L'oreille humaine, comme celles des autres mammifères, est si extraordinairement sensible qu'il peut détecter les vibrations induites par les ondes sonores du tympan qui se déplacent de moins que la largeur d'un atome. Maintenant, des chercheurs du MIT ont découvert de nouveaux détails importants sur la façon dont l'oreille atteint cette incroyable capacité à capter les sons faibles.

Les nouvelles découvertes aident à expliquer comment nos oreilles peuvent détecter des vibrations un million de fois moins intenses que celles que nous pouvons détecter par le sens du toucher, par exemple. Les résultats apparaissent dans le journal Lettres d'examen physique , dans un article du scientifique invité et auteur principal Jonathan Sellon, professeur de génie électrique et auteur principal Dennis Freeman, le scientifique invité Roozbeh Ghaffari, et les membres du groupe Grodzinsky au MIT.

La sensibilité et la sélectivité de l'oreille - sa capacité à distinguer différentes fréquences sonores - dépendent de manière cruciale du comportement d'une minuscule structure gélatineuse dans l'oreille interne appelée membrane tectoriale, que Freeman et ses étudiants étudient depuis plus d'une décennie. Maintenant, ils ont découvert que la façon dont la membrane de gel donne à notre audition son extrême sensibilité a à voir avec la taille, raideur, et la distribution des pores nanométriques dans cette membrane, et la façon dont ces nanopores contrôlent le mouvement de l'eau dans le gel.

La membrane tectoriale se trouve au sommet des minuscules poils qui tapissent l'oreille interne, ou cochlée. Ces récepteurs sensoriels sont disposés en touffes qui sont chacune sensibles à différentes fréquences sonores, dans une progression le long de la longueur de la structure étroitement bouclée. Le fait que les pointes de ces poils soient incrustées dans la membrane tectoriale signifie que son comportement affecte fortement la façon dont ces poils réagissent au son.

"Mécaniquement, c'est Jell-O, " Freeman dit, décrivant la minuscule membrane tectoriale, qui est plus fin qu'un cheveu. Bien qu'il s'agisse essentiellement d'une structure spongieuse saturée composée principalement d'eau, « si vous le serrez aussi fort que vous le pouvez, vous ne pouvez pas faire sortir l'eau. Il est maintenu par des forces électrostatiques, " explique-t-il. Mais bien qu'il existe de nombreux matériaux à base de gel dans le corps, y compris le cartilage, élastine et tendons, la membrane tectoriale se développe à partir d'un ensemble différent d'instructions génétiques.

Le but de la structure était un casse-tête au départ. "Pourquoi voudrai-tu ceci?" dit Sellon. Assis juste au-dessus de la structure sensible de prise de son, "c'est le genre de chose qui étouffe la plupart des types de micros, " dit-il. " Pourtant c'est essentiel pour entendre, " et tout défaut de sa structure causé par des variations génétiques peut dégrader considérablement l'audition d'une personne.

Après des tests détaillés de la structure microscopique, l'équipe a découvert que la taille et la disposition des pores à l'intérieur, et la façon dont ces propriétés affectent la façon dont l'eau dans le gel va et vient entre les pores en réponse aux vibrations, rend la réponse de l'ensemble du système hautement sélective. Les tons les plus aigus et les plus graves entrant dans l'oreille sont moins affectés par l'amplification fournie par la membrane tectoriale, tandis que les fréquences moyennes sont plus fortement amplifiées.

"Il est réglé juste pour obtenir le signal dont vous avez besoin, ", dit Sellon, pour amplifier les sons les plus utiles.

L'équipe a découvert que la structure de la membrane tectoriale "ressemblait à un solide mais se comportait comme un liquide, " dit Freeman - ce qui est logique puisqu'il est composé principalement de liquide. " Ce que nous constatons, c'est que la membrane tectoriale est moins solide que nous le pensions. " La découverte clé, ce qu'il dit que l'équipe n'avait pas prévu, était que "pour les fréquences moyennes, la structure se déplace comme un liquide, mais pour les hautes et basses fréquences, il ne se comporte que comme un solide."

Globalement, les chercheurs espèrent qu'une meilleure compréhension de ces mécanismes pourra aider à trouver des moyens de contrer divers types de déficience auditive, soit par le biais d'aides mécaniques telles que des implants cochléaires améliorés, ou des interventions médicales telles que des médicaments qui peuvent altérer les nanopores ou les propriétés du fluide dans la membrane tectoriale. « Si la taille des pores est importante pour le fonctionnement de l'audition, il y a des choses que tu pourrais faire, " dit Freeman.

"C'est vraiment un travail merveilleux, " dit John S. Oghalai, un professeur et président

du département d'oto-rhino-laryngologie de l'Université de Californie du Sud, qui n'était pas associé à la recherche. « La nature mécanique des structures nanométriques de l'oreille interne est extrêmement difficile à étudier mais d'une importance cruciale pour l'audition. Dans cette étude, les auteurs montrent que les protéines à l'intérieur de la membrane tectoriale et le fluide intercalé entre elles sont « réglés ». Cela peut enfin expliquer comment chaque cellule ciliée est stimulée à sa fréquence correcte."

Oghalai ajoute, "Cette recherche est de la plus haute qualité. Non seulement des expériences exquises ont été effectuées, les données ont été modélisées mathématiquement pour développer une compréhension approfondie de leurs implications." Une chose qui reste à faire, il dit, est que puisque ces tests ont été effectués sur des tissus excisés, "il reste à voir si ces résultats sont pertinents dans l'oreille interne normale des animaux vivants."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.