskositet varierar med porstorlek, laget kunde fastställa att den typiska porstorleken som observerats hos möss - cirka 40 nanometer över - representerar en optimal storlek för att kombinera frekvensdiskriminering med övergripande känslighet. Porer som är större eller mindre försämrar hörseln.

"Det förändrar verkligen hur vi tänker om denna struktur, "Säger Ghaffari. De nya fynden visar att vätskeviskositet och porer faktiskt är avgörande för dess prestanda. Ändra storlek på tektorialmembran -nanoporer, via biokemisk manipulation eller på annat sätt, kan ge unika sätt att ändra hörselkänslighet och frekvensdiskriminering.

William Brownell, professor i otolaryngologi vid Baylor College of Medicine, säger, "Detta är den första studien som tyder på att porositet kan påverka cochlear -tuning." Detta jobb, han lägger till, "kan ge insikt" i utvecklingen av specifika hörselproblem.

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.