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

Transcriber: Joseph Geni Reviewer: Camille Martínez

Tradutor: Ana Alberti Revisora: Margarida Ferreira

Can you hear me OK?

- Conseguem ouvir-me bem? - Sim!

Audience: Yes.

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

OK. Se conseguem é espantoso

because my voice is changing the air pressure where you sit

porque a minha voz está a mudar a pressão do ar onde estão sentados

by just a few billionths of the atmospheric level,

apenas nalguns milionésimos do nível atmosférico.

yet we take it for granted

Mas nós achamos normal

that your ears can capture that infinitesimal signal

que os nossos ouvidos consigam captar esse sinal infinitesimal

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

e usá-lo para assinalar ao cérebro todo o tipo de experiências auditivas:

the human voice, music, the natural world.

a voz humana, a música, o mundo natural.

How does your ear do that?

Como é que os ouvidos fazem isso?

And the answer to that is:

A resposta para esta pergunta é:

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

através das células que são o verdadeiro herói desta palestra,

the ear's sensory receptors,

os recetores sensoriais dos ouvidos,

which are called "hair cells."

chamados "células ciliadas".

Now, these hair cells are unfortunately named,

Em inglês, estas células chamam-se "células pilosas"

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

mas não têm nada a ver com cabelo,

of which I have less and less.

uma coisa que eu tenho cada vez menos.

These cells were originally named that by early microscopists,

Os primeiros cientistas que as observaram ao microscópio deram-lhes esse nome

who noticed that emanating from one end of the cell

porque notaram que, de uma das pontas da célula,

was a little cluster of bristles.

saía um pequeno grupo de filamentos.

With modern electron microscopy, we can see much better

Com a microscopia eletrónica moderna conseguimos ver muito melhor

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

essa característica especial que deu à célula esse nome.

That's the hair bundle.

É um conjunto ciliado.

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

É este feixe de finas hastes cilíndricas que podem variar de 20 a centenas,

that stand upright at the top end of the cell.

e que se encontra na extremidade superior da célula.

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

Este mecanismo é responsável por vocês me estarem a ouvir agora.

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

Então, devo dizer que estou meio apaixonado por estas células.

I've spent 45 years in their company --

Passei 45 anos na companhia delas

(Laughter)

(Risos)

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

e, em parte, é porque elas são muito belas.

Têm um componente estético.

There's an aesthetic component to it.

Here, for example, are the cells

Aqui, por exemplo, estão as células

with which an ordinary chicken conducts its hearing.

que permitem a audição a uma galinha vulgar.

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

Estas são as células que o morcego usa para o seu sonar.

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

Nós usamos estas grandes células ciliadas de sapo para muitas experiências.

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

Encontramos células ciliadas em tudo, até ao mais primitivo dos peixes.

and those of reptiles often have this really beautiful,

As dos répteis geralmente têm esta sequência,

almost crystalline, order.

muito bela, quase cristalina.

But above and beyond its beauty,

Mas, independentemente da sua beleza,

the hair bundle is an antenna.

o feixe ciliado é uma antena.

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

É uma máquina para transformar vibrações sonoras em respostas elétricas

that the brain can then interpret.

que o cérebro pode interpretar.

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

No topo de cada feixe ciliado, como vemos nesta imagem,

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

há um filamento fino interligando cada um dos pequenos fios,

the stereocilia.

o esteriocílio.

It's here marked with a little red triangle.

Está marcado ali em cima com um pequeno triângulo vermelho.

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

Esse filamento tem na base alguns canais iónicos,

which are proteins that span the membrane.

que são proteínas que abrangem a membrana.

And here's how it works.

Funciona da seguinte maneira.

This rat trap represents an ion channel.

Esta armadilha representa um canal iónico.

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

Tem um poro por onde passam iões de potássio e iões de cálcio.

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

Tem uma pequena barreira molecular que pode estar aberta ou fechada.

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

O seu estado é definido por este elástico que representa o filamento de proteína.

Now, imagine that this arm represents one stereocilium

Imaginem agora que este braço representa um estereocílio

and this arm represents the adjacent, shorter one

e que o outro braço representa um braço mais curto, adjacente,

with the elastic band between them.

com o elástico entre eles.

When sound energy impinges upon the hair bundle,

Quando a energia sonora colide sobre o feixe ciliado,

it pushes it in the direction towards its taller edge.

empurra-o na direção da ponta mais alta.

The sliding of the stereocilia puts tension in the link

O deslizamento do estereocílio coloca tensão nessa ligação

until the channels open and ions rush into the cell.

até os canais se abrirem e os iões entrarem na célula.

When the hair bundle is pushed in the opposite direction,

Quando o feixe ciliado é empurrado na direção oposta,

the channels close.

os canais fecham-se.

And, most importantly,

E, mais importante ainda,

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

o movimento de vai e vem do feixe ciliado

as ensues during the application of acoustic waves,

durante a aplicação das 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 a cada abertura entram na célula milhões e milhões de iões.

Those ions constitute an electrical current

Esses iões formam uma corrente elétrica

that excites the cell.

que excitam a célula.

The excitation is passed to a nerve fiber,

Essa excitação passa para uma fibra nervosa,

and then propagates into the brain.

e depois propaga-se ao cérebro.

Notice that the intensity of the sound

Notem 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 baixo empurra o feixe ciliado para mais longe,

opens the channel longer,

abre o canal durante mais tempo,

lets more ions in

deixa entrar mais iões

and gives rise to a bigger response.

e dá origem a uma resposta maior.

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

Este modo de funcionamento tem como vantagem a grande velocidade.

Some of our senses, such as vision,

Alguns dos nossos sentidos, como a visão,

use chemical reactions that take time.

usam reações químicas que levam tempo.

And as a consequence of that,

E em consequência disso,

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

se eu vos mostrar uma série de imagens com intervalos de 20 a 30 por segundo,

you get the sense of a continuous image.

vocês têm a impressão de uma imagem contínua.

Because it doesn't use reactions,

Como não utiliza reações,

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

a célula ciliada é mil vezes mais rápida que os nossos outros sentidos.

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

Conseguimos ouvir sons com frequências até 20 mil ciclos por segundo,

and some animals have ever faster ears.

e alguns animais têm uma audição ainda mais rápida.

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

A audição de morcegos e baleias pode responder à sua pulsão sonar

at 150,000 cycles a second.

a 150 mil ciclos por segundo.

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

Mas essa velocidade não explica totalmente porque é que os ouvidos funcionam tão bem.

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

O que acontece é que a nossa audição beneficia de um amplificador,

something called the "active process."

uma coisa chamada "processo ativo".

The active process enhances our hearing

O processo ativo melhora a nossa audição

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

e possibilita todas as espantosas características referidas anteriormente.

Let me tell you how it works.

Vou contar como funciona.

First of all, the active process amplifies sound,

Antes de tudo, o processo ativo amplifica o som,

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

para podermos ouvir, no limiar, sons que movimentam o feixe ciliado

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

a uma distância de cerca de três décimos de nanómetro.

That's the diameter of one water molecule.

Este é o diâmetro de uma molécula de água.

It's really astonishing.

É realmente surpreendente.

The system can also operate

O sistema também pode funcionar

over an enormously wide dynamic range.

numa enorme variedade dinâmica.

Why do we need this amplification?

Porque é que precisamos dessa amplificação?

The amplification, in ancient times, was useful

Em tempos antigos, a amplificação era muito útil

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

porque era importante ouvir o tigre antes de o tigre nos poder ouvir.

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

Hoje em dia, é essencial como um sistema precoce de alerta à distância.

It's valuable to be able to hear fire alarms

É importante conseguirmos ouvir alarmes de incêndio

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

ou perigos modernos como velozes carros de bombeiros, da polícia e outros.

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

Quando a amplificação falha, a sensibilidade da audição reduz-se

and an individual may then need an electronic hearing aid

e uma pessoa pode precisar de um aparelho auditivo eletrónico

to supplant the damaged biological one.

para substituir o aparelho biológico danificado.

This active process also enhances our frequency selectivity.

Este processo ativo também melhora a nossa seletividade de frequência.

Even an untrained individual can distinguish two tones

Mesmo um indivíduo não treinado pode distinguir dois tons

that differ by only two-tenths of a percent,

que diferem apenas em dois décimos percentuais,

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

o que é um trigésimo da diferença entre duas notas do piano,

and a trained musician can do even better.

e um músico treinado pode fazer ainda melhor.

This fine discrimination is useful

Esta distinção subtil é útil

in our ability to distinguish different voices

para a nossa capacidade de distinguir vozes diferentes

and to understand the nuances of speech.

e para entender os matizes da voz.

And, again, if the active process deteriorates,

E, novamente, se o processo ativo se deteriora,

it becomes harder to carry out verbal communication.

torna-se mais difícil efetuar a comunicação verbal.

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

Por fim, o processo ativo é importante na definição de uma gama muito ampla

of sound intensities that our ears can tolerate,

de intensidades de som que os nossos ouvidos conseguem tolerar,

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

do som mais baixo que ouvimos, como uma caneta a cair,

to the loudest sound that you can stand --

até ao som mais alto que conseguimos suportar,

say, a jackhammer or a jet plane.

como um martelo pneumático ou um avião a jato.

The amplitude of sounds spans a range of one millionfold,

A amplitude dos sons abrange um intervalo de um milhão,

which is more than is encompassed by any other sense

o que é mais do que o abrangido por qualquer outro sentido

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

ou por qualquer dispositivo artificial que eu conheço.

And again, if this system deteriorates,

E, de novo, se este sistema se deteriora,

an affected individual may have a hard time

o indivíduo afetado pode ter dificuldade

hearing the very faintest sounds

em ouvir os sons mais baixos

or tolerating the very loudest ones.

ou suportar os sons muito altos.

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

Então, para entender o funcionamento destas células,

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

é preciso situá-las no ambiente dentro do ouvido.

We learn in school that the organ of hearing

Aprendemos na escola que o órgão da audição

is the coiled, snail-shaped cochlea.

é a cóclea, em forma de caracol.

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

É um órgão do tamanho de um grão de bico.

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

Está incorporado no osso de ambos os lados do crânio.

We also learn that an optical prism

Também aprendemos que um prisma ótico

can separate white light into its constituent frequencies,

pode separar a luz branca nas frequências que a constituem,

which we see as distinct colors.

que vemos como cores diferentes.

In an analogous way,

De maneira análoga,

the cochlea acts as sort of an acoustic prism

a cóclea age como um prisma acústico

that splits apart complex sounds into their component frequencies.

que divide sons complexos nas suas frequências componentes.

So when a piano is sounded,

Assim, quando tocamos piano,

different notes blend together into a chord.

as diferentes notas misturam-se formando um acorde.

The cochlea undoes that process.

A cóclea desfaz esse processo.

It separates them and represents each at a different position.

Faz a separação e coloca cada uma numa posição diferente.

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

Nesta figura, vemos onde três notas

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

— o dó médio e as duas notas das extremidades do piano —

are represented in the cochlea.

são representadas na cóclea.

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

As frequências mais baixas sobem e vão para o topo da cóclea.

The highest frequencies, down to 20,000 Hz,

As frequências mais altas, descem até aos 20 000 Hz,

go all the way to the bottom of the cochlea,

descem até ao fundo da cóclea,

and every other frequency is represented somewhere in between.

e qualquer outra frequência é representada algures no meio.

And, as this diagram shows,

Como este diagrama mostra,

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

os sucessivos tons musicais

são representados numas dezenas de células ciliadas

along the cochlear surface.

afastadas ao longo da superfície coclear.

Now, this separation of frequencies

Agora, essa separação de frequências

is really key in our ability to identify different sounds,

é realmente chave na nossa capacidade de identificar diferentes sons,

because very musical instrument,

porque um instrumento muito musical,

every voice,

todas as vozes,

emits a distinct constellation of tones.

emitem uma constelação distinta de tons.

The cochlea separates those frequencies,

A cóclea separa essas frequências

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

e as 16 000 células ciliadas comunicam ao cérebro

how much of each frequency is present.

quanto de cada frequência está presente.

The brain can then compare all the nerve signals

O cérebro pode assim comparar todos os sinais nervosos

and decide what particular tone is being heard.

e decidir qual o tom particular que está a ser ouvido.

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

Mas isso não explica tudo o que quero explicar.

Where's the magic?

Onde está a magia?

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

Já falei de todas as coisas importantes que as células ciliadas fazem.

How does it carry out the active process

Como é que elas realizam o processo ativo

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

e fazem todas as coisas impressionantes que eu mencionei no início?

The answer is instability.

A resposta é a instabilidade.

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

Estamos acostumados a pensar que o feixe ciliado é estático,

it just sat there, except when it was stimulated.

está ali parado, exceto quando é 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

Usa constantemente a energia interna para fazer um trabalho mecânico

and enhance our hearing.

e melhorar a nossa audição.

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

Mesmo em repouso, na ausência de qualquer entrada,

an active hair bundle is constantly trembling.

um feixe ciliado ativo está sempre a tremer,

It's constantly twitching back and forth.

a oscilar constantemente para a frente e para trás.

But when even a weak sound is applied to it,

Mas mesmo quando é aplicado um som fraco,

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

ele agarra nesse som e começa a mover-se ordenadamente,

in a one-to-one way with it,

de um modo personalizado

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

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

This same instability also enhances our frequency selectivity,

Essa mesma instabilidade também aumenta a nossa seletividade de frequência

for a given hair cell tends to oscillate best

porque uma determinada célula ciliada tende a oscilar melhor

at the frequency at which it normally trembles

na frequência a que geralmente se movimenta

when it's not being stimulated.

quando não está a ser estimulada.

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

Portanto, esse maquinismo não só nos dá uma audição notavelmente apurada,

but also gives us the very sharp tuning.

como também nos fornece uma afinação muito apurada.

I want to offer you a short demonstration

Vou fazer uma pequena demonstração

of something related to this.

duma coisa relacionada com isto.

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

Vou pedir aos responsáveis pelo sistema de som

to turn up its sensitivity at one specific frequency.

que aumentem a sensibilidade para uma frequência específica.

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

Tal como uma célula ciliada é sintonizada a uma frequência,

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

o amplificador vai reforçar uma frequência específica na minha voz.

Notice how specific tones emerge more clearly from the background.

Notem como surgem tons específicos mais claramente ao fundo.

This is exactly what hair cells do.

Isso é exatamente o que as células ciliadas fazem.

Each hair cell amplifies and reports one specific frequency

Cada célula ciliada amplifica e reporta uma frequência específica

and ignores all the others.

e ignora todas as outras.

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

E todo o conjunto de células ciliadas, enquanto grupo, pode reportar ao cérebro

exactly what frequencies are present in a given sound,

exatamente quais as frequências presentes em determinado som,

and the brain can determine what melody is being heard

e o cérebro pode determinar qual a melodia que está a ser ouvida

or what speech is being intended.

ou qual a voz que está a ser destinada.

Now, an amplifier such as the public address system

Agora, um amplificador como a instalação pública sonora

can also cause problems.

também pode causar problemas.

If the amplification is turned up too far,

Se a amplificação estiver demasiado alta,

it goes unstable and begins to howl

fica instável e começa a apitar

or emit sounds.

ou a emitir sons.

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

E perguntamos porque é que o processo ativo não faz o mesmo.

Why don't our ears beam out sounds?

Porque é que os nossos ouvidos não emitem sons?

And the answer is that they do.

A resposta é que eles emitem.

In a suitably quiet environment, 70 percent of normal people

Num ambiente deviamente silencioso 70% das pessoas normais

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

terão um ou mais sons a sair das suas orelhas.

(Laughter)

(Risos)

I'll give you an example of this.

Vou dar um exemplo.

You will hear two emissions at high frequencies

Vocês vão ouvir duas emissões de alta frequência

coming from a normal human ear.

vindas de um ouvido humano normal.

You may also be able to discern background noise,

Também podem distinguir barulhos de fundo,

like the microphone's hiss,

como o assobio do microfone,

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

o borbulhar de um estômago, o bater do coração, o farfalhar de roupas.

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

(Assobio de microfone, torneira a pingar, farfalhar de roupas)

This is typical.

Isso é normal.

Most ears emit just a handful of tones,

A maioria dos ouvidos emite meia dúzia de tons,

but some can emit as many as 30.

mas alguns chegam a emitir 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 esquerdo,

my ear is different from your ear,

o meu ouvido é diferente do vosso,

but unless an ear is damaged,

mas, se não houver danos,

it continues to emit the same spectrum of frequencies

continuam a emitir o mesmo espetro de frequências

over a period of years or even decades.

durante anos ou até décadas.

So what's going on?

Então, o que é que se passa?

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

Acontece que o ouvido controla a sua própria sensibilidade,

its own amplification.

a sua própria amplificação.

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

Assim, se estivermos num lugar barulhento, como um evento desportivo

or a musical concert,

ou um espetáculo musical,

you don't need any amplification,

não precisamos de amplificação,

and the system is turned down all the way.

e o sistema fica desligado.

If you are in a room like this auditorium,

Se estivermos num lugar como este auditório,

you might have a little bit of amplification,

podemos ter um pouco de amplificação,

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

mas é claro que a instalação sonora faz quase todo o trabalho.

And finally, if you go into a really quiet room

Finalmente, se estivermos num lugar silencioso

where you can hear a pin drop,

onde se ouve cair um alfinete,

the system is turned up almost all the way.

o sistema está ligado durante quase todo o tempo.

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

Mas, se estivermos num lugar muito calmo, à prova de som,

the system turns itself up to 11,

o sistema aumenta até 11.

it goes unstable

fica instável

and it begins to emit sound.

e começa a emitir som.

And these emissions constitute a really strong demonstration

Essas emissões constituem uma forte demonstração

of just how active the hair cell can be.

de quão ativas as células ciliadas podem ser.

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

Então, neste último minuto, vou falar de outra questão que pode aparecer

which is: Where do we go from here?

e que é: Para onde vamos a partir daqui?

And I would say that there are three issues

Eu diria que há três questões

that I would really like to address in the future.

que gostava de abordar no futuro.

The first is: What is the molecular motor

A primeira é: Qual é o motor molecular

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

responsável pela amplificação na célula ciliada?

Somehow, nature has stumbled across a system

De certa forma, a Natureza tropeçou num sistema

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

que pode oscilar ou amplificar a 20 000 ciclos por segundo,

or even more.

ou até mais.

That's much faster than any other biological oscillation,

Isto é muito mais rápido do que qualquer outra oscilação biológica,

and we would like to understand where it comes from.

e gostaríamos de perceber de onde isso vem.

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

A segunda questão é: como é ajustada a amplificação da célula ciliada?

to deal with the acoustic circumstances.

para lidar com as circunstâncias acústicas?

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?

num ambiente silencioso ou barulhento?

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

E a terceira questão que diz respeito a todos nós:

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

O que é que podemos fazer quanto à deterioração da nossa audição?

Thirty million Americans,

Há 30 milhões de americanos

and more than 400 million people worldwide,

e mais de 400 milhões de pessoas no mundo inteiro

have significant problems on a daily basis

com problemas quotidianos significativos

with understanding speech in a noisy environment

para entender conversas em ambientes barulhentos

or over the telephone.

ou ao telefone.

Many have even worse deficits.

Muitos têm deficiências ainda piores.

Moreover, these deficits tend to get worse with time,

Além disso, estes défices tendem a piorar com o tempo,

because when human hair cells die,

pois quando a célula ciliada humana morre

they're not replaced by cell division.

não é substituída por divisão celular.

But we know that nonmammalian animals can replace their cells,

Mas sabemos que há animais não mamíferos que podem substituir as suas células.

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

As células vão morrendo e vão sendo substituídas ao longo da vida,

so the animals maintain normal hearing.

e o animal mantém uma audição normal.

Here's an example from a little zebra fish.

Temos aqui o exemplo de um pequeno peixe-zebra.

The cell at the top will undergo a division

A célula no topo sofre uma divisão

to produce two new hair cells.

para produzir duas células ciliadas novas.

They dance for a little bit,

Elas dançam durante algum tempo

and then settle down and go to work.

e depois acomodam-se e começam a funcionar.

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

Acreditamos que, se pudermos descodificar os sinais moleculares

by these other animals to regenerate their hair cells,

usados por esses animais para regenerarem as suas células,

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

podemos fazer o mesmo nos seres humanos.

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

O nosso grupo e muitos outros estão envolvidos em investigação

trying to resurrect these amazing hair cells.

tentando ressuscitar as maravilhosas células ciliadas.

Thank you for your attention.

Obrigado pela vossa atenção.

(Applause)

(Aplausos)