211service.com
Prezentācijas pilnveidošana
Džeks Frīmens četrus gadu desmitus strādāja trokšņainā ķieģeļu ražošanas rūpnīcā, taču gadiem ilgi viņa sievai bija grūti noticēt, ka viņam ir dzirdes zudums. Viņš bieži nomodā vēlu, skatoties televizoru — vienmēr ar zemu skaļumu. Kā viņš var apgalvot, ka nedzird arī mani, kad es ienāku ar viņu runāt? viņa jautātu.
Frīmansa dēls Deniss, SM ‘76, PhD ‘86, MIT elektrotehnikas profesors, ir pētījis iekšējo ausi vairāk nekā 30 gadus. Bet tikai nesen viņš ir ticis pie savas mātes jautājuma būtības. Frīmena laboratorija Elektronikas dzirdes fizioloģijas grupas pētniecības laboratorijā ir veikusi fundamentālu atklājumu par iekšējo ausi, kas palīdz izskaidrot, kāpēc Frīmena tēvam ir problēmas ar skaņām no dažādiem avotiem.
Zinātnieki jau sen ir zinājuši, ka cilvēki zaudē spēju atšķirt skaņas, ja pārmērīga trokšņa iedarbība bojā iekšējās auss smalkās struktūras. (Problēma var būt arī iedzimta.) Bet viņiem vēl ir jāatklāj, kāpēc iekšējā auss parasti ir tik neparasts sensors, kas ļauj mums dzirdēt visu, sākot no klusiem čukstiem līdz reaktīva dzinēja rūkoņai, un atšķirt līdz pat 30 toņiem. starp blakus esošo klavieru taustiņu frekvencēm.
Tiek uzskatīts, ka šīs ievērojamās spējas rodas no kohleārās pastiprināšanas — procesa, kurā iekšējās auss reakcija uz skaņām tiek pastiprināta pat tūkstoškārtīgi, kolektīvi iedarbojoties uz 12 000 sensoro receptoru šūnām. Daudzi pētnieki ir pētījuši, kā atsevišķas sensorās šūnas, īpaši tās, kas pazīstamas kā ārējās matu šūnas, darbojas, lai palielinātu skaņas, padarot tās pietiekami skaļas, lai dzirdētu, vai ļaujot noteikt nelielas frekvences izmaiņas. Bet zinātnieki tikai sāk saprast, kā dažādas auss daļas mijiedarbojas ar šīm matu šūnām.
Katrā ausī ir 12 000 sensoro šūnu, un tās savā starpā runā atgriezeniskās saites sistēmā, saka Frīmens. Un šo sistēmu mēs cenšamies saprast.
Frīmena interese ir gan personiska, gan akadēmiska: kad viņš ceturtajā klasē saslima ar reimatisko drudzi, tā ārstēšanai izmantotais streptomicīns vājināja viņa dzirdi. Pēc tam, kad viņš bija ieguvis pirmo kursu Penn State, viņa dzirdi vēl vairāk sabojāja vasaras darbs tajā pašā rūpnīcā, kur strādāja viņa tēvs. Tomēr Frīmens 1970. gados neieradās MIT, lai pētītu ausi. Viņš nāca būvēt datorus. Pēc tam viņš tikās ar profesoru Kempbelu Sērlu — viņa pirmās shēmas mācību grāmatas autoru — un saprata, ka viņš var izmantot elektrotehniku dzirdes pētījumos. Frīmens strādāja ar Sērlu un citiem, lai mēģinātu izstrādāt dzirdes aparātus, kas padarītu runas skaņas vieglāk saprotamas, izmantojot signālu apstrādi, lai veiktu daļu no auss darba. Bet šī pieeja, Frīmens saka, vienkārši nedarbojās.
Līdz 80. gadu sākumam Frīmens bija secinājis, ka esošie ausu modeļi ir nepilnīgi. Tā vietā, lai mēģinātu izveidot labāku dzirdes aparātu, izmantojot šos modeļus, viņš uzsāka neirofizioloģijas un šūnu fizioloģijas avārijas kursu, lai viņš varētu veikt doktora pētījumu par kohleāro hidrodinamiku. Pēdējo divu desmitgažu laikā Frīmens ir uzlabojis savus modeļus, lai atspoguļotu jaunus pierādījumus, piemēram, Viljama Brauna (William Brownell) no Beiloras Medicīnas koledžas atklājumu, ka sensoro receptoru šūnas darbojas kā mehāniski pastiprinātāji, faktiski ģenerējot kustību iekšējās auss struktūrās. lai skanētu, nevis vienkārši ziņotu par skaņas izraisītām kustībām smadzenēm.
Tagad Frīmena laboratorija ir atklājusi galveno lomu, ko spēlē maz saprotama iekšējās auss daļa. Izmantojot gudru eksperimentālo uzstādījumu, ko izstrādājis absolvents Roozbeh Ghaffari '01, Mng '03, Frīmena komanda pierādīja, ka tektoriālā membrāna, struktūra, kas tradicionāli tiek uzskatīta par inertu, faktiski kustas, pārraidot viļņus, kas pārvietojas ar precīzu ātrumu un virziens ir perpendikulārs citu viļņu kustības virzienam ausī. Šķiet, ka abu veidu viļņu mijiedarbība padara matu šūnas jutīgākas.
Tas ir ļoti būtisks darbs, saka Rahul Sarpeshkar ‘90, MIT elektrotehnikas asociētais profesors, kurš strādā ar bioniskajām ausīm un kohleārajiem implantiem. Cilvēkiem ir aizdomas, ka tektoriālā membrāna varētu būt daļa no rezonanses sistēmas. Bet līdz šim neviens to nekad nav eksperimentāli parādījis.
Apmēram 60 gadus iekšējās auss pētījumi ir vērsti uz maņu šūnām un to mijiedarbību ar bazilāro membrānu, plānu elastīgo šķiedru grupu. Kad skaņa iekļūst ausī, tā izraisa bazilārās membrānas kustību uz augšu un uz leju, izplatot vilni. Vilnis ātri pārvietojas gar membrānu un lejup pa spirālveida iekšējās auss daļu, kas pazīstama kā gliemežnīca, kas visā garumā ir noregulēta uz dažādām frekvencēm. Kad vilnis sasniedz gliemežnīcas daļu, kas noregulēta uz tās frekvenci, tas palēninās. Un, viļņiem ceļojot, tie stimulē matu šūnas, kas atrodas virs bazilārās membrānas, kas pārvērš viļņus nervu impulsos un arī vibrē tā, lai viļņu kustība pastiprinās.
Atsevišķas sensorās šūnas nevar pašas radīt kohleāro pastiprināšanos. Lai noskaidrotu, kā viņi sadarbojas, Frīmena komanda aplūkoja tektoriālo membrānu, kas atrodas virs matu šūnām un kurā tie ir iestrādāti.
Bet tektoriālo membrānu nav viegli izpētīt. Tas ir kā Jell-O plāksne, saka Aleksandrs Aranyosi, PhD ‘02, pētnieks, kurš strādāja pie pētījuma. Aptuveni divus centimetrus gara, mazāk nekā pusmilimetru plata un plānāka par cilvēka matu, membrāna ir grūti manipulējama un gandrīz caurspīdīga. Ja tiek pakļauts gaisam, tas saraujas, jo 97 procenti tajā ir ūdens.
Tomēr atlikušo 3 procentu saturs ir intriģējošs. Papildus cukuram membrāna satur alfa-tektorīnu un beta-tektorīnu, divas olbaltumvielas, kas nekur citur nav atrodamas; zīdītājiem, kuriem trūkst gēnu, kas padara tos ar iedzimtiem dzirdes traucējumiem. Tāpēc Frīmens mudināja Gafari domāt par to, kā modelēt dabisko tektoriālās membrānas stimulāciju laboratorijā.
Gafari piekarināja pusmilimetru lielu peles tektoriālās membrānas gabalu pāri diviem maziem balstiem, katrs 300 mikrometrus biezs, ko viņš uzbūvēja uz stikla priekšmetstikliņa un ievietoja sāls šķīdumā, kas imitē kohleāro vidi. Slaidam pielīmēts viens balsts; otrs ir piestiprināts pie pjezoelektriskā izpildmehānisma un brīvi savienots ar slīdni. Kad izpildmehānismam tiek pielikts svārstīgs spriegums, tas vibrē ar atbilstošu audio frekvenci un pārvieto pievienoto balstu, izraisot viļņa virzību lejup pa piekārto membrānu. Izmantojot stroboskopiskās attēlveidošanas sistēmu, kas iepriekš tika izstrādāta Frīmena laboratorijā un kuru uzbūvēja Aranyosi, Gafari izmērīja membrānas nobīdes nanometru mērogā ar līdz pat vairākiem tūkstošiem ciklu sekundē, kas ir ideāli piemērotas dzirdei.
Komanda novēroja, ka viļņi pārvietojas no vienas puses uz otru gar tektoriālo membrānu (viļņi, kas pārvietojas gar bazilāro membrānu, pārvietojas uz augšu un uz leju). Pētnieki arī atklāja, ka viļņi pārvietojas gar tektoriālo membrānu ar aptuveni tādu pašu ātrumu kā bazilārās membrānas viļņi, kas ir sasnieguši gliemežnīcas daļu, kas noregulēta to frekvencei. Ja jums ir divi viļņi, kas pārvietojas ar tādu pašu ātrumu, tas dod viņiem iespēju mijiedarboties, saka Aranyosi. Viņi var tirgoties ar enerģiju uz priekšu un atpakaļ. Abu veidu viļņi pārvietojas ar tādu pašu ātrumu tikai vienā vietā - kur gliemežnīca ir noregulēta uz skaņas frekvenci. Šeit auss spēj selektīvi pastiprināt un tādējādi atšķirt noteiktu frekvenci.
Nākamais grupas solis ir izmērīt šīs mijiedarbības in vivo. Kad mēs labāk sapratīsim, kā notiek šīs viļņu mijiedarbības, mēs varam izveidot dzirdes aparātus, kas faktiski novērš patieso problēmu, nevis vienkārši mēģinātu padarīt visu skaļāku, saka Aranyosi. Pētnieki arī plāno izpētīt gēnus, kas ražo tektoriālās membrānas divus unikālos proteīnus, lai iegūtu vairāk norādes par to, kā darbojas kohleārā amplifikācija.
Nehierarhiskajā Frīmena laboratorijā diskusiju tēmas svārstās no austrumu filozofijām līdz jaunām metodoloģijām gliemežnīcas zondēšanai. Mēs visi viens pret otru izturamies kā pret kolēģiem un kolēģiem, pretstatā profesoram un studentam vai pētniekam un studentam, saka Aranosi. Ikvienam ir kaut kas jāiegulda, un ikvienam ir dota vienlīdzīga balss, kā mēs darām lietas.
Šajās sanāksmēs, kurās mēs visi vienkārši pavadām laiku kopā ar Deniju, rodas daudz smalku ideju, saka Gafari. Tāds ir Denijs.