211service.com
Tobulinimas Pitch
Jackas Freemanas keturis dešimtmečius dirbo triukšmingoje plytų gamykloje, tačiau ilgus metus jo žmonai buvo sunku patikėti, kad jis prarado klausą. Jis dažnai nemiegodavo iki vėlumos ir žiūrėdavo televizorių – visada su mažu garsu. Kaip jis gali teigti, kad manęs taip pat negirdi, kai ateinu pasikalbėti su juo? ji paklaustų.
Freemanso sūnus Dennisas, SM '76, PhD '86, MIT elektrotechnikos profesorius, vidinę ausį tiria daugiau nei 30 metų. Tačiau tik neseniai jis suprato savo motinos klausimo esmę. Freemano laboratorija Elektronikos klausos fiziologijos tyrimų laboratorijoje padarė esminį atradimą apie vidinę ausį, kuris padeda paaiškinti, kodėl Freemano tėvas turi problemų su garsais iš skirtingų šaltinių.
Mokslininkai jau seniai žinojo, kad žmonės praranda gebėjimą atskirti garsus, kai per didelis triukšmas pažeidžia subtilias vidinės ausies struktūras. (Problema taip pat gali būti įgimta.) Tačiau jie dar turi išsiaiškinti, kodėl vidinė ausis paprastai yra toks nepaprastas jutiklis – leidžiantis girdėti viską nuo tylaus šnabždesio iki reaktyvinio variklio riaumojimo ir atskirti iki 30 tonų. tarp gretimų pianino klavišų dažnių.
Manoma, kad šie puikūs sugebėjimai atsiranda dėl kochlearinio stiprinimo – proceso, kurio metu vidinės ausies atsakas į garsus sustiprėja net tūkstantį kartų dėl kolektyvinio 12 000 jutimo receptorių ląstelių veikimo. Daugelis tyrėjų ištyrė, kaip atskiros jutimo ląstelės, ypač žinomos kaip išorinės plauko ląstelės, padidina garsus ir daro juos pakankamai garsiais, kad girdėtų, arba leidžia aptikti nedidelius dažnio pokyčius. Tačiau mokslininkai tik pradeda suprasti, kaip skirtingos ausies dalys sąveikauja su šiomis plaukų ląstelėmis.
Kiekvienoje ausyje yra 12 000 jutimo ląstelių ir jos kalba viena su kita grįžtamojo ryšio sistemoje, sako Freemanas. Ir tą sistemą mes bandome suprasti.
Freemano susidomėjimas yra asmeninis ir akademinis: kai jis ketvirtoje klasėje susirgo reumatu, jai gydyti naudojamas streptomicinas susilpnino jo klausą. Tada, po pirmųjų studijų metų Peno valstijoje, jo klausą dar labiau pakenkė vasaros darbas tame pačiame griausmingame fabrike, kuriame dirbo jo tėvas. Nepaisant to, Freemanas aštuntajame dešimtmetyje neatvyko į MIT tirti ausies. Jis atėjo kurti kompiuterių. Tada jis susitiko su profesoriumi Campbellu Searle'u – savo pirmojo schemų vadovėlio autoriumi – ir suprato, kad klausos tyrimams gali pritaikyti elektrotechniką. Freemanas bendradarbiavo su Searle ir kitais, siekdamas sukurti klausos aparatus, kurie padėtų lengviau suprasti kalbos garsus, naudojant signalo apdorojimą, kad būtų galima atlikti tam tikrą ausies darbą. Tačiau toks požiūris, sako Freemanas, tiesiog neveikė.
Devintojo dešimtmečio pradžioje Freemanas padarė išvadą, kad esami ausies modeliai buvo neišsamūs. Taigi, užuot bandęs sukurti geresnį klausos aparatą naudodamas tuos modelius, jis pradėjo greitąjį neurofiziologijos ir ląstelių fiziologijos kursą, kad galėtų atlikti doktorantūros studijas kochlearinės hidrodinamikos srityje. Per pastaruosius du dešimtmečius Freemanas patobulino savo modelius, kad atspindėtų naujus įrodymus, pavyzdžiui, Williamo Brownello iš Baylor medicinos koledžo atradimą, kad jutimo receptorių ląstelės veikia kaip mechaniniai stiprintuvai, iš tikrųjų generuodamos judesį vidinės ausies struktūrose, kaip atsaką. skambėti, o ne tiesiog pranešti apie garso sukeltus judesius smegenims.
Dabar Freemano laboratorija atskleidė pagrindinį vaidmenį, kurį atlieka mažai suprantama vidinės ausies dalis. Naudodama sumanią eksperimentinę sąranką, kurią sukūrė magistrantė Roozbeh Ghaffari '01, Mng '03, Freemano komanda įrodė, kad tektorinė membrana, tradiciškai inertiška struktūra, iš tikrųjų juda, perduodama bangas, kurios sklinda tiksliu greičiu. kryptis statmena kitų bangų judėjimui ausyje. Atrodo, kad dėl dviejų bangų rūšių sąveikos plaukų ląstelės tampa jautresnės.
Tai labai svarbus darbas, sako Rahul Sarpeshkar ‘90, MIT elektrotechnikos docentas, dirbantis su bioninėmis ausimis ir kochleariniais implantais. Žmonės įtarė, kad tectorial membrana gali būti rezonansinės sistemos dalis. Tačiau iki šiol niekas to neparodė eksperimentiškai.
Maždaug 60 metų vidinės ausies tyrimai buvo skirti jutimo ląstelėms ir jų sąveikai su bazine membrana, plonų elastinių skaidulų grupe. Kai garsas patenka į ausį, baziliarinė membrana juda aukštyn ir žemyn, sklindančia banga. Banga greitai sklinda išilgai membranos ir žemyn spiralės formos vidinės ausies dalimi, vadinama sraigė, kuri per visą ilgį sureguliuota skirtingais dažniais. Kai banga pasiekia sraigės dalį, suderintą pagal jos dažnį, ji sulėtėja. O bangoms keliaujant jos stimuliuoja virš baziliarinės membranos esančias plauko ląsteles, kurios bangas paverčia nerviniais impulsais ir taip pat vibruoja taip, kad sustiprintų bangos judesį.
Atskiros jutimo ląstelės negali pačios sukurti kochlearinės amplifikacijos. Kad išsiaiškintų, kaip jie bendradarbiauja, Freemano komanda pažvelgė į tekcinę membraną, esančią virš plaukų ląstelių ir kurioje jie yra įterpti.
Tačiau tektorinę membraną nėra lengva ištirti. Tai tarsi „Jell-O“ plokštė, sako Aleksandras Aranyosi, 2002 m. mokslų daktaras, tyrėjas, dirbęs su tyrimu. Maždaug dviejų centimetrų ilgio, mažiau nei pusės milimetro pločio ir plonesnė už žmogaus plauką membrana yra sunkiai valdoma ir beveik skaidri. Patekęs į orą, jis susitraukia, nes tai 97 procentai vandens.
Tačiau likusių 3 procentų turinys intriguoja. Be cukraus, membranoje yra alfa-tektorino ir beta-tektorino – dviejų niekur kitur nerandamų baltymų; žinduolių, kuriems trūksta genų, dėl kurių jie turi įgimtų klausos sutrikimų. Taigi Freemanas paskatino Ghaffari pagalvoti, kaip laboratorijoje imituoti natūralų tectorial membranos stimuliavimą.
Ghaffari pakabino pusės milimetro pelės tekcinės membranos gabalėlį ant dviejų mažyčių 300 mikrometrų storio atramų, kurias pastatė ant stiklelio ir įdėjo į fiziologinį tirpalą, imituojantį kochlearinę aplinką. Viena atrama priklijuota prie čiuožyklos; kitas yra pritvirtintas prie pjezoelektrinės pavaros ir laisvai prijungtas prie slankiklio. Kai pavara yra nukreipta į svyruojančią įtampą, ji vibruoja atitinkamu garso dažniu ir judina pritvirtintą atramą, todėl banga nukeliauja pakabinama membrana. Naudodamas stroboskopinę vaizdo gavimo sistemą, anksčiau sukurtą Freemano laboratorijoje ir sukurtą Aranyosi, Ghaffari išmatavo nanometrų mastelio membranos poslinkius iki kelių tūkstančių ciklų per sekundę – dažniai puikiai tinka klausai.
Komanda pastebėjo, kad bangos juda išilgai tektorialinės membranos (bangos, einančios išilgai baziliarinės membranos, juda aukštyn ir žemyn). Tyrėjai taip pat išsiaiškino, kad bangos juda palei tektorialinę membraną maždaug tokiu pat greičiu, kaip ir baziliarinės membranos bangos, pasiekusios pagal jų dažnį suderintą sraigės dalį. Kai dvi bangos juda tuo pačiu greičiu, tai suteikia joms galimybę sąveikauti, sako Aranyosi. Jie gali prekiauti energija pirmyn ir atgal. Dviejų rūšių bangos sklinda tuo pačiu greičiu tik vienoje vietoje - kur sraigė yra suderinta su garso dažniu. Čia ausis gali selektyviai sustiprinti ir taip atskirti tam tikrą dažnį.
Kitas grupės žingsnis yra išmatuoti šias sąveikas in vivo. Kai geriau suprasime, kaip vyksta tos bangų sąveikos, galėsime sukurti klausos aparatus, kurie iš tikrųjų ištaisytų tikrąją problemą, o ne tiesiog stengtųsi, kad viskas skambėtų garsiau, sako Aranyosi. Tyrėjai taip pat planuoja ištirti genus, gaminančius du unikalius tekcinės membranos baltymus, kad gautų daugiau užuominų apie tai, kaip veikia kochlearinė amplifikacija.
Nehierarchinėje Freemano laboratorijoje diskusijų temos svyruoja nuo Rytų filosofijos iki naujų sraigės tyrimo metodikų. Mes visi laikome vieni kitus kaip kolegas ir bendradarbius, o ne profesorius ir studentus ar mokslininkus ir studentus, sako Aranyosi. Kiekvienas turi kažkuo prisidėti, ir kiekvienam suteikiamas vienodas balsas, kaip mes darome dalykus.
Daug subtilių idėjų kyla iš šių susitikimų, kuriuose visi tiesiog leidžiame laiką su Denny, sako Ghaffari. Tiesiog toks yra Denny.