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

Transcriber: Joseph Geni Reviewer: Camille Martínez

Tradutor: Simone Gumier Revisor: Maricene Crus

Can you hear me OK?

Jim Hudspeth: Podem me ouvir bem? Plateia: Sim.

Audience: Yes.

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

JH: Bem, é realmente fantástico se podem me ouvir,

because my voice is changing the air pressure where you sit

pois minha voz está alterando a pressão do ar onde vocês estão sentados,

by just a few billionths of the atmospheric level,

em alguns bilionésimos do nível atmosférico.

yet we take it for granted

Porém, desprezamos o fato

that your ears can capture that infinitesimal signal

de que nossos ouvidos possam capturar esse sinal infinitesimal

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

e usá-lo para enviar ao cérebro uma gama de experiências auditivas:

the human voice, music, the natural world.

a voz humana, a música, a natureza.

How does your ear do that?

Como nossos ouvidos fazem isso?

And the answer to that is:

E a resposta é a seguinte:

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

por meio das células que são o centro desta palestra,

the ear's sensory receptors,

os receptores sensoriais do ouvido,

which are called "hair cells."

os quais são denominados "células ciliadas".

Now, these hair cells are unfortunately named,

Curiosamente, essas células receberam esse nome

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

mesmo sem terem nada a ver com esses pelos que cada vez me fazem mais falta.

of which I have less and less.

These cells were originally named that by early microscopists,

Elas foram assim denominadas pelos primeiros microscopistas

who noticed that emanating from one end of the cell

que perceberam que a emanação de uma extremidade da célula

was a little cluster of bristles.

era um conjunto de cerdas.

With modern electron microscopy, we can see much better

Com a microscopia eletrônica moderna, podemos ver muito melhor

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

a natureza da característica especial que confere o nome às células ciliadas.

That's the hair bundle.

É o feixe ciliar.

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

É esse conjunto de 20 a várias centenas de hastes cilíndricas finas

that stand upright at the top end of the cell.

que ficam na vertical, na extremidade superior da célula.

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

E esse mecanismo é responsável por vocês me ouvirem neste instante.

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

Bem, confesso que sou um tanto apaixonado por essas células.

I've spent 45 years in their company --

Tenho passado 45 anos com elas,

(Laughter)

(Risos)

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

e uma das razões disso é que elas são lindas!

Há um componente estético nisso.

There's an aesthetic component to it.

Here, for example, are the cells

Por exemplo, aqui estão as células que permitem que um frango escute.

with which an ordinary chicken conducts its hearing.

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

Essas são as células utilizadas por um morcego para o seu sonar.

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

Utilizamos essas células ciliadas maiores de um sapo

em muitos de nossos experimentos.

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

As células ciliadas são encontradas desde os peixes mais primitivos,

and those of reptiles often have this really beautiful,

e as dos répteis sempre têm essa ordem linda e quase cristalina.

almost crystalline, order.

But above and beyond its beauty,

Mas além de toda a sua beleza, o feixe ciliar é uma antena.

the hair bundle is an antenna.

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

É uma máquina que converte as vibrações sonoras em respostas elétricas

that the brain can then interpret.

que o cérebro pode assim interpretar.

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

No topo de cada feixe ciliar, como vocês podem ver nessa imagem,

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

há um filamento fino que conecta cada uma das pequenas células,

the stereocilia.

os estereocílios.

It's here marked with a little red triangle.

Estão marcados ali com pequenos triângulos vermelhos.

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

E esse filamento tem em sua base alguns canais iônicos,

which are proteins that span the membrane.

que são proteínas que atravessam a membrana.

And here's how it works.

E vejam como isso funciona.

This rat trap represents an ion channel.

Esta ratoeira representa um canal iônico.

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

Ela tem um poro pelo qual passam íons de potássio e de cálcio;

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

um pequeno portão molecular, que pode se abrir ou fechar.

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

E seu status é estabelecido por esta fita elástica,

que representa o filamento de proteína.

Now, imagine that this arm represents one stereocilium

Agora, imaginem que este braço representa um estereocílio,

and this arm represents the adjacent, shorter one

e que este aqui representa o adjacente, o mais curto,

with the elastic band between them.

com a fita elástica entre eles.

When sound energy impinges upon the hair bundle,

Quando a energia sonora incide sobre o feixe ciliar,

it pushes it in the direction towards its taller edge.

ele é deslocado em direção à extremidade mais alta.

The sliding of the stereocilia puts tension in the link

O deslizar dos estereocílios tensiona a ligação

until the channels open and ions rush into the cell.

até que os canais iônicos se abram e os íons se precipitem para as células.

When the hair bundle is pushed in the opposite direction,

Quando o feixe ciliar é deslocado na direção oposta, os canais se fecham.

the channels close.

And, most importantly,

E, acima de tudo, o movimento de vai e vem do feixe ciliar,

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

as ensues during the application of acoustic waves,

como ocorre durante a aplicação de ondas acústicas,

alternately opens and closes the channel,

abre e fecha o canal alternadamente,

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

e cada abertura admite milhões de íons dentro da célula.

Those ions constitute an electrical current

Esses íons formam uma corrente elétrica que estimula a célula.

that excites the cell.

The excitation is passed to a nerve fiber,

Essa estimulação é transmitida a uma fibra nervosa

and then propagates into the brain.

e então se propaga para o cérebro.

Notice that the intensity of the sound

Percebam que a intensidade do som

is represented by the magnitude of this response.

é representada pela magnitude dessa resposta.

A louder sound pushes the hair bundle farther,

Um som mais alto empurra o feixe ciliar para mais longe,

opens the channel longer,

abre mais o canal,

lets more ions in

faz com que mais íons entrem e gera uma resposta maior.

and gives rise to a bigger response.

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

Esse modo de operação tem a vantagem da grande velocidade.

Some of our senses, such as vision,

Alguns de nossos sentidos, como a visão,

use chemical reactions that take time.

fazem uso de reações químicas que tomam tempo.

And as a consequence of that,

E, consequentemente,

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

se eu lhes mostrar uma série de imagens em intervalos de 20 ou 30 por segundo,

you get the sense of a continuous image.

vocês pensarão que as imagens são contínuas.

Because it doesn't use reactions,

Por não utilizar reações,

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

as células ciliadas são mil vezes mais rápidas que outros sentidos.

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

Podemos ouvir sons em frequências de 20 mil ciclos por segundo,

and some animals have ever faster ears.

e alguns animais têm ouvidos bem mais rápidos.

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

Por exemplo, os ouvidos dos morcegos e das baleias

podem responder a pulsos de sonar a 150 mil ciclos por segundo.

at 150,000 cycles a second.

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

Mas essa velocidade não explica totalmente o ótimo desempenho do ouvido.

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

Acontece que nossa audição se beneficia de um amplificador,

something called the "active process."

algo chamado "processo ativo".

The active process enhances our hearing

Ele amplifica nossa audição

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

e confere todas as características notáveis que já mencionei.

Let me tell you how it works.

Vou explicar como funciona.

First of all, the active process amplifies sound,

Primeiramente, o processo ativo amplifica o som.

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

Assim, podemos ouvir, no início, sons que movimentam o feixe ciliar

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

a uma distância de cerca de três décimos de um nanômetro.

That's the diameter of one water molecule.

Esse é o diâmetro de uma molécula de água.

It's really astonishing.

É realmente espantoso!

The system can also operate

O sistema também pode operar

over an enormously wide dynamic range.

em uma gama dinâmica enorme.

Why do we need this amplification?

Por que precisamos da amplificação?

The amplification, in ancient times, was useful

Em tempos antigos, essa amplificação era útil,

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

pois nos possibilitava ouvir o tigre antes que ele nos ouvisse.

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

Nos dias de hoje, é essencial como um sistema de aviso a distância.

It's valuable to be able to hear fire alarms

É importante ouvir os alarmes de incêndio ou ser avisado dos perigos da atualidade,

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

tais como os caminhões de bombeiros ou viaturas de polícia.

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

Quando a amplificação falha, a sensibilidade da nossa audição diminui,

and an individual may then need an electronic hearing aid

e talvez precisemos usar um aparelho auditivo eletrônico

to supplant the damaged biological one.

para substituir a estrutura biológica danificada.

This active process also enhances our frequency selectivity.

O processo também aumenta nossa seletividade de frequência.

Even an untrained individual can distinguish two tones

Até uma pessoa sem treinamento consegue distinguir dois tons

that differ by only two-tenths of a percent,

que se diferem em apenas dois décimos de porcentagem,

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

o que corresponde a um trigésimo da diferença entre duas notas de piano,

and a trained musician can do even better.

e um músico experiente pode fazer ainda melhor.

This fine discrimination is useful

Essa distinção fina é útil

in our ability to distinguish different voices

para a nossa habilidade de distinguir diferentes vozes

and to understand the nuances of speech.

e entender as nuances da fala.

And, again, if the active process deteriorates,

E novamente, se o processo ativo se deteriora

it becomes harder to carry out verbal communication.

fica mais difícil realizar a comunicação verbal.

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

Por fim, o processo ativo é valioso para configurar

a ampla gama de intensidades de sons que nossos ouvidos podem tolerar,

of sound intensities that our ears can tolerate,

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

do som mais sutil que ouvimos, como um alfinete caindo,

to the loudest sound that you can stand --

ao mais alto som suportável, como uma britadeira ou um avião a jato.

say, a jackhammer or a jet plane.

The amplitude of sounds spans a range of one millionfold,

A amplitude dos sons é de um milhão de vezes,

which is more than is encompassed by any other sense

o que é mais do que qualquer outro sentido abrange

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

ou qualquer outro aparelho que eu conheça.

And again, if this system deteriorates,

Vou repetir: se esse sistema se deteriora, a pessoa afetada terá dificuldade

an affected individual may have a hard time

hearing the very faintest sounds

para ouvir os sons mais sutis ou tolerar os mais altos.

or tolerating the very loudest ones.

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

Agora, para entendermos como a célula ciliada faz isso,

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

temos que localizá-la dentro do ouvido.

We learn in school that the organ of hearing

Na escola, aprendemos que o órgão da audição

is the coiled, snail-shaped cochlea.

é uma estrutura em forma de caracol, a cóclea.

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

É um órgão quase do tamanho de um grão-de-bico,

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

embutido no osso, em ambos os lados do crânio.

We also learn that an optical prism

Também aprendemos que um prisma óptico

can separate white light into its constituent frequencies,

pode separar a luz branca nas frequências que a integram,

which we see as distinct colors.

as quais vemos como cores diferentes.

In an analogous way,

Fazendo uma analogia, a cóclea atua como um prisma "acústico"

the cochlea acts as sort of an acoustic prism

that splits apart complex sounds into their component frequencies.

que decompõe os sons complexos nas frequências que os formam.

So when a piano is sounded,

Então, quando alguém toca um piano, diferentes notas se fundem em um acorde.

different notes blend together into a chord.

The cochlea undoes that process.

A cóclea desfaz esse processo.

It separates them and represents each at a different position.

Ela separa as notas e representa cada uma delas numa posição diferente.

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

Nessa imagem, podem ver onde três notas,

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

o dó central e as duas notas nas extremidades do piano,

are represented in the cochlea.

estão representadas na cóclea.

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

As frequências mais baixas alcançam o topo do cóclea.

The highest frequencies, down to 20,000 Hz,

As frequências mais altas, que chegam a 20 mil hertz,

go all the way to the bottom of the cochlea,

passam pela base da cóclea,

and every other frequency is represented somewhere in between.

e qualquer outra frequência está representada no meio.

And, as this diagram shows,

Como esse diagrama mostra,

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

sucessivas notas musicais são representadas

com algumas dezenas de células ciliadas, ao longo da superfície da cóclea.

along the cochlear surface.

Now, this separation of frequencies

Essa separação de frequências

is really key in our ability to identify different sounds,

é realmente importante para a nossa habilidade de identificar diferentes sons,

because very musical instrument,

porque cada instrumento musical,

every voice,

cada voz,

emits a distinct constellation of tones.

emite uma infinidade de tons diferentes.

The cochlea separates those frequencies,

A cóclea separa essas frequências,

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

e então as 16 mil células ciliadas informam ao cérebro

how much of each frequency is present.

o quanto de cada frequência está presente.

The brain can then compare all the nerve signals

Assim, o cérebro pode comparar todos os sinais nervosos

and decide what particular tone is being heard.

e decidir qual tom em particular está sendo ouvido.

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

Mas isso não explica tudo o que quero dizer.

Where's the magic?

Onde está a mágica?

Já lhes contei as coisas grandiosas que as células ciliadas podem fazer.

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

How does it carry out the active process

Como será que realizam o processo ativo

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

e todas essas coisas impressionantes que mencionei no começo?

The answer is instability.

A resposta é a instabilidade.

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

Pensávamos que o feixe ciliar era um objeto passivo,

it just sat there, except when it was stimulated.

que não fazia nada, exceto quando era estimulado.

But in fact, it's an active machine.

Mas, na verdade, ele é uma máquina ativa,

It's constantly using internal energy to do mechanical work

que constantemente usa energia interna para realizar o trabalho mecânico

and enhance our hearing.

e aprimorar a nossa audição.

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

Então, até mesmo em repouso, na ausência de qualquer estímulo,

an active hair bundle is constantly trembling.

um feixe ciliar ativo está em constante vibração, sempre se contraindo.

It's constantly twitching back and forth.

But when even a weak sound is applied to it,

Mas mesmo quando há a aplicação de um som baixo,

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

o feixe ciliar se conecta a ele e começa a mover-se

in a one-to-one way with it,

de modo bem organizado e individual

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

e, ao fazer assim, amplifica o sinal cerca de mil vezes.

This same instability also enhances our frequency selectivity,

Essa mesma instabilidade também amplia nossa seletividade de frequência,

for a given hair cell tends to oscillate best

pois uma determinada célula ciliada tende a oscilar melhor

at the frequency at which it normally trembles

na frequência que normalmente vibra quando não está sendo estimulada.

when it's not being stimulated.

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

Portanto, este mecanismo não apenas

nos confere uma audição extremamente apurada,

but also gives us the very sharp tuning.

mas também nos dá a perfeita afinação.

I want to offer you a short demonstration

Quero fazer-lhes uma pequena demonstração de algo relacionado a isso.

of something related to this.

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

Vou pedir aos operadores do sistema de som

to turn up its sensitivity at one specific frequency.

que aumentem a sensibilidade a uma frequência específica.

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

Então, assim que uma célula ciliada se sintonizar com uma frequência,

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

o amplificador aumentará uma determinada frequência na minha voz.

Notice how specific tones emerge more clearly from the background.

Percebam como tons específicos surgem mais claramente do fundo.

This is exactly what hair cells do.

É exatamente isso que as células ciliadas fazem.

Each hair cell amplifies and reports one specific frequency

Cada célula ciliada amplifica e informa uma frequência específica,

and ignores all the others.

ignorando todas as outras.

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

E as células ciliadas, em conjunto, podem então informar ao cérebro

exactly what frequencies are present in a given sound,

exatamente quais frequências estão presentes em um dado som,

and the brain can determine what melody is being heard

e o cérebro pode determinar qual melodia está sendo ouvida

or what speech is being intended.

ou qual palestra está sendo assistida.

Now, an amplifier such as the public address system

Um amplificador, como o sistema de som, também pode causar problemas.

can also cause problems.

If the amplification is turned up too far,

Se a amplificação for intensa,

it goes unstable and begins to howl

torna-se instável e começa a "uivar" ou a emitir sons.

or emit sounds.

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

E talvez alguém pergunte por que o processo ativo não faz o mesmo.

Why don't our ears beam out sounds?

Por que nossos ouvidos não emitem sons?

And the answer is that they do.

E a resposta é que eles emitem.

In a suitably quiet environment, 70 percent of normal people

Em um ambiente adequado e tranquilo, 70% das pessoas normais

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

emitirão um ou mais sons de seus ouvidos.

(Laughter)

(Risos)

I'll give you an example of this.

Vou dar um exemplo disso.

You will hear two emissions at high frequencies

Vocês ouvirão duas emissões em altas frequências

coming from a normal human ear.

saindo de um ouvido humano normal.

You may also be able to discern background noise,

Talvez também possam diferenciar o barulho de fundo,

like the microphone's hiss,

como o chiado do microfone, um estômago roncando,

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

as batidas do coração, e roupas se agitando.

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

(Zumbido, chiado de microfone, batidas contidas, roupas se agitando)

This is typical.

Isso é típico.

Most ears emit just a handful of tones,

Muitos ouvidos emitem apenas alguns tons,

but some can emit as many as 30.

mas alguns podem emitir até 30.

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

Cada ouvido é único: o meu ouvido direito é diferente do meu esquerdo,

my ear is different from your ear,

os meus são diferentes dos de vocês.

but unless an ear is damaged,

Mas, a menos que um ouvido sofra dano,

it continues to emit the same spectrum of frequencies

continuará a emitir o mesmo espectro de frequências

over a period of years or even decades.

por um período de anos ou até mesmo de décadas.

So what's going on?

Então, o que acontece?

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

O ouvido pode controlar sua própria sensibilidade,

its own amplification.

sua própria amplificação.

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

Se vocês estiverem em um ambiente ruidoso,

como um evento esportivo ou um concerto musical,

or a musical concert,

you don't need any amplification,

não é necessária nenhuma amplificação e o sistema é sempre reduzido.

and the system is turned down all the way.

If you are in a room like this auditorium,

Se vocês estiverem num espaço, como este auditório,

you might have a little bit of amplification,

talvez tenham um pouco de amplificação,

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

mas é claro que o sistema de som faz a maior parte do trabalho.

And finally, if you go into a really quiet room

Por fim, se estiverem em uma sala silenciosa,

where you can hear a pin drop,

onde podem ouvir um alfinete caindo, o sistema é aumentado quase o tempo todo.

the system is turned up almost all the way.

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

Mas se estiverem em uma sala extremamente silenciosa, como uma câmara de som,

the system turns itself up to 11,

o próprio sistema é aumentado até 11,

it goes unstable

torna-se instável e começa a emitir sons.

and it begins to emit sound.

And these emissions constitute a really strong demonstration

E essas emissões são uma demonstração muito forte

of just how active the hair cell can be.

do quanto a célula ciliada pode ser ativa.

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

Por último, quero me voltar a uma pergunta que talvez façam:

which is: Where do we go from here?

"Qual é o próximo passo?"

And I would say that there are three issues

E diria que há três questões que eu gostaria de abordar no futuro.

that I would really like to address in the future.

The first is: What is the molecular motor

A primeira delas é: "Qual é o motor molecular

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

responsável pela amplificação das células ciliadas?"

Somehow, nature has stumbled across a system

De certo modo, a natureza se deparou com um sistema

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

que pode oscilar ou amplificar a 20 mil ciclos por segundo,

or even more.

ou até mais.

That's much faster than any other biological oscillation,

É muito mais rápida que qualquer outra oscilação biológica,

and we would like to understand where it comes from.

e gostaríamos de entender sua origem.

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

A segunda questão é: "Como a amplificação das células ciliadas

se ajusta para lidar com as circunstâncias acústicas?"

to deal with the acoustic circumstances.

Who turns the knob to increase or decrease the amplification

Quem gira o botão para aumentar ou diminuir a amplificação

in a quiet or in a loud environment?

em um ambiente mais silencioso ou mais ruidoso?

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

E a terceira questão diz respeito a todos nós:

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

"O que podemos fazer em relação à deterioração auditiva?"

Thirty million Americans,

Há 30 milhões de norte-americanos e mais de 400 milhões de pessoas no mundo

and more than 400 million people worldwide,

have significant problems on a daily basis

com problemas significativos de audição no dia a dia,

with understanding speech in a noisy environment

para entender a conversa em um ambiente ruidoso ou ao telefone.

or over the telephone.

Many have even worse deficits.

Muitas pessoas têm deficiências ainda maiores.

Moreover, these deficits tend to get worse with time,

Além disso, tais deficiências tendem a se agravar com o tempo,

because when human hair cells die,

pois, quando as células ciliadas humanas morrem,

they're not replaced by cell division.

não são substituídas pela divisão celular.

But we know that nonmammalian animals can replace their cells,

Mas sabemos que os animais não mamíferos podem substituir as células.

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

As células deles morrem e são substituídas ao longo da vida,

so the animals maintain normal hearing.

de modo que mantêm a audição normal.

Here's an example from a little zebra fish.

Observem um exemplo de um pequeno peixe-zebra.

The cell at the top will undergo a division

A célula no topo passará por um divisão para produzir duas novas células ciliadas.

to produce two new hair cells.

They dance for a little bit,

Elas se agitam um pouquinho,

and then settle down and go to work.

se acomodam e começam a trabalhar.

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

Então, acreditamos que se conseguirmos decifrar os sinais moleculares usados

by these other animals to regenerate their hair cells,

por esses outros animais na regeneração de suas células,

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

poderemos fazer a mesma coisa com os seres humanos.

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

E nosso grupo e muitos outros estão envolvidos em pesquisas agora,

trying to resurrect these amazing hair cells.

tentando ressuscitar essas incríveis células ciliadas.

Thank you for your attention.

Muito obrigada por sua atenção.

(Applause)

(Aplausos)