Vědci poprvé zachytili živou mechaniku sluchu udržováním kusu kochleární tkáně mimo tělo.
Krátce předtím jeho smrt V srpnu 2025 dosáhli A. James Hudspeth a jeho kolegové v Laboratoři smyslové neurovědy Univerzity Rockefeller University milníku, kterého nikdy předtím nebylo dosaženo. Podařilo se jim udržet malou část Cochlea naživu a pracovat mimo tělo, což umožnilo studovat funkci orgánu přímo poprvé. Pomocí speciálně navrženého zařízení byl tým schopen sledovat mimořádné schopnosti Cochlea v reálném čase, včetně jeho jemně vyladěné citlivosti, přesné detekce frekvence a kapacity pro zpracování široké škály úrovní zvuku.
„Nyní můžeme pozorovat první kroky procesu slyšení kontrolovaným způsobem, který byl dříve nemožný,“ říká spolu-první autor Francesco Gianoli, postdoktorand v Hudspeth Lab.
Úspěch, podrobně popsaný ve dvou nedávných publikacích (v PNAS a Sluchový výzkumrespektive), představuje vyvrcholení Hudspethova padesáti let průkopnického výzkumu buněčného a nervového základu sluchu. Jeho práce neustále poukazuje na nové možnosti prevence a léčby ztráty sluchu.
Kromě bezprostředních aplikací poskytuje záloha také dlouho hledané experimentální potvrzení základního biofyzikálního principu, který je základem slyšení přes rozmanité druhKoncept Hudspeth sledoval více než dvacet pět let.
„Tato studie je mistrovským dílem,“ říká biofyzik Marcelo Magnasco, vedoucí Laboratoře integrativní neurovědy v Rockefelleru, který na některých jeho klíčových nálezech spolupracoval s Hudspethem. „V oblasti biofyziky je to jeden z nejpůsobivějších experimentů za posledních pět let.“
Mechanika sluchu
Přestože je Cochlea zázrakem evolučního inženýrství, některé z jeho základních mechanismů zůstaly dlouho skryté. Křehkost a nepřístupnost orgánu – zatažená tak, jak je v nejhustší kosti v těle – ztěžovala studium v akci.
Tyto výzvy mají dlouho frustrované výzkumné pracovníky sluchu, protože většina ztráty sluchu je výsledkem poškození smyslových receptorů nazývaných vlasové buňky, které lemují kochlea. Organizace má asi 16 000 těchto vlasových buněk, tzv., Protože každý z nich je zakončen několika stovkami jemných „pocitů“ nebo stereocilií, že časní mikroskopisté přirovnali k vlasům. Každý svazek je vyladěný stroj, který zesiluje a přeměňuje zvukové vibrace na elektrické reakce, které mozek pak může interpretovat.
Je dobře zdokumentováno, že u hmyzích a nevertebrátních zvířat-jako jsou býky studované v Hudspethově laboratoři-je biofyzikální jev známý jako bifurkace Hopf klíčem k procesu sluchu. Hopfská bifurkace popisuje druh mechanické nestability, bod zvratu mezi úplným klidem a oscilacemi. Na této hraně nože, dokonce i nejmenší zvuk nakloní systém do pohybu, což mu umožňuje zesílit slabé signály daleko za to, co by se jinak zaregistrovalo.
V případě bullfrog cochlea je nestabilita ve svazcích smyslových vlasových buněk, které jsou vždy připraveny k detekci příchozích zvukových vln. Když tyto vlny zasáhnou, pohybují se vlasové buňky a zesilují zvuk v tom, co se nazývá aktivní proces.
Ve spolupráci s Magnasco, Hudspeth dokumentoval existenci bifurkace Hopf v bullfrog Cochlea v roce 1998. Ať už existuje v savčích Cochlea, je od té doby předmětem debaty v terénu.
Aby odpověděl na tuto otázku, Hudspethova tým se rozhodl, že musí pozorovat aktivní proces v savčích Cochlea v reálném čase a na větší úrovni detailů než kdy předtím.
Pramen spirály
Za tímto účelem se vědci obrátili na kochlea Gerbils, jejichž sluch spadá do podobného rozsahu jako lidé. Vyřízly vyříznuté kousky ne větší než 0,5 mm od smyslového orgánu, v oblasti kochlea, která zvedne střední rozsah frekvencí. Načasovali svou excizi do vývojového okamžiku, kdy je Gerbilův sluch zralý, ale kochlea se plně nerozptylovala s vysoce hustou temporální kostí.
Umístili pramen tkáně do komory určené k reprodukci živého prostředí senzorické tkáně, včetně nepřetržitého koupání do kapalin bohatých na živiny zvaný endolymfa a perilymph a udržování jeho nativní teploty a napětí. Klíčem k vývoji tohoto vlastního zařízení byl Brian Fabella, specialista na výzkum v Hudspeth Lab a instrumentační inženýr Nicholas Belenko, z Rockefellerova Gruss Lipper Precision Instrumentation Technologies Resource Center.
Poté začali hrát zvuky prostřednictvím malého reproduktoru a pozorovali odpověď.
Objevení biofyzikálního principu
Mezi procesy, které byli svědky, patřilo to, jak otevírání a uzavření iontových kanálů ve svazcích vlasů přidává energii k vibracím poháněným zvukem, zesilují je a jak vnější vlasové buňky prodlužují a kontrastují v reakci na změny napětí prostřednictvím procesu zvaného elektromotilita.
„V jemném detailu jsme mohli vidět, co každý kus tkáně dělá na subcelulární úrovni,“ říká Gianoli.
„Tento experiment vyžadoval mimořádně vysokou úroveň přesnosti a pochoutky,“ poznamenává Magnasco. „V sázce je jak mechanická křehkost, tak elektrochemická zranitelnost.“
Důležité je, že pozorovali, že klíčem k aktivnímu procesu byl skutečně bifurkace Hopf – bod zvratu, který změnil mechanickou nestabilitu na zvukové zesílení. „To ukazuje, že mechanika sluchu u savců je pozoruhodně podobná tomu, co bylo vidět v biosféře,“ říká autor-první autor Rodrigo Alonso, výzkumný spolupracovník v laboratoři.
Zařízení, které by mohlo vést k budoucímu ošetření
Vědci předpokládají, že experimentování pomocí ex vivo Cochlea zlepší jejich porozumění sluchu a potenciálně povede k účinnějším terapiím.
„Například nyní budeme schopni farmakologicky narušit systém velmi cíleným způsobem, který nikdy předtím nebyl možný, například zaměřením na specifické buňky nebo buněčné interakce,“ říká Alonso.
V poli je velká potřeba pro nové potenciální terapie. „Doposud nebyl schválen žádný lék k obnovení slyšení při senzorineurální ztrátě a jedním z důvodů je to, že stále máme neúplné mechanistické porozumění aktivnímu procesu sluchu,“ říká Gianoli. „Ale teď máme nástroj, který můžeme použít k pochopení toho, jak systém funguje a jak a kdy se zlomí – a doufejme, že přemýšlí o způsobech, jak zasáhnout, než bude příliš pozdě.“
Hudspeth zjistil, že výsledky hluboce potěšující, dodává Magnasco. „Jim na tom pracoval více než 20 let a je to korunující úspěch pro pozoruhodnou kariéru.“
Reference:
„Amplifikace prostřednictvím místního kritického chování v savčích Cochlea“ Rodrigo G. Alonso, Francesco Gianoli, Brian Fabella a AJ Hudspeth, 14. července 2025, Sborník Národní akademie věd.
Doi: 10.1073/pnas.2503389122
„Směrem k přípravě ex vivo na studium kochleárního aktivního procesu u savců“ Francesco Gianoli, Rodrigo Alonso, Brian Fabella a AJ Hudspeth, 24. dubna 2025,. Sluchový výzkum.
Doi: 10.1016 / j.heares.2025.109288
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
