Cette image au microscope optique représente le mouvement des ondes dans une section transversale de la membrane tectoriale, partie de l'oreille interne. Cette membrane est un gel microscopique, plus petit en largeur qu'un seul cheveu humain, et il joue un rôle clé dans la stimulation des récepteurs sensoriels de l'oreille interne. Les ondes se déplaçant sur cette membrane contrôlent notre capacité à séparer les sons de hauteur et d'intensité variables. Crédit :MIT/Groupe Micromécanique
Même dans une salle bondée pleine de bruit de fond, l'oreille humaine est remarquablement apte à syntoniser une seule voix, un exploit qui s'est avéré remarquablement difficile à égaler pour les ordinateurs. Une nouvelle analyse des mécanismes sous-jacents, menée par des chercheurs du MIT, a fourni des informations qui pourraient finalement conduire à une meilleure audition artificielle, et peut-être aussi à de meilleures aides auditives.
La sélectivité de nos oreilles, il s'avère, résulte de l'accord précis de l'évolution d'une minuscule membrane, à l'intérieur de l'oreille interne, appelée membrane tectoriale. La viscosité de cette membrane, sa fermeté, ou l'absence de celui-ci-dépend de la taille et de la distribution des pores minuscules, quelques dizaines de nanomètres de large. Cette, à son tour, fournit un filtrage mécanique qui aide à trier des sons spécifiques.
Les nouveaux résultats sont rapportés dans le Journal biophysique par une équipe dirigée par l'étudiant diplômé du MIT Jonathan Sellon, et y compris le chercheur Roozbeh Ghaffari, ancienne étudiante diplômée Shirin Farrahi, et professeur de génie électrique Dennis Freeman. L'équipe a collaboré avec le biologiste Guy Richardson de l'Université du Sussex.
Compréhension insaisissable
En discutant entre les sons concurrents, l'oreille humaine est "extraordinaire par rapport aux technologies conventionnelles de reconnaissance vocale et sonore, " dit Freeman. Les raisons exactes sont restées insaisissables, mais l'importance de la membrane tectoriale, situé à l'intérieur de la cochlée, ou l'oreille interne, est devenu clair ces dernières années, en grande partie grâce au travail de Freeman et de ses collègues. Il semble maintenant qu'une hypothèse erronée ait contribué à la difficulté de longue date à comprendre l'importance de cette membrane.
Une grande partie de notre capacité à différencier les sons est basée sur la fréquence, Freeman dit que les chercheurs avaient « supposé que mieux nous pourrions résoudre la fréquence, mieux nous pouvions entendre. » Mais cette hypothèse ne s'avère pas toujours vraie.
En réalité, Freeman et ses co-auteurs ont précédemment découvert que les membranes tectoriales présentant un certain défaut génétique sont en fait très sensibles aux variations de fréquence - et le résultat est une audition plus mauvaise, pas mieux.
L'équipe du MIT a découvert "un compromis fondamental entre la capacité de résoudre différentes fréquences et le temps nécessaire pour le faire, " explique Freeman. Cela rend la discrimination de fréquence plus fine trop lente pour être utile dans la sélectivité sonore du monde réel.
Trop rapide pour les neurones
Des travaux antérieurs de Freeman et de ses collègues ont montré que la membrane tectoriale joue un rôle fondamental dans la discrimination du son en transportant des ondes qui stimulent un type particulier de récepteur sensoriel. Ce processus est essentiel pour déchiffrer les sons concurrents, mais cela se produit trop rapidement pour que les processus neuronaux suivent le rythme. La nature , au cours de l'évolution, semble avoir produit un système électromécanique très efficace, Freeman dit, qui peut suivre la vitesse de ces ondes sonores.
Le nouveau travail explique comment la structure de la membrane détermine à quel point elle filtre le son. L'équipe a étudié deux variantes génétiques qui font que les nanopores dans la membrane tectoriale sont plus petits ou plus grands que la normale. La taille des pores affecte la viscosité de la membrane et sa sensibilité à différentes fréquences.
La membrane tectoriale est spongieuse, criblé de pores minuscules. En étudiant comment sa viscosité varie avec la taille des pores, l'équipe a pu déterminer que la taille typique des pores observée chez les souris - environ 40 nanomètres de diamètre - représente une taille optimale pour combiner la discrimination de fréquence avec la sensibilité globale. Les pores plus grands ou plus petits altèrent l'audition.
"Cela change vraiment la façon dont nous pensons à cette structure, " dit Ghaffari. Les nouvelles découvertes montrent que la viscosité et les pores du fluide sont en fait essentiels à ses performances. Changer la taille des nanopores de la membrane tectoriale, par manipulation biochimique ou d'autres moyens, peut fournir des moyens uniques de modifier la sensibilité auditive et la discrimination de fréquence.
William Brownell, professeur d'oto-rhino-laryngologie au Baylor College of Medicine, dit, "C'est la première étude à suggérer que la porosité peut affecter le réglage cochléaire." Ce travail, il ajoute, « pourrait donner un aperçu » du développement de problèmes auditifs spécifiques.
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.
