Los científicos descubren cómo el mismo oído percibe susurros y escucha música aullante

Un árbol que es lo suficientemente flexible como para sacudirse con una ligera brisa probablemente será arrancado de raíz con una ráfaga de viento. Por otro lado, un árbol robusto que resiste la fuerza de una fuerte ráfaga de viento difícilmente se sacudirá con una ligera brisa. Pero a diferencia del árbol, nuestros oídos pueden manejar ambos extremos del espectro.

El sistema auditivo humano, una maravilla de la naturaleza, no sólo detecta las señales sonoras más débiles, sino que también demuestra una notable resistencia ante ruidos atronadores. Esta adaptabilidad nos permite distinguir los susurros más suaves de nuestros seres queridos y sumergirnos en la música atronadora de una discoteca.

Investigaciones recientes han revelado un mecanismo fascinante que permite que nuestro sistema auditivo se adapte a diversos entornos sonoros. Así como nuestras pupilas se dilatan en la oscuridad y se contraen con la luz brillante, nuestros oídos tienen mecanismos que nos ayudan a adaptarnos para “ver” en ambientes sonoros oscuros y nos protegen de ambientes sonoros hostiles.

¿Cómo escuchamos?

En el corazón de nuestro sistema auditivo se encuentran células ciliadas complejas ubicadas dentro de la cóclea humana. Cada cóclea alberga alrededor de 16.000 de estas células sensoriales en forma de matraz, cada una con un grupo de proyecciones parecidas a pelos llamadas estereocilios. Estos estereocilios, dispuestos como una escalera de menor a mayor, son la clave de nuestra audición.

Dos estereocilios adyacentes están conectados por un enlace extracelular filamentoso llamado «enlace de punta». Estos enlaces de punta, que funcionan como una compleja red de conexiones, son esenciales para nuestro proceso auditivo, ya que convierten las ondas sonoras en señales eléctricas que nuestro cerebro puede interpretar.

Cuando las ondas sonoras llegan al oído, crean vibraciones en el líquido del oído interno. Estas vibraciones hacen que los estereocilios se doblen, lo que estira los enlaces que los conectan. Este estiramiento abre canales iónicos en los estereocilios que permiten que los iones de potasio ingresen a la célula ciliada y creen una señal eléctrica.

Las células nerviosas unidas a las células ciliadas captan esta señal y la envían al cerebro, donde se interpreta como un sonido. Este mecanismo es similar al de un micrófono que convierte ondas sonoras en señales eléctricas.

Un disyuntor mecánico

Los humanos pueden percibir sonidos con una frecuencia de 20 Hz a 20 kHz y una intensidad de 5 a 120 decibeles (dB). Estos sonidos producen una fuerza de 10 a 100 piconewtons (pN) sobre los eslabones de la punta. Debemos aplicar una fuerza de aproximadamente un newton (N) para sostener una manzana o una naranja en nuestras manos. Un newton equivale a mil billones de piconewtons. Por tanto, podemos imaginar cuán débil es la fuerza que actúa sobre los eslabones de la punta.

El audífono se basa en conexiones en forma de púas. Cada enlace en forma de púa está compuesto por dos proteínas, cadherina-23 (CDH23) y protocadherina-15 (PCDH15). Estas proteínas corren el riesgo de romperse cuando se exponen a ruidos fuertes. Sorprendentemente, esta degradación es en realidad un mecanismo de protección que evita que los sonidos dañinos lleguen a las células ciliadas del oído, que no pueden regenerarse una vez dañadas. Pero a diferencia de las células ciliadas, las conexiones en forma de púas pueden regenerarse, lo que ayuda a preservar nuestra audición.

Los enlaces de púas se disocian naturalmente en respuesta a los sonidos ambientales. Normalmente, la vida media de un complejo de unión a picos es de aproximadamente 31,8 segundos. Los enlaces de punta se desatan y vuelven a unir repetidamente y mantienen la red en las células ciliadas.

La pérdida auditiva temporal que podemos experimentar después de una fuerte explosión o música a todo volumen es el resultado de la pérdida simultánea de múltiples complejos de unión de picos. Una vez que los complejos se reforman, la función de las células ciliadas vuelve a sus niveles normales. De hecho, funcionan como un disyuntor mecánico en el sistema auditivo.

La vida útil de los eslabones de punta depende de la intensidad del sonido a la que están expuestos. Si la intensidad del sonido es alta, los eslabones de punta sobreviven sólo un corto tiempo. Se rompen rápidamente. A 1 kHz, los enlaces de punta experimentan una tensión de 5 pN. A una frecuencia más alta de 4 kHz, el voltaje aumenta a 34 pN. La vida media del complejo de eslabones de punta es de sólo ocho segundos cuando se somete a una fuerza de 10 pN.

Esto implica que las uniones más modernas deben romperse en cuestión de minutos en entornos ruidosos.

“El oído humano es sensible a 5 dB, y no se espera que el enlace de punta que puede responder a estos estímulos débiles sobreviva al sonido penetrante de un club nocturno o de una orquesta, lo que deja sorda a la mayoría de las personas. Dado que esto no ocurre, parece apropiado esperar un mecanismo que proteja la transducción en fuerzas grandes”, dijo Sabyasachi Rakshit, autor principal del nuevo artículo y profesor asociado en el Departamento de Ciencias Químicas del Instituto Indio de Educación e Investigación Científica. , Mohali.

Abhishek Chaudhuri, el otro autor principal y también profesor asociado en el mismo departamento, añadió: «Queríamos descubrir el mecanismo que permite que los enlaces de punta sobrevivan a fuerzas de frecuencia y amplitud variables y capturar las características que pueden explicar la audición ininterrumpida. »

Poniendo enlaces de consejos a prueba

Podemos determinar la resistencia de un trozo de alambre fijando un extremo al techo con unos alicates y colgando pesas en el otro extremo. De manera similar, los investigadores utilizaron un microscopio de fuerza atómica (AFM) para unir los complejos de enlace de la punta y observaron la vida útil del enlace de la punta: cuánto tiempo sobrevivió sin romperse cuando se modificó la cantidad de fuerza.

Descubrieron que un complejo de unión de punta exhibe tres tipos distintos de respuestas dependiendo de la fuerza.

Como era de esperar, la vida útil del complejo disminuyó cuando la fuerza aplicada fue baja. Pero cuando aumentó la magnitud de la fuerza, la vida útil disminuyó. El complejo tampoco se vio afectado por fuerzas de tracción promedio entre 36 pN y 70 pN.

Cuando se someten a fuerzas significativas superiores a 80 pN (que corresponden a sonidos intensos), las puntas de los auriculares se desconectan para proteger el sistema auditivo. Con fuerzas aún mayores, las puntas de los auriculares solo permanecen intactas durante un breve periodo de tiempo.

“Los eslabones de la punta actúan como un sensor de fuerza, equilibrando la fuerza entrante e interviniendo para protegernos del peligro. Esta respuesta a un nivel de ruido más alto corta la transmisión que protege las células ciliadas”, dijo el Dr. Rakshit.

Como un panel de control sensible en nuestros oídos, el tip-link detecta primero señales mecánicas sutiles de los sonidos entrantes. Luego los convierte en señales eléctricas, lo que nos permite escuchar sonidos débiles. «Sin embargo, este pequeño complejo proteína-proteína se convierte en un guardián cuando el sonido es fuerte», dice el Dr. Chaudhuri. Descubrimos que los enlaces de punta actúan como filtros de fuerza, transmitiendo selectivamente fuerzas débiles para activar canales iónicos mientras bloquean niveles de fuerza intermedios. Además, ante fuerzas extremadamente elevadas, los tip-links se desenganchan por completo, evitando así daños en nuestro audífono. »

Es bien sabido que una mutación en la proteína PCDH15 provoca sordera hereditaria. «Realizamos estudios similares con enlaces de punta mutados y descubrimos que la curva de fuerza vital del mutante es dramáticamente diferente», dice Sabyasachi.

La vida útil del eslabón de punta mostró tres tipos de respuestas en todo el rango de fuerza en eslabones de punta ordinarios. Sin embargo, en la unión de punta mutada, la respuesta se reduce al aumentar la fuerza en todos los rangos de fuerza.

«No pudimos observar el comportamiento de rango medio observado en el enlace de punta normal, en los enlaces de punta mutados», añadió.

Esto implica que la capacidad de la unión normal de la punta para responder a fuerzas de rango medio es crucial para la audición, y la sordera hereditaria es el resultado de la pérdida de esta función relacionada con una mutación.

“Al descifrar los complejos mecanismos de las conexiones entre las extremidades, estamos allanando el camino para el desarrollo de estrategias innovadoras para proteger contra la pérdida auditiva causada por ruidos fuertes. Con más investigaciones, esperamos descubrir más secretos de este fascinante sistema biológico. Esto podría mejorar potencialmente la calidad de vida de millones de personas afectadas por la pérdida auditiva”, afirmó Amin Sagar, autor principal y ex becario postdoctoral en IISER Mohali.

El equipo estaba formado por Nisha Arora, Jagadish P. Hazra, Sandip Roy, Gaurav K. Bhati, Sarika Gupta, KP Yogendran, Abhishek Chaudhuri, Amin Sagar y Sabyasachi Rakshit. El documento de estudio. se publicó en el Diario Comunicaciones de la naturaleza.

TV Venkateswaran es comunicador científico y miembro visitante del cuerpo docente del Instituto Indio de Educación e Investigación Científica, en Mohali.