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Perfectionnement
Jack Freeman a travaillé pendant quatre décennies dans une fabrique de briques bruyante, mais pendant des années, sa femme a eu du mal à croire qu'il avait une déficience auditive. Il restait souvent éveillé tard à regarder la télévision, toujours avec le volume au minimum. Comment peut-il prétendre ne pas m'entendre aussi, quand je viens lui parler ? demanderait-elle.
Le fils de Freeman, Dennis, SM '76, PhD '86, professeur de génie électrique au MIT, étudie l'oreille interne depuis plus de 30 ans. Mais ce n'est que récemment qu'il est allé au fond de la question de sa mère. Le laboratoire de Freeman, dans le laboratoire de recherche du groupe de physiologie auditive de l'électronique, a fait une découverte fondamentale sur l'oreille interne, qui aide à expliquer pourquoi le père de Freeman a des problèmes avec les sons provenant de différentes sources.
Les scientifiques savent depuis longtemps que les gens perdent la capacité de distinguer les sons lorsque l'exposition à un bruit excessif endommage les structures délicates de l'oreille interne. (Le problème peut aussi être congénital.) Mais ils n'ont pas encore découvert pourquoi l'oreille interne est normalement un capteur si extraordinaire, nous permettant de tout entendre, d'un faible murmure au rugissement d'un moteur à réaction, et de distinguer jusqu'à 30 tons entre les fréquences des touches adjacentes d'un piano.
On pense que ces capacités remarquables découlent de l'amplification cochléaire, un processus par lequel la réponse de l'oreille interne aux sons est amplifiée jusqu'à mille fois par l'action collective de 12 000 cellules réceptrices sensorielles. De nombreux chercheurs ont étudié comment les cellules sensorielles individuelles, en particulier celles connues sous le nom de cellules ciliées externes, amplifient les sons, soit en les rendant suffisamment forts pour être entendus, soit en permettant la détection de changements de fréquence infimes. Mais les scientifiques commencent tout juste à comprendre comment différentes parties de l'oreille interagissent avec ces cellules ciliées.
Il y a 12 000 cellules sensorielles dans chaque oreille, et elles se parlent dans un système de rétroaction, dit Freeman. Et ce système est ce que nous essayons de comprendre.
L'intérêt de Freeman est personnel autant qu'universitaire : lorsqu'il a eu un rhumatisme articulaire aigu en quatrième année, la streptomycine utilisée pour le traiter a affaibli son audition. Puis, après sa première année à Penn State, son audition a encore été endommagée par un emploi d'été dans la même usine tonitruante où travaillait son père. Même ainsi, Freeman n'est pas venu au MIT dans les années 1970 pour étudier l'oreille. Il est venu construire des ordinateurs. Puis il a rencontré le professeur Campbell Searle, auteur de son premier manuel sur les circuits, et s'est rendu compte qu'il pouvait appliquer le génie électrique à l'étude de l'audition. Freeman a travaillé avec Searle et d'autres pour essayer de développer des appareils auditifs qui rendaient les sons de la parole plus faciles à comprendre en utilisant le traitement du signal pour effectuer une partie du travail de l'oreille. Mais cette approche, dit Freeman, n'a tout simplement pas fonctionné.
Au début des années 1980, Freeman avait conclu que les modèles d'oreille existants étaient incomplets. Ainsi, au lieu d'essayer de construire une meilleure aide auditive en utilisant ces modèles, il s'est lancé dans un cours accéléré de neurophysiologie et de physiologie cellulaire, afin de pouvoir faire ses recherches doctorales sur l'hydrodynamique cochléaire. Au cours des deux dernières décennies, Freeman a affiné ses modèles pour refléter de nouvelles preuves, telles que la découverte, par William Brownell du Baylor College of Medicine, que les cellules réceptrices sensorielles agissent comme des amplificateurs mécaniques, générant en fait un mouvement dans les structures de l'oreille interne en réponse. au son au lieu de simplement rapporter les mouvements induits par le son au cerveau.
Maintenant, le laboratoire de Freeman a découvert un rôle clé joué par une partie peu comprise de l'oreille interne. À l'aide d'une configuration expérimentale intelligente conçue par l'étudiant diplômé Roozbeh Ghaffari '01, Mng '03, l'équipe de Freeman a démontré que la membrane tectoriale, une structure traditionnellement considérée comme inerte, se déplace en fait, transmettant des ondes qui se déplacent à une vitesse précise, et dans un direction perpendiculaire à celle du mouvement des autres ondes dans l'oreille. L'interaction entre les deux types d'ondes semble rendre les cellules ciliées plus sensibles.
C'est un travail très fondamental, explique Rahul Sarpeshkar '90, professeur agrégé de génie électrique au MIT qui travaille sur les oreilles bioniques et les implants cochléaires. Les gens ont soupçonné que la membrane tectoriale pourrait faire partie d'un système résonant. Mais jusqu'à présent, personne ne l'a jamais montré expérimentalement.
Depuis environ 60 ans, les études de l'oreille interne se sont concentrées sur les cellules sensorielles et leur interaction avec la membrane basilaire, un groupe de fines fibres élastiques. Lorsqu'un son pénètre dans l'oreille, il fait monter et descendre la membrane basilaire, propageant une onde. L'onde se déplace rapidement le long de la membrane et le long de la partie en forme de spirale de l'oreille interne connue sous le nom de cochlée, qui est réglée sur différentes fréquences le long de sa longueur. Lorsqu'une onde atteint la partie de la cochlée réglée sur sa fréquence, elle ralentit. Et lorsque les ondes se déplacent, elles stimulent les cellules ciliées situées au-dessus de la membrane basilaire, qui convertissent les ondes en impulsions nerveuses et vibrent également d'une manière qui amplifie le mouvement des vagues.
Les cellules sensorielles individuelles ne peuvent pas produire d'amplification cochléaire par elles-mêmes. Pour comprendre comment ils collaborent, l'équipe de Freeman s'est penchée sur la membrane tectoriale, qui se trouve au-dessus des cellules ciliées et dans laquelle elles sont intégrées.
Mais la membrane tectoriale n'est pas facile à étudier. C'est comme une plaque de Jell-O, explique Alexander Aranyosi, PhD '02, un chercheur qui a travaillé sur l'étude. Longue d'environ deux centimètres, large de moins d'un demi-millimètre et plus fine qu'un cheveu humain, la membrane est difficile à manipuler et presque transparente. S'il est exposé à l'air, il se ratatine, car il est composé à 97% d'eau.
Le contenu des 3 pour cent restants, cependant, est intrigant. En plus du sucre, la membrane contient de l'alpha-tectorine et de la bêta-tectorine, deux protéines que l'on ne trouve nulle part ailleurs ; les mammifères dépourvus des gènes qui les rendent ont des déficiences auditives congénitales. Freeman a donc encouragé Ghaffari à réfléchir à la façon de simuler la stimulation naturelle de la membrane tectoriale en laboratoire.
Ghaffari a suspendu un morceau d'un demi-millimètre de la membrane tectoriale d'une souris sur deux minuscules supports, chacun de 300 micromètres d'épaisseur, qu'il a construits sur une lame de verre et placé dans une solution saline qui simule l'environnement cochléaire. Un support est collé à la glissière ; l'autre est attaché à un actionneur piézoélectrique et couplé de manière lâche à la glissière. Lorsqu'une tension oscillante est appliquée à l'actionneur, il vibre à une fréquence audio correspondante et déplace le support attaché, provoquant la propagation d'une onde le long de la membrane suspendue. À l'aide d'un système d'imagerie stroboscopique développé précédemment dans le laboratoire de Freeman et construit par Aranyosi, Ghaffari a mesuré des déplacements à l'échelle nanométrique de la membrane jusqu'à plusieurs milliers de cycles par seconde, des fréquences parfaites pour l'audition.
L'équipe a observé que les ondes se déplacent latéralement le long de la membrane tectoriale (les ondes se déplaçant le long de la membrane basilaire se déplacent de haut en bas). Les chercheurs ont également découvert que les ondes se déplacent le long de la membrane tectoriale à peu près à la même vitesse que les ondes de la membrane basilaire qui ont atteint la partie de la cochlée réglée sur leur fréquence. Lorsque vous avez deux vagues se déplaçant à la même vitesse, cela leur donne la possibilité d'interagir, dit Aranyosi. Ils peuvent échanger de l'énergie dans les deux sens. Les deux types d'ondes se déplacent à la même vitesse à un seul endroit, où la cochlée est réglée sur la fréquence d'un son. Ici, l'oreille est capable d'amplifier sélectivement, et donc de distinguer, une fréquence spécifique.
La prochaine étape du groupe est de mesurer ces interactions in vivo. Une fois que nous avons une meilleure compréhension de la façon dont ces interactions d'ondes ont lieu, nous pouvons alors construire des aides auditives qui corrigent réellement le vrai problème plutôt que d'essayer simplement de faire tout sonner plus fort, dit Aranyosi. Les chercheurs prévoient également d'étudier les gènes qui produisent les deux protéines uniques de la membrane tectoriale pour obtenir plus d'indices sur le fonctionnement de l'amplification cochléaire.
Dans le laboratoire Freeman non hiérarchique, les sujets de discussion vont des philosophies orientales aux nouvelles méthodologies pour sonder la cochlée. Nous nous traitons tous comme des collègues et des collègues de travail, par opposition à un professeur et un étudiant ou un chercheur et un étudiant, dit Aranyosi. Tout le monde a quelque chose à apporter et tout le monde a une voix égale dans la façon dont nous faisons les choses.
Beaucoup d'idées subtiles sortent de ces réunions où nous traînons tous avec Denny, dit Ghaffari. C'est comme ça que Denny est.