Нанопоры — основа нашей способности выделять один голос среди шума

Даже в шумной комнате человеческое ухо удивительно хорошо умеет настраиваться на один голос — способность, которую компьютерам до сих пор сложно воспроизвести. Новый анализ лежащих в основе механизмов, проведённый исследователями MIT, дал понимание, которое в конечном итоге может привести к улучшению машинного слуха и, возможно, слуховых аппаратов.

Избирательность нашего уха, как выяснилось, возникает благодаря точной эволюционной настройке крошечной мембраны во внутреннем ухе — покровной (текториальной) мембраны. Вязкость этой мембраны зависит от размера и распределения крошечных пор шириной всего в несколько десятков нанометров. Это, в свою очередь, обеспечивает механическую фильтрацию, помогающую выделять определённые звуки.

Новые результаты опубликованы в Biophysical Journal командой под руководством аспиранта MIT Джонатана Селлона, в которую также вошли научный сотрудник Рузбех Гаффари, бывший аспирант Ширин Фаррахи и профессор электротехники Деннис Фримен. Команда сотрудничала с биологом Гаем Ричардсоном из Университета Сассекса.

Ускользающее понимание

В различении конкурирующих звуков человеческое ухо «необычайно эффективно по сравнению с традиционными технологиями распознавания речи и звука», — говорит Фримен. Точные причины оставались неясными, но важность текториальной мембраны, расположенной в улитке внутреннего уха, стала очевидной в последние годы во многом благодаря работе Фримена и его коллег. Теперь кажется, что ошибочное предположение способствовало долгосрочным трудностям в понимании важности этой мембраны.

Большая часть нашей способности различать звуки основана на частоте, говорит Фримен, поэтому исследователи «предполагали, что чем лучше мы можем различать частоты, тем лучше мы слышим». Но это предположение, как выясняется, не всегда верно.

Фактически, Фримен и его соавторы ранее обнаружили, что текториальные мембраны с определённым генетическим дефектом на самом деле очень чувствительны к вариациям частоты — и результатом является ухудшение слуха, а не его улучшение.

Команда MIT обнаружила «фундаментальный компромисс между тем, насколько хорошо вы можете различать разные частоты, и тем, сколько времени на это требуется», — объясняет Фримен. Это делает более тонкое частотное разрешение слишком медленным, чтобы быть полезным для реальной избирательности слуха.

Слишком быстро для нейронов

Предыдущие работы Фримена и коллег показали, что текториальная мембрана играет фундаментальную роль в различении звуков, проводя волны, которые стимулируют особый тип сенсорных рецепторов. Этот процесс необходим для расшифровки конкурирующих звуков, но он происходит слишком быстро, чтобы нейронные процессы могли за ним угнаться. Природа в ходе эволюции, по-видимому, создала очень эффективную электромеханическую систему, говорит Фримен, которая может успевать за скоростью этих звуковых волн.

Новая работа объясняет, как структура мембраны определяет, насколько хорошо она фильтрует звук. Команда изучила два генетических варианта, из-за которых нанопоры внутри текториальной мембраны становятся меньше или больше нормы. Размер пор влияет на вязкость мембраны и её чувствительность к разным частотам.

Текториальная мембрана похожа на губку, испещрённую крошечными порами. Изучив, как её вязкость меняется в зависимости от размера пор, команда смогла определить, что типичный размер пор, наблюдаемый у мышей — около 40 нанометров в диаметре — представляет собой оптимальный размер для сочетания частотной дискриминации с общей чувствительностью. Поры большего или меньшего размера ухудшают слух.

«Это действительно меняет наш взгляд на эту структуру», — говорит Гаффари. Новые данные показывают, что вязкость жидкости и поры на самом деле необходимы для её работы. Изменение размеров нанопор текториальной мембраны с помощью биохимических манипуляций или других средств может дать уникальные способы изменить чувствительность слуха и частотное разрешение.

Уильям Браунелл, профессор отоларингологии в Медицинском колледже Бейлора, говорит: «Это первое исследование, предполагающее, что пористость может влиять на настройку улитки». Эта работа, добавляет он, «может дать понимание» для разработки методов лечения конкретных проблем со слухом.