The beautiful, mysterious science of how you hear | Jim Hudspeth

Transcriber: Joseph Geni Reviewer: Camille Martínez

翻訳: Hiromi Nakai 校正: Natsuhiko Mizutani

Can you hear me OK?

聴こえますか？

Audience: Yes.

（聴衆）聴こえます

Jim Hudspeth: OK. Well, if you can, it's really amazing,

（ハドスピス）OK　 これは驚ろくべきことです

because my voice is changing the air pressure where you sit

なぜなら私の声は皆さんの 座っている場所の空気圧を

by just a few billionths of the atmospheric level,

大気圧のわずか数十億分の１程度だけ 変化させます

yet we take it for granted

でも あたり前のように

that your ears can capture that infinitesimal signal

その極小のシグナルを耳で捕捉できて

and use it to signal to the brain the full range of auditory experiences:

ありとあらゆる聴覚体験が 脳へ信号として送られています

the human voice, music, the natural world.

人間の声 音楽 自然界の音もあります

How does your ear do that?

それはどんな仕組みなのでしょう

And the answer to that is:

答えのカギを握るのは

through the cells that are the real hero of this presentation --

この講演で真の主人公となる ある細胞です

the ear's sensory receptors,

耳の感覚受容器で

which are called "hair cells."

「有毛細胞」と呼ばれます

Now, these hair cells are unfortunately named,

さて これらの有毛細胞は 不運にもそう名付けられました

because they have nothing at all to do with the kind of hair

不運と言ったのは この頭から 失われつつある普通の毛髪とは

of which I have less and less.

まったく関係ないからです

These cells were originally named that by early microscopists,

最初にこれらの細胞を名付けたのは 初期の顕微鏡学者でした

who noticed that emanating from one end of the cell

細胞の一端から出ている

was a little cluster of bristles.

小さな房状の毛に気づいたのでした

With modern electron microscopy, we can see much better

現代の電子顕微鏡を使えば もっと詳細に観察でき

the nature of the special feature that gives the hair cell its name.

有毛細胞の名前の由来となった特徴が より鮮明に見られます

That's the hair bundle.

これが感覚毛です

It's this cluster of 20 to several hundred fine cylindrical rods

このように 20本から数100本の 微細な棒状の円柱が集結して

that stand upright at the top end of the cell.

細胞の上の端に立っています

And this apparatus is what is responsible for your hearing me right this instant.

そしてこの器官によって 今まさに 私の声が聞こえているのです

Now, I must say that I am somewhat in love with these cells.

さて 私はこれらの細胞たちを愛していると 言っておかなければなりません

I've spent 45 years in their company --

付き合って45年になります

(Laughter)

（笑）

and part of the reason is that they're really beautiful.

その美しさも 理由の一部です

There's an aesthetic component to it.

ここには美的な要素があります

Here, for example, are the cells

例えばここにお見せする細胞は

with which an ordinary chicken conducts its hearing.

ありふれたニワトリの聴覚を担っています

These are the cells that a bat uses for its sonar.

こちらはコウモリの超音波ソナーの細胞です

We use these large hair cells from a frog for many of our experiments.

実験で良く使うのは こんなカエルの大きな有毛細胞です

Hair cells are found all the way down to the most primitive of fishes,

有毛細胞は さらに遡って きわめて原始的な魚にもあります

and those of reptiles often have this really beautiful,

は虫類の有毛細胞は このように本当に美しいものも多く

almost crystalline, order.

結晶のような秩序も見られます

But above and beyond its beauty,

しかしただ美しいだけではなく

the hair bundle is an antenna.

その感覚毛はアンテナになっていて

It's a machine for converting sound vibrations into electrical responses

機械のように 音の振動を電気的応答に変換し

that the brain can then interpret.

その信号を脳が解釈します

At the top of each hair bundle, as you can see in this image,

この写真のように それぞれの感覚毛の先端には

there's a fine filament connecting each of the little hairs,

小さい毛である 不動毛の１本１本を繋ぐ

the stereocilia.

細いフィラメントがあります

It's here marked with a little red triangle.

画面では小さな赤い三角で示しています

And this filament has at its base a couple of ion channels,

このフィラメントのつけ根には ２－３個のイオンチャンネルという

which are proteins that span the membrane.

細胞膜を貫通するたんぱく質があります

And here's how it works.

その働きを説明します

This rat trap represents an ion channel.

このネズミ捕りが イオンチャンネルです

It has a pore that passes potassium ions and calcium ions.

カリウムイオンとカルシウムイオンを 通す穴が開いています

It has a little molecular gate that can be open, or it can be closed.

分子に対して小さなゲートがあって 開けたり閉めたりすることができます

And its status is set by this elastic band which represents that protein filament.

タンパク質のフィラメントを表す このゴム紐でゲートの開閉が決まります

Now, imagine that this arm represents one stereocilium

さてこの腕が 不動毛だとしましょう

and this arm represents the adjacent, shorter one

そしてこの腕が隣の短い不動毛です

with the elastic band between them.

その間はゴム紐でつながっています

When sound energy impinges upon the hair bundle,

音のエネルギーが感覚毛にぶつかると

it pushes it in the direction towards its taller edge.

感覚毛は高い側に押されることになります

The sliding of the stereocilia puts tension in the link

不動毛どうしがスライドすることで このリンクが引っ張られ

until the channels open and ions rush into the cell.

チャンネルが開くと イオンがセルへ流入します

When the hair bundle is pushed in the opposite direction,

感覚毛が反対側へ押されたときには

the channels close.

チャンネルは閉じます

And, most importantly,

そして最も重要なのは

a back-and-forth motion of the hair bundle,

感覚毛の前後の動きが

as ensues during the application of acoustic waves,

音波があたっている間は 引き起こされて

alternately opens and closes the channel,

チャンネルの開閉が繰り返されることです

and each opening admits millions and millions of ions into the cell.

開くたびに数百万個のイオンが 細胞に流入します

Those ions constitute an electrical current

イオンの動きが電流となって

that excites the cell.

細胞は興奮します

The excitation is passed to a nerve fiber,

その刺激は神経線維に伝わり

and then propagates into the brain.

脳まで伝播します

Notice that the intensity of the sound

音の強度は

is represented by the magnitude of this response.

この応答の強さで表されます

A louder sound pushes the hair bundle farther,

大きな音で押されると 感覚毛は大きく動き

opens the channel longer,

チャンネルが長い間開いて

lets more ions in

多くのイオンが流れ込み

and gives rise to a bigger response.

大きな反応を生じるのです

Now, this mode of operation has the advantage of great speed.

さて この動作方式は とても速い というのが長所です

Some of our senses, such as vision,

視覚など 私たちの感覚の中には

use chemical reactions that take time.

化学反応を利用し 時間のかかるものもあります

And as a consequence of that,

そしてそれゆえ

if I show you a series of pictures at intervals of 20 or 30 per second,

もし私が皆さんに一連の写真を １秒に20枚から30枚の割合で見せたら

you get the sense of a continuous image.

連続したイメージという 感覚を得るでしょう

Because it doesn't use reactions,

有毛細胞は 反応を利用しないので

the hair cell is fully 1,000 times faster than our other senses.

他の感覚器官に比べ 優に1000倍もの早さです

We can hear sounds at frequencies as great as 20,000 cycles per second,

私たちは音を毎秒2万回もの 高周波数域まで聞くことができます

and some animals have ever faster ears.

そしてもっと速い耳を持った動物もいます

The ears of bats and whales, for example, can respond to their sonar pulses

例えばコウモリやクジラの耳は 毎秒15万回という彼らの超音波パルスを

at 150,000 cycles a second.

検知します

But this speed doesn't entirely explain why the ear performs so well.

しかし耳の能力が高いことは このスピードだけでは説明できません

And it turns out that our hearing benefits from an amplifier,

「アクティブプロセス」と呼ばれる 増幅器が私たちの聴力に

something called the "active process."

大いに役立っていることが わかっています

The active process enhances our hearing

「アクティブプロセス」は聴力を増強し

and makes possible all the remarkable features that I've already mentioned.

すでに述べたような全ての特徴を 可能にしているものです

Let me tell you how it works.

仕組みを説明します

First of all, the active process amplifies sound,

まず アクティブプロセスは 音を増幅します

so you can hear, at threshold, sounds that move the hair bundle

最小の音だと 感覚毛の動きは 10分の３ナノメートルほどですが

by a distance of only about three-tenths of a nanometer.

その音を聞くことができます

That's the diameter of one water molecule.

水分子の直径ぐらいの振動です

It's really astonishing.

とても驚くべきことです

The system can also operate

そのシステムはまた

over an enormously wide dynamic range.

ものすごく広い ダイナミックレンジを有します

Why do we need this amplification?

なぜこの増幅が必要なのでしょうか？

The amplification, in ancient times, was useful

大昔には増幅は有益でした

because it was valuable for us to hear the tiger before the tiger could hear us.

なぜなら虎が私たちに気づく前に 私たちが虎に気づくことが重要だったからです

And these days, it's essential as a distant early warning system.

その時代の 早期遠距離警報システムでした

It's valuable to be able to hear fire alarms

今日では火災警報とか 消防車やパトカーなどの緊急車両の

or contemporary dangerous such as speeding fire engines or police cars or the like.

サイレンなど危険信号に 気づけることが重要です

When the amplification fails, our hearing's sensitivity plummets,

増幅ができなくなると 聴覚が劇的に低下します

and an individual may then need an electronic hearing aid

そうなった人は 生物的な聴覚支援の代わりに

to supplant the damaged biological one.

電気的な補聴器が必要になるでしょう

This active process also enhances our frequency selectivity.

このアクティブプロセスは私たちの 周波数に対する選択性も強化します

Even an untrained individual can distinguish two tones

訓練していない人でも 周波数が 0.2%違うだけの

that differ by only two-tenths of a percent,

２つの音を聞き分けられるのです

which is one-thirtieth of the difference between two piano notes,

その差は ピアノで隣り合う音の 30分の1の違いです

and a trained musician can do even better.

訓練された音楽家なら もっとよく聞き分けられます

This fine discrimination is useful

この優れた識別能力は

in our ability to distinguish different voices

違った声を聞き分け

and to understand the nuances of speech.

言葉のニュアンスを理解するのに 役立ちます

And, again, if the active process deteriorates,

繰り返しになりますが アクティブプロセスが劣化すれば

it becomes harder to carry out verbal communication.

言語によるコミュニケーションが より難しくなります

Finally, the active process is valuable in setting the very broad range

最後に アクティブプロセスは

of sound intensities that our ears can tolerate,

耳が許容する音の大きさを 拡大するのに役立っています

from the very faintest sound that you can hear, such as a dropped pen,

聞くことのできる最も微かな音 たとえば ペンの落ちたときの音から

to the loudest sound that you can stand --

耐えうる最大の音

say, a jackhammer or a jet plane.

たとえば 削岩機やジェット機まで

The amplitude of sounds spans a range of one millionfold,

音の強度の比率は100万倍に相当します

which is more than is encompassed by any other sense

これはあらゆる他の感覚や

or by any man-made device of which I'm aware.

私の知る限り あらゆる人工のデバイスよりも 大きな値です

And again, if this system deteriorates,

繰り返しになりますが もしこのシステムが損傷すると

an affected individual may have a hard time

その影響によって 最も微かな音を聴きにくくなったり

hearing the very faintest sounds

最も大きい音に 耐えられなくなったりするかもしれません

or tolerating the very loudest ones.

Now, to understand how the hair cell does its thing,

さて 有毛細胞の働く仕組みを理解するために

one has to situate it within its environment within the ear.

耳の中で有毛細胞の周りはどうなっているか 見てみましょう

We learn in school that the organ of hearing

聴覚器は カタツムリのような らせん型の渦巻管だと 学校で学びます

is the coiled, snail-shaped cochlea.

It's an organ about the size of a chickpea.

ひよこ豆ぐらいの大きさの器官です

It's embedded in the bone on either side of the skull.

それは頭蓋の両側面の骨に 埋め込まれたようになっています

We also learn that an optical prism

またプリズムで白色光を分解して

can separate white light into its constituent frequencies,

周波数が異なっていて 私たちに別の色として見える光に

which we see as distinct colors.

分けられることも学びます

In an analogous way,

同じように

the cochlea acts as sort of an acoustic prism

渦巻管は 複雑な音を周波数で分解する―

that splits apart complex sounds into their component frequencies.

ある種の音響プリズムのように機能します

So when a piano is sounded,

ピアノが鳴って

different notes blend together into a chord.

違った音が混ざり合い和音となります

The cochlea undoes that process.

渦巻管はその過程の逆を行います

It separates them and represents each at a different position.

音を分けて それぞれ別の場所に届けます

In this picture, you can see where three notes --

この図では ピアノの中央のＣと 両端の音 あわせて３つが

middle C and the two extreme notes on a piano --

are represented in the cochlea.

渦巻管のどこに対応するかを示します

The lowest frequencies go all the way up to the top of the cochlea.

最も低い周波数は渦巻管の最先端まで 伝わっていって取り出され

The highest frequencies, down to 20,000 Hz,

最も高い周波数である 20,000ヘルツの音は

go all the way to the bottom of the cochlea,

渦巻管の根元のあたりで取り出され

and every other frequency is represented somewhere in between.

そして他の周波数は この間のどこかで取り出されます

And, as this diagram shows,

そしてこの図が示すように

successive musical tones are represented a few tens of hair cells apart

音階で隣り合う音の高さは 渦巻管の表面において

along the cochlear surface.

有毛細胞で数十程度離れています

Now, this separation of frequencies

さて この周波数の分離は

is really key in our ability to identify different sounds,

違った音を聞き分ける能力において 重要な鍵となります

because very musical instrument,

なぜならあらゆる楽器も

every voice,

あらゆる声も

emits a distinct constellation of tones.

それぞれに違った高さの音が 固有の集まりを作っているのです

The cochlea separates those frequencies,

渦巻管がそれを周波数で分けて

and the 16,000 hair cells then report to the brain

１万６千個の有毛細胞が脳に

how much of each frequency is present.

周波数ごとの強さを報告します

The brain can then compare all the nerve signals

脳が全ての神経信号を比較して

and decide what particular tone is being heard.

何の音を聴いているのかを 判断します

But this doesn't explain everything that I want to explain.

ただ 私が説明したいと思っている全てが これで説明できるわけではありません

Where's the magic?

秘密はどこにあるでしょう？

I told you already about the great things that the hair cell can do.

有毛細胞のすごさはすでにお話ししました

How does it carry out the active process

アクティブプロセスはどう働いて

and do all the remarkable features that I mentioned at the outset?

そして 最初にお伝えした 驚くべき特徴が実現されるのでしょうか

The answer is instability.

答えは「不安定性」にあります

We used to think that the hair bundle was a passive object,

私たちはかつて 感覚毛は刺激された時以外は

it just sat there, except when it was stimulated.

じっとしている 受動的な存在だと考えていました

But in fact, it's an active machine.

しかし実は 感覚毛はアクティブな機構です

It's constantly using internal energy to do mechanical work

機械的に活動して聴力を増強するために 感覚毛は内部でずっと

and enhance our hearing.

エネルギーを使っています

So even at rest, in the absence of any input,

外部からのインプットが全くない 休止状態のときでも

an active hair bundle is constantly trembling.

アクティブな感覚毛は 絶え間なく振動しています

It's constantly twitching back and forth.

絶え間なく前後に 動いています

But when even a weak sound is applied to it,

しかしながら微弱音が入ると

it latches on to that sound and begins to move very neatly

その音を捕まえてその音と同期して 巧妙に動き始めます

in a one-to-one way with it,

and by so doing, it amplifies the signal about a thousand times.

そうすることで シグナルを何千倍にも増強させます

This same instability also enhances our frequency selectivity,

この同じ不安定性がまた 周波数の選択性を高めます

for a given hair cell tends to oscillate best

ある感覚毛は 刺激のないときに

at the frequency at which it normally trembles

振動しているいつもの周波数で 最も大きく振動するようになっています

when it's not being stimulated.

So, this apparatus not only gives us our remarkably acute hearing,

つまり この組織は素晴らしく鋭い聴覚を もらたすだけでなく

but also gives us the very sharp tuning.

とても繊細な同調も行うのです

I want to offer you a short demonstration

ではここで ちょっとしたデモンストレーションを

of something related to this.

やってみたいと思います

I'll ask the people who are running the sound system

音響担当のスタッフにお願いして

to turn up its sensitivity at one specific frequency.

ある特定の周波数だけ 感度を高くしてもらいます

So just as a hair cell is tuned to one frequency,

有毛細胞がある一つの周波数に 同調しているのと同じで

the amplifier will now enhance a particular frequency in my voice.

増幅器が私の声の 特定の周波数を強調します

Notice how specific tones emerge more clearly from the background.

背景となる音と比べてある高さの音だけが くっきりと浮かび上がる様子がわかりますか

This is exactly what hair cells do.

これがまさに有毛細胞のはたらきです

Each hair cell amplifies and reports one specific frequency

それぞれの有毛細胞はある特定の周波数だけを 増幅して伝える一方で

and ignores all the others.

その他全ては無視します

And the whole set of hair cells, as a group, can then report to the brain

そして一連の有毛細胞は 一つのグループとして

exactly what frequencies are present in a given sound,

聞こえた音にどの周波数が存在したか 脳に伝えます

and the brain can determine what melody is being heard

そして脳は 何のメロディを聴いているのか

or what speech is being intended.

また何を意図したスピーチなのかを 判断できます

Now, an amplifier such as the public address system

さて音響拡声システムのようなアンプは

can also cause problems.

問題の原因にもなることがあります

If the amplification is turned up too far,

もし増幅を強めすぎると

it goes unstable and begins to howl

音は安定せずハウリング音を出したり

or emit sounds.

音が割れます

And one wonders why the active process doesn't do the same thing.

不思議なのは アクティブプロセスが 同じことにならない理由です

Why don't our ears beam out sounds?

なぜ私たちの耳は音を出さないのか？

And the answer is that they do.

その答えは 「音を出す」です

In a suitably quiet environment, 70 percent of normal people

適当な静かな環境下で 健常者の７割は

will have one or more sounds coming out of their ears.

耳から１つ以上の音を 出しています

(Laughter)

（笑）

I'll give you an example of this.

例をご紹介しましょう

You will hear two emissions at high frequencies

健常者の耳からは 高い周波数で

coming from a normal human ear.

２つの音が出ています

You may also be able to discern background noise,

背景の雑音も 識別できるかもしれません

like the microphone's hiss,

マイクのヒス音や

the gurgling of a stomach, the heartbeat, the rustling of clothes.

ゴボゴボいう胃の音、心音や 衣服のこすれ音などです

(Hums, microphone hiss, dampened taps, clothes rustling)

（耳の音を提示）

This is typical.

これは典型的な例です

Most ears emit just a handful of tones,

大抵の耳から出る音は５種類程度ですが

but some can emit as many as 30.

中には30種類ほどの音を出す耳もあります

Every ear is unique, so my right ear is different from my left,

それぞれの耳は違っています だから私の左右の耳も異なります

my ear is different from your ear,

私の耳は皆さんのものとも異なります

but unless an ear is damaged,

でも耳は 劣化しなければ

it continues to emit the same spectrum of frequencies

何年間も あるいは何十年間も

over a period of years or even decades.

同じ周波数スペクトルの音を出し続けます

So what's going on?

話を整理すると

It turns out that the ear can control its own sensitivity,

耳は感度すなわち増幅率を 自分で調整できることがわかりました

its own amplification.

So if you're in a very loud environment, like a sporting event

だからスポーツイベントや コンサートのような

or a musical concert,

大音響の環境では

you don't need any amplification,

まったく増幅を必要とせず

and the system is turned down all the way.

この機能は最低レベルまで低下します

If you are in a room like this auditorium,

もしこの会場のような場所では

you might have a little bit of amplification,

少し増幅されているでしょう

but of course the public address system does most of the work for you.

ただ音響システムが 大半の増幅作用を受け持っています

And finally, if you go into a really quiet room

最終的にピンが１本落ちても聞こえるような

where you can hear a pin drop,

とても静かな部屋では

the system is turned up almost all the way.

この機能はほぼ最大限の 増幅をする状態です

But if you go into an ultraquiet room such as a sound chamber,

さらに無響室のように 極めて静かな部屋では

the system turns itself up to 11,

増幅機能はメモリ11まで強くなり

it goes unstable

不安定になります

and it begins to emit sound.

すると音が出始めます

And these emissions constitute a really strong demonstration

こういう音の放射は有毛細胞が どれほどアクティブになり得るかを

of just how active the hair cell can be.

くっきりと示すものです

So in the last minute, I want to turn to another question that might come up,

残りの時間で ここから生じそうな もう一つの質問を扱います

which is: Where do we go from here?

それは この先何をするのかです

And I would say that there are three issues

私がこれから取り組みたいと考えている

that I would really like to address in the future.

３つのことについてお話しします

The first is: What is the molecular motor

１つ目は 有毛細胞の増幅器の動きを決める

that's responsible for the hair cell's amplification?

分子モーターはどんなものなのか？

Somehow, nature has stumbled across a system

どのようにしてか 自然が偶発的に獲得したシステムは

that can oscillate or amplify at 20,000 cycles per second,

毎秒２万サイクル以上で 振動して増幅できます

or even more.

That's much faster than any other biological oscillation,

これは生物学的などの振動よりも はるかに速く

and we would like to understand where it comes from.

その起源について理解したいと 考えています

The second issue is how the hair cell's amplification is adjusted

２つ目に 有毛細胞による増幅を

to deal with the acoustic circumstances.

音の環境に応じて調整する方法です

Who turns the knob to increase or decrease the amplification

静かな環境や騒がしい環境で

in a quiet or in a loud environment?

増幅器のつまみを 調整するのは何者なのか

And the third issue is one that concerns all of us,

そして３つ目は 私たち全員が気にしていること

which is what we can do about the deterioration of our hearing.

聴力低下に対して 私たちにできることは何なのか

Thirty million Americans,

３千万人ものアメリカ人が

and more than 400 million people worldwide,

そして世界では４億以上もの人が

have significant problems on a daily basis

日常生活にかなりの問題を抱えており

with understanding speech in a noisy environment

騒がしい環境でスピーチを聞いたり

or over the telephone.

電話するのに苦労しています

Many have even worse deficits.

さらに悪い状況の方も たくさんいらっしゃいます

Moreover, these deficits tend to get worse with time,

さらにその状況は時を追うごとに

because when human hair cells die,

悪くなりがちです

they're not replaced by cell division.

なぜなら人の有毛細胞は死んだ時 細胞分裂で置き換えられないからです

But we know that nonmammalian animals can replace their cells,

しかし非哺乳類では細胞は置き換え可能と わかっています

and those creatures' cells are dying and being replaced throughout life,

これらの非哺乳類の細胞は 一生を通じて 死ぬたびに置き換えられます

so the animals maintain normal hearing.

だから動物たちは 正常な聴覚を維持できます

Here's an example from a little zebra fish.

これは 小さなゼブラフィシュの例です

The cell at the top will undergo a division

最上部にある細胞が細胞分裂をして

to produce two new hair cells.

新しい２つの新しい有毛細胞を 生み出します

They dance for a little bit,

それらの細胞は少しの間動き回り

and then settle down and go to work.

その後 しばらくして落ち着き 機能し始めます

So we believe that if we can decode the molecular signals that are used

そこで 他の動物において 有毛細胞が再生されるときに

by these other animals to regenerate their hair cells,

登場する分子シグナルを解読できれば

we'll be able to do the same thing for humans.

人間でも同じことが可能になると 私たちは考えています

And our group and many other groups are now engaged in research

今や 私たちのグループや 他のグループもたくさん

trying to resurrect these amazing hair cells.

すばらしい有毛細胞が 再生できるように研究を進めています

Thank you for your attention.

ありがとうございました

(Applause)

（拍手）