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Charla «La increíble y hermosa ciencia de cómo escuchamos» de TED@NAS en español.
Alguna vez te has preguntado cómo funcionan tus oídos. En esta encantadora y fascinante exposición, el biofísico Jim Hudspeth presenta la increíble simpleza pero a la vez asombrosa fuerza de la mecánica de las células ciliadas, el microscópico motor que nos permite escuchar. Y explica cómo, cuando está realmente callado el ambiente, tus oídos comienzan a emitir un espectro de sonido único para cada uno.
- Autor/a de la charla: Jim Hudspeth
- Fecha de grabación: 2019-11-01
- Fecha de publicación: 2020-03-13
- Duración de «La increíble y hermosa ciencia de cómo escuchamos»: 942 segundos
Traducción de «La increíble y hermosa ciencia de cómo escuchamos» en español.
¿Me escuchan?
Sí Perfecto.
Si lo pueden hacer, es asombroso, porque mi voz está cambiando la presión del aire donde están sentados en milmillonésimas del nivel atmosférico, aunque den por hecho que sus oídos pueden capturar la señal infinitesimal y utilizarla para decir al cerebro el rango completo de experiencias auditivas: la voz humana, la música, la naturaleza.
¿Cómo hace eso el oído?
La respuesta es: por medio de células que son el centro de esta presentación: los receptores sonsoriales del oído, que se llaman «células ciliadas».
Estas células tienen un nombre desafortunado, porque ellas no tienen nada que ver con el pelo del que cada vez yo tengo menos.
A estas células las llamaron originalmente así los primeros microscopistas, quienes vieron que desde un extremo de la célula emanaba un pequeño racimo de cerdas.
con la microscopía electrónica moderna, se puede oberservar mucho mejor la naturaleza de las características que le dan a estas células su nombre.
Es un conjunto de pelos.
Es este grupo que contiene desde 20 a varios centenares de finos bastones cilíndricos están verticalmente en el extremo superior de la célula.
Y es este aparato el responsable de que Uds.
me oigan en este instante.
Confieso que de alguna manera estoy enamorado de estas células.
He pasado 45 años en compañía de ellas.
(Risas)
Y parte de la razón es que son realmente preciosas.
Aquí hay un componente estético.
Aquí por ejemplo están las células con las que un pollo escucha.
Estas son las células que un murciélago utiliza para su sonar.
Utilizamos estas largas células ciliadas de una rana para muchos experimentos.
Las células ciliadas se encuentran incluso hasta en los peces más primitivos, y las de los reptiles usualmente tienen este precioso, casi cristalino, orden.
Pero más allá de su hermosura, este conjunto de pelos son una antena.
Es una máquina que convierte las vibraciones de los sonidos en reacciones eléctricas que el cerebro puede interpretar.
En la parte superior de cada conjunto de pelos, como aprecian en la imagen, existen pequeñas fibras que conectan con cada uno de los pequeños pelos, las estereocilias.
Aquí están marcadas con un pequeño triángulo rojo.
Estas fibras tienen su base en algunos canales iónicos.
que son proteínas que abarcan la membrana.
Aquí ven cómo funcionan.
Esta trampa para ratones representa un canal iónico.
Esta tiene un poro por el que pasan iones de potasio y de calcio.
Tiene una pequeña puerta molecular que puede abrirse o cerrarse.
Y su estatus lo fija esta banda elástica que representa ese filamento de proteína.
Ahora imaginen que este brazo representa un estereocilio y este otro representa el adyacente, más corto con la banda elástica entre ellos.
Cuando el conjunto de pelos se ve afectado por la energía del sonido, lo empuja a la dirección hacia el borde más elevado.
El deslice de las estereocilias ejercen tensión en el vínculo hasta que se abre el canal y los iones se precipitan hacia la célula.
Cuando el conjunto de pelos es empujado en la dirección opuesta, el canal se cierra.
Y, lo más importante, el movimiento de una lado a otro del conjunto de pelos, como resultado durante la aplicación de las ondas acústicas, abre y cierra el canal alternativamente.
Y cada apertura admite millones y millones de iones hacia la célula.
Estos iones constituyen una corriente eléctrica que excita la célula.
Esta excitación se transmite a una fibra nerviosa, y luego se propaga hacia el cerebro.
Observen que la intensidad del sonido es representada por la magnitud de esta respuesta.
Un sonido fuerte empuja el conjunto de pelos más lejos, abre un canal más largo, permite entrar más iones y da lugar a una mayor respuesta.
Ahora, este modo de operación tiene la ventaja de una mayor velocidad.
Algunos de nuestros sentidos, tales como el de la vista, utilizan reacciones químicas que toman tiempo.
Y como consecuencia de esto, si les muestro una serie de fotos en intervalos de 20 o 30 segundos, Uds.
tendrán la sensación de imágenes continuas.
Porque no utiliza reacciones, las células ciliadas son 1000 veces más rápidas que otros sentidos.
Nosotros escuchamos sonidos en frecuencias hasta de 20 000 ciclos por segundo y algunos animales tienen un oído más rápido.
Por ejemplo, el oído del murciélago y de la ballena puede responder a su sonar a 150 000 ciclos por segundo.
Pero esta velocidad no explica del todo porque el oído se desempeña tan bien.
Y resulta que nuestro oído se beneficia de un amplificador, a veces llamado «proceso activo».
El proceso activo mejora nuestra escucha y permite todas las funciones destacadas que ya he mencionado.
Permitanme contarles cómo funciona.
En primer lugar, el proceso activo amplifica el sonido, para que oigamos, en los umbrales, en los que el sonido mueve el conjunto de pelos simplemente a una distancia de cerca de tres tercios de un nanómetro.
Ese es el diámetro de una molécula de agua.
Es realmente sorprendente.
El sistema también puede funcionar sobre un enorme rango dinámico.
¿Por qué necesitamos esta amplificación?
La amplificación, años atrás, era útil porque era valioso para nosotros escuchar al tigre antes que él a nosotros.
Y en estos días, es esencial como sistema temprano de advertencia.
Es útil poder escuchar las alarmas contra incendios o riesgos contemporáneos como autos de bomberos o de policía y afines.
Cuando la amplificación falla, nuestra sensibilizad auditiva se desploma, y entonces un individuo puede necesitar un aparato auditivo electrónico para reemplazar el dañado.
Este proceso activo también mejora nuestra selección de frecuencias.
Incluso un individuo sin entrenamiento puede distinguir dos tonos que difieren solo por dos décimas de un porcentaje, que equivale a una trigésima de diferencia entre dos notas de un piano, y un músico de formación puede hacerlo incluso mejor.
Esta buena discriminación es útil en nuestra habilidad para distinguir diferentes voces y para entender el matiz de una intervención.
Y, nuevamente, si el proceso activo se deteriora, se vuelve más difícil realizar la comunicación verbal.
Finalmente, el proceso activo es valioso para configurar una gama muy amplia de intensidades sonoras que nuestros oídos pueden tolerar, desde el más suave sonido que se puede detectar, como la caída de un lápiz, hasta el más fuerte que se puede soportar, como un martillo neumático o un avión.
La amplitud sonora abarca un amplio espectro de un millón de posibilidades, que es más de lo abarcado por cualquier otro sentido.
o por cualquier dispositivo existente que yo conozca.
Y otra vez, si este sistema se deteriora, un individuo afectado puede tener un momento difícil escuchando el sonida más leve o tolerando sonidos muy fuertes.
Para entender cómo hacen esto las células ciliadas, debemos ubicarnos dentro de su entorno dentro del oído.
Aprendemos en la escuela que el órgano para escuchar es la cóclea, enrollada y con forma de caracol.
Es un organo del tamaño aproximado de un garbanzo.
Está incorporado al hueso en cada lado del cráneo.
También aprendemos que un prisma óptico puede separar la luz blanca en las frecuencias que la integran, que vemos como distintos colores.
De modo análogo, la cóclea actúa como una especie de prisma acústico que divide los sonidos complejos en las frecuencias que lo componen.
Por eso cuando suena un piano, diferentes notas se juntan en un acorde.
La cóclea deshace este proceso.
Esta las separa y representa cada una en una posición diferente.
En esta imagen pueden apreciar cuando tres notas, Do central y las dos notas al extremo de un piano, son representadas en la cóclea.
La frecuencia más baja alcanza la parte alta de la cóclea.
Las frecuencia más alta, que llega a 20 000 hertz, alcanza la parte baja de la cóclea, y todas las otras frecuencias se representan en la mitad entre estas.
Y, como este gráfico muestra, las notas consecutivas, se representan con una distancia de decenas de células a lo largo de la superficie cóclea.
Ahora, esta diferencia de frecuencias es muy importante en nuestra habilidad para identificar diferentes sonidos, porque cada instrumento musical, cada voz, emite una constelación característica de tonos.
La cóclea separa esas frecuencias, y las 16 000 células ciliadas informan al cerebro cuanto de cada una de las frecuencias está presente.
El cerebro puede comparar todas las señales nerviosas y decidir qué tonalidad está escuchando.
Pero esto no explica todo lo que quiero explicar.
¿Dónde está la magia?
Ya he explicado las grandes cosas que las células ciliadas pueden hacer.
¿Cómo llevan a cabo el proceso activo y hacen todas esas funciones que les mencioné al principio?
La respuesta es la inestabilidad.
Antes pensábamos que el conjunto de pelos era un objeto pasivo, que simplemente estaba ahí, excepto cuando era estimulado.
Pero en realidad, es una máquina activa.
Constantemente utiliza energía interna para realizar el trabajo mecánico y mejorar nuestra escucha.
Incluso en reposo, en la ausencia de cualquier estímulo, un conjunto de pelos activo está constantemente vibrando.
moviéndose constantemente de lado a otro.
Pero cuando incluso un sonido débil se le aplica, se concentra en ese sonido y comienza a moverse cuidadosamente de manera unidireccional con este, y al hacerlo, amplifica la señal unas mil veces.
Esta es la misma inestabilidad que mejora nuestra selección de frecuencias, una célula ciliada suele oscilar mejor en la frecuencia en la que normalmente vibra cuando no es estimulada.
Entonces, este aparato no solo nos da nuestra agudeza de oído, sino que también la aguda afinación.
Yo quiero darles una breve demostración de algo relacionado con esto.
Voy a pedir a las personas encargadas del sistema de sonido que suban la sensibilidad en una frecuencia específica.
Para que cuando una célula ciliada se sintonce a una frecuencia, el amplificador mejorará una frecuencia particular en mi voz.
Observen cómo algunos tonos específicos surgen claramente del fondo.
Esto es lo que las células ciliadas hacen.
Cada una amplifica y reporta una frecuencia específica e ignora todas las demás.
Y el conjunto completo de células, como grupo, reportan al cerebro exactamente las frecuencias que están en un sonido determinado, y el cerebro puede determinar qué melodía está siendo escuchada o qué conversación está atendiendo.
Un amplificador como el sistema de megafonía puede también causar problemas.
Si la amplificación se intensifica mucho se vuelve inestable y comienza a aullar o emitir sonidos.
Y uno se pregunta por qué el proceso activo no hace lo mismo.
¿Por qué nuestros oídos no emiten sonidos?
Y la respuesta es que lo sí lo hacen.
En un ambiente callado, el 70 % de las personas tendrán uno o incluso más sonidos saliendo de sus oídos.
(Risas)
Les daré un ejemplo de esto.
Uds.
oirán dos emisiones en altas frecuencias saliendo de un oído humano normal.
Uds.
también podrán diferenciar el ruido de fondo, como el silbido del micrófono, el sonido del estómago, el latido del corazón, el ruido de la ropa.
(Hums, silbido de micrófono, griferías reducidas, ruido de ropa) Esto es típico.
La mayoría de oídos emiten un puñado de sonidos, pero algunas pueden llegar hasta 30.
Cada oído es único, mi oído derecho es diferente del izquierdo, mi oído es diferente del suyo, pero a menos que se deteriore, continúa emitiendo el mismo espectro de frecuencias durante años o incluso décadas.
¿Pero entonces qué está pasando?
Resulta que el oído puede controlar su propia sensibilidad, su propia amplificación.
Incluso en un entorno muy ruidoso, como un evento deportivo o un concierto musical, no van a necesitar amplificación, y el sistema reduce todo el tiempo.
Si están en una sala como este auditorio, posiblemente van a tener un poco de amplificación, pero claro que el sistema de megafonía hace la mayor parte.
Y si entran a una sala totalmente silenciosa donde se puede oír la caída de un alfiler, el sistema vuelve a incrementarse.
Pero si van a una sala muy silenciosa como una cámara de sonido, el sistema se incremente por sí solo hasta 11, se vuelve inestable y comienza a emitir sonidos.
Y estas emisiones constituyen una demostración contundente de lo activas que pueden ser las células ciliadas.
Wn el último minuto, quiero pasar a otra pregunta que puede surgir.
¿Cuál es el siguiente paso?
Yo diría que aquí hay tres cuestiones que realmente me gustaría abordar en el futuro.
La primera:
¿Cuál es el motor molecular responsable de la amplificación de la células ciliadas?
De alguna manera, la naturaleza ha vacilado entre un sistema que puede oscilar o amplificar a 20 000 ciclos por segundo, o incluso más.
Eso es mucho más rápido que cualquier otra oscilación biológica.
Y nos gustaría entender de dónde viene.
Cómo se ajusta la amplificación de las células ciliadas es la segunda cuestión para afrontar las circunstancias acústicas.
¿Quién gira el pomo para incrementar o reducir la amplificación en un entorno callado o ruisodo?
Y la tarcera es una que nos inquieta a todos nosotros, que es qué podemos hacer respecto al deterioro de la escucha.
30 millones de estadounidenses, y más de 400 millones de personas en el mundo, tiene a diario un problema significativo para entender conversaciones en entornos ruidosos o en el teléfono.
Muchos tienen mayores deficiencias.
Además, estas deficiencias tienden a incrementarse con el tiempo, porque cuando las células ciliadas mueren, no son reemplazadas por división celular.
Pero sabemos que los animales no mamíferos pueden reemplazar las células, y las células de esas criaturas mueren y son reemplazadas durante su vida, por lo que mantienen una escucha normal.
Aquí hay un ejemplo de un pequeño pez cebra.
La célula en la parte de arriba va experimentará una división para producir dos nuevas células ciliadas.
Ellas bailan un rato, después se calman y se ponen a trabajar.
Por eso creemos que si podemos decodificar las señales moleculares utilizadas por estos otros animales para regenerar sus células ciliadas, podremos hacer lo mismo para los humanos.
Y nuestro equipo y muchos otros están dedicados a investigar intentando revivir estas sorprendentes células ciliadas.
Muchas gracias por su atención.
(Aplausos)
https://www.ted.com/talks/jim_hudspeth_the_beautiful_mysterious_science_of_how_you_hear/