Drzewo, które jest wystarczająco giętkie, by drżeć na delikatnym wietrze, bez wątpienia zostanie wyrwane z korzeniami podczas nawałnicy. Z drugiej strony, wytrzymałe drzewo, które opiera się sile silnego sztormu, nie będzie się trząść podczas delikatnego wietrzyku. Jednak w przeciwieństwie do drzewa, nasze uszy mogą poradzić sobie z obydwoma końcami spektrum.

Ludzki układ słuchowy, cud natury, nie tylko wykrywa najsłabsze sygnały dźwiękowe, ale także wykazuje niezwykłą odporność w obliczu grzmiących dźwięków. Ta zdolność adaptacji pozwala nam odróżnić najcichsze szepty naszych bliskich i zanurzyć się w grzmiącej muzyce nocnego klubu.

Ostatnie badania ujawniły fascynujący mechanizm, który pozwala naszemu układowi słuchowemu dostosowywać się do różnych środowisk dźwiękowych. Podobnie jak nasze źrenice rozszerzają się w ciemności i kurczą w jasnym świetle, nasze uszy mają mechanizmy, które pomagają dostosować się do „widzenia” w przyćmionych środowiskach dźwiękowych i chronią nas przed trudnymi środowiskami dźwiękowymi.

Jak słyszymy?

Sercem naszego układu słuchowego są skomplikowane komórki włoskowate zagnieżdżone w ludzkim ślimaku. Każdy ślimak mieści około 16 000 tych kolbowatych komórek sensorycznych, z których każda ma skupisko włoskowatych wypustek zwanych stereociliami. Te stereocilia, ułożone jak schody od najkrótszej do najwyższej, są kluczem do naszego słuchu.

Dwa sąsiadujące stereocilia są połączone włóknistą pozakomórkową więzią zwaną łącznikiem czubkowym. Te łączniki czubkowe, działające jak złożona sieć połączeń, są kluczowe w naszym procesie słyszenia, zamieniając fale dźwiękowe na sygnały elektryczne, które nasz mózg może interpretować.

Gdy fale dźwiękowe docierają do ucha, powodują drgania w płynie ucha wewnętrznego. Drgania te powodują wyginanie się stereociliów, rozciągając łączniki końcówek, które je łączą. To rozciąganie otwiera kanały jonowe w stereociliach, które umożliwiają jonom potasu przedostanie się do komórki włosowatej i utworzenie sygnału elektrycznego.

Komórki nerwowe przyczepione do komórek włoskowatych odbierają ten sygnał i wysyłają go do mózgu, gdzie jest on interpretowany jako dźwięk. Mechanizm ten jest podobny do mikrofonu zamieniającego fale dźwiękowe na sygnały elektryczne.

Wyłącznik mechaniczny

Ludzie mogą odbierać dźwięk w zakresie częstotliwości od 20 Hz do 20 kHz i intensywności 5-120 decybeli (dB). Dźwięki te wytwarzają siłę 10-100 pikoniutonów (pN) na ogniwach końcówek. Musimy zastosować siłę około jednego niutona (N), aby utrzymać jabłko lub pomarańczę w dłoniach. Jeden niuton jest równy tysiącowi miliardów pikoniutonów. Możemy więc sobie wyobrazić, jak mała jest siła działająca na ogniwa końcówek.

Układ słuchowy opiera się na połączeniach końcówek. Każde połączenie końcówek składa się z dwóch białek, kadheryny-23 (CDH23) i protokadheryny-15 (PCDH15). Te białka są narażone na pękanie pod wpływem głośnych dźwięków. Co zaskakujące, pękanie to jest w rzeczywistości mechanizmem ochronnym, który zapobiega przedostawaniu się szkodliwych dźwięków do komórek włoskowatych w uchu, które nie mogą się regenerować po uszkodzeniu. Jednak w przeciwieństwie do komórek włoskowatych połączenia końcówek mogą się regenerować, co pomaga zachować słuch.

Łącza końcówek rozłączają się naturalnie w odpowiedzi na dźwięki otoczenia. Zazwyczaj średni czas życia kompleksu łączników końcówek wynosi około 31,8 sekundy. Łącza końcówek rozłączają się i łączą ponownie wielokrotnie, utrzymując sieć w komórkach włosowatych.

Tymczasowa utrata słuchu, której możemy doświadczyć po głośnym wybuchu lub głośnej muzyce, jest wynikiem utraty wielu kompleksów połączeń wierzchołkowych w tym samym czasie. Gdy kompleksy się odbudują, funkcja komórek włoskowatych wraca do normalnego poziomu. W efekcie działają jak mechaniczny wyłącznik obwodu w układzie słuchowym.

Żywotność ogniwa końcówki jest związana z głośnością dźwięków, na które są wystawione. Jeśli głośność jest wysoka, ogniwa końcówki przetrwają tylko przez krótki czas. Szybko się rozpadają. Przy częstotliwości 1 kHz ogniwa końcówki doświadczają napięcia 5 pN. Przy wyższej częstotliwości 4 kHz napięcie wzrasta do 34 pN. Średnia żywotność kompleksu ogniw końcówki wynosi zaledwie osiem sekund po poddaniu go sile 10 pN.

Oznacza to, że w przypadku występowania zakłóceń w otoczeniu, ogniwa łączące muszą rozpaść się w ciągu kilku minut.

„Ludzkie ucho jest wrażliwe nawet na 5 dB, a ogniwo, które może reagować na tak niskie bodźce, nie powinno przetrwać przenikliwego dźwięku w klubie nocnym lub orkiestrze, co powoduje głuchotę większości ludzi. Ponieważ tak się nie dzieje, wydaje się właściwe oczekiwać mechanizmu, który zabezpiecza transdukcję przy dużych siłach” – powiedział Sabyasachi Rakshit, główny autor nowego artykułu i adiunkt w Katedrze Nauk Chemicznych w Instytucie Edukacji Naukowej i Badań w Mohali.

Abhishek Chaudhuri, drugi główny autor i adiunkt na tym samym wydziale, dodał: „Interesowało nas znalezienie mechanizmu, który umożliwia ogniwom końcówek przetrwanie sił o różnej częstotliwości i amplitudzie oraz uchwycenie cech, które mogą wyjaśnić nieprzerwane słyszenie”.

Poddajemy linki do wskazówek testom

Możemy określić wytrzymałość odcinka nici, mocując jeden koniec zaciskiem do dachu i zawieszając ciężarki na drugim końcu. Podobnie, naukowcy użyli mikroskopu sił atomowych (AFM) do zabezpieczenia kompleksów ogniwa końcówki i obserwowali żywotność ogniwa końcówki: jak długo przetrwało bez zerwania, gdy zmieniała się siła.

Odkryli, że zespół końcówka-łącznik wykazuje trzy różne typy reakcji w zależności od siły.

Zgodnie z przewidywaniami, żywotność kompleksu zmniejszała się, gdy siła była niska. Jednak gdy wielkość siły wzrastała, żywotność spadała. Kompleks był również zaskakująco niewrażliwy na siły rozciągające średniego zakresu między około 36 pN a 70 pN.

Poddane działaniu dużych sił większych niż 80 pN — reprezentujących intensywne dźwięki — łączniki końcówek rozłączają się, aby chronić układ słuchowy. Przy jeszcze większych siłach łączniki końcówek pozostają nienaruszone tylko przez krótki okres czasu.

„Łączniki końcówek działają jak czujnik siły, równoważąc siłę przychodzącą i wkraczając, aby chronić nas przed niebezpieczeństwem. Ta reakcja przy głośniejszym poziomie hałasu przerywa transmisję chroniącą komórki włoskowate” – powiedział dr Rakshit.

Podobnie jak czuła centrala w naszych uszach, ogniwo typu tip-link najpierw wykrywa subtelne sygnały mechaniczne z przychodzących dźwięków. Następnie zamienia je na sygnały elektryczne, pozwalając nam słyszeć słabe dźwięki. „Jednak ten maleńki kompleks białko-białko przekształca się w strażnika, gdy dźwięk jest głośny” — powiedział dr Chaudhuri. Odkryliśmy, że ogniwa typu tip-link działają jak filtry siłowe, selektywnie przesyłając niskie siły w celu aktywacji kanałów jonowych, jednocześnie blokując pośrednie poziomy siły. Co więcej, gdy napotykają na ekstremalnie wysokie siły, ogniwa typu tip-link całkowicie się rozłączają, zapobiegając uszkodzeniu naszego aparatu słuchowego”.

Wiadomo, że mutacja w białku PCDH15 powoduje dziedziczną głuchotę. „Przeprowadziliśmy podobne badania z zmutowanymi łącznikami końcówek i odkryliśmy, że krzywa siły życiowej mutanta jest dramatycznie inna” – mówi Sabyasachi.

Czas życia ogniwa końcówki wykazał trzy rodzaje odpowiedzi w całym zakresie siły w regularnych ogniwach końcówki. Jednak w zmutowanym ogniwie końcówki odpowiedź jest zmniejszona wraz ze wzrostem siły we wszystkich zakresach siły.

„Nie byliśmy w stanie zaobserwować zachowania średniego zakresu, jakie zaobserwowano w normalnym ogniwie końcówki, w zmutowanych ogniwach końcówki” – dodał.

Oznacza to, że zdolność normalnego ogniwa końcówki kości strzałkowej do reagowania na siły o średnim zasięgu ma kluczowe znaczenie dla słuchu, a dziedziczna głuchota jest wynikiem utraty tej funkcji spowodowanej mutacją.

„Rozwiązując zawiłe mechanizmy połączeń końcówkowych, torujemy drogę do opracowywania innowacyjnych strategii ochrony przed utratą słuchu spowodowaną głośnymi dźwiękami. Dzięki dalszym badaniom dążymy do odkrycia większej liczby sekretów tego fascynującego układu biologicznego. To mogłoby potencjalnie poprawić jakość życia milionów osób dotkniętych upośledzeniem słuchu” — powiedział Amin Sagar, główny autor i były postdoc w IISER Mohali.

W skład zespołu wchodzili: Nisha Arora, Jagadish P. Hazra, Sandip Roy, Gaurav K. Bhati, Sarika Gupta, KP Yogendran, Abhishek Chaudhuri, Amin Sagar i Sabyasachi Rakshit. Praca badawcza została opublikowana w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.

TV Venkateswaran jest popularyzatorem nauki i wykładowcą gościnnym w Instytucie Edukacji Naukowej i Badań w Mohali.