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

Transcriber: Joseph Geni Reviewer: Camille Martínez

Traducător: Delia Toropu Corector: Mirel-Gabriel Alexa

Can you hear me OK?

Mă auziți bine?

Audience: Yes.

Audiența: Da.

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

Dacă puteți, e chiar uimitor,

because my voice is changing the air pressure where you sit

pentru că vocea mea schimbă presiunea aerului unde stați

by just a few billionths of the atmospheric level,

cu doare câteva miliardimi din nivelul atmosferic,

yet we take it for granted

și totuși considerăm firesc

that your ears can capture that infinitesimal signal

că urechile noastre pot capta acest semnal infinitezimal

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

pentru a transmite creierului gama completă de experiențe auditive:

the human voice, music, the natural world.

vocea umană, muzica, mediul înconjurător.

How does your ear do that?

Cum fac urechile asta?

And the answer to that is:

Și răspunsul este:

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

cu ajutorul celulelor care sunt subiectul acestei prezentări:

the ear's sensory receptors,

receptorii senzoriali ai urechilor,

which are called "hair cells."

care se numesc „celule păroase”.

Now, these hair cells are unfortunately named,

Aceste celule au un nume nefericit,

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

deoarece nu au nimic de-a face cu genul de păr

of which I have less and less.

din care eu am din ce în ce mai puțin.

These cells were originally named that by early microscopists,

Au fost numite astfel de primii microscopiști

who noticed that emanating from one end of the cell

care au observat că la un capăt al celulei

was a little cluster of bristles.

era un mic grup de peri.

With modern electron microscopy, we can see much better

Folosind microscopia electronică modernă putem vedea mult mai bine

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

caracteristica specială care dă numele celulei.

That's the hair bundle.

Acesta e smocul de păr.

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

Acesta e un grup de 20 până la câteva sute de tije fine cilindrice

that stand upright at the top end of the cell.

care stau drepte la capătul superior al celulei.

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

Acest sistem e responsabil pentru faptul că mă auziți acum.

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

Trebuie să spun că sunt cumva îndrăgostit de aceste celule.

I've spent 45 years in their company --

Am petrecut 45 de ani în compania lor...

(Laughter)

(Râsete)

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

în parte și pentru că sunt frumoase.

There's an aesthetic component to it.

Au un element estetic.

Here, for example, are the cells

Aici, spre exemplu, sunt celulele

with which an ordinary chicken conducts its hearing.

cu care aude un pui obișnuit.

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

Acestea sunt celule folosite de un liliac pentru sonarul lui.

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

Noi folosim aceste celule lungi de la o broască în experimentele noastre.

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

Celulele păroase se găsesc chiar și la cei mai primitivi pești,

and those of reptiles often have this really beautiful,

iar cele ale reptilelor au adesea această structură ordonată

almost crystalline, order.

foarte frumoasă, aproape cristalină.

But above and beyond its beauty,

Dar mai presus de această frumusețe,

the hair bundle is an antenna.

smocul de păr e o antenă.

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

E un mecanism care transformă vibrațiile sonore în răspunsuri electrice

that the brain can then interpret.

pe care creierul să le poată interpreta.

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

În partea superioară a fiecărui mănunchi, cum puteți vedea în această imagine,

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

e un fir subțire care conectează fiecare păr mic

the stereocilia.

sau stereocil.

It's here marked with a little red triangle.

E indicat aici cu un mic triunghi roșu.

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

Și acest filament are la bază câteva canale ionice,

which are proteins that span the membrane.

adică niște proteine ce acoperă membrana.

And here's how it works.

Iată cum funcționează.

Această capcană pentru șobolani reprezintă un canal ionic.

This rat trap represents an ion channel.

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

Are un por prin care trec ioni de potasiu și de calciu.

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

Are o mică poartă moleculară care poate fi deschisă sau închisă.

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

Poziția sa e stabilită de această bandă elastică ce reprezintă acel filament.

Now, imagine that this arm represents one stereocilium

Imaginați-vă că acest braț reprezintă un stereocil,

and this arm represents the adjacent, shorter one

iar acest braț îl reprezintă pe cel adiacent, mai scurt

with the elastic band between them.

cu banda elastică între ele.

When sound energy impinges upon the hair bundle,

Când energia sonoră afectează smocul de păr,

it pushes it in the direction towards its taller edge.

îl împinge spre marginea mai înaltă.

The sliding of the stereocilia puts tension in the link

Alunecarea stereocililor încordează legătura

until the channels open and ions rush into the cell.

până când canalele se deschid și ionii intră în celulă.

When the hair bundle is pushed in the opposite direction,

Când smocul de păr e împins în direcția opusă,

the channels close.

canalele se închid.

And, most importantly,

Și, cel mai important,

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

o mișcare înainte și înapoi a smocului de fire,

as ensues during the application of acoustic waves,

precum cea din timpul recepționării undelor acustice,

alternately opens and closes the channel,

deschide și închide alternativ canalul,

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

și fiecare deschidere permite intrarea a milioane și milioane de ioni în celulă.

Those ions constitute an electrical current

Aceștii ioni formează un curent electric

that excites the cell.

care stimulează celula.

The excitation is passed to a nerve fiber,

Stimularea trece la o fibră nervoasă

and then propagates into the brain.

și apoi se propagă în creier.

Notice that the intensity of the sound

Observați că intensitatea sunetului

is represented by the magnitude of this response.

e reprezentată de amploarea acestui răspuns.

A louder sound pushes the hair bundle farther,

Un sunet mai puternic împinge smocul de păr mai departe,

opens the channel longer,

deschide mai mult timp canalul,

lets more ions in

lasă mai mulți ioni înăuntru

and gives rise to a bigger response.

și dă naștere unui răspuns mai mare.

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

Acest mod de acțiune are avantajul unei viteze mai mari.

Some of our senses, such as vision,

Câteva simțuri, precum vederea,

use chemical reactions that take time.

folosesc reacții chimice care necesită timp.

And as a consequence of that,

Și în consecință,

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

dacă vă arăt o serie de imagini cu o viteză de 20 sau 30 pe secundă

you get the sense of a continuous image.

aveți impresia unei imagini continue.

Because it doesn't use reactions,

Deoarece nu folosește reacții chimice,

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

celula păroasă e de o mie de ori mai rapidă decât celelalte simțuri.

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

Putem auzi sunete la frecvențe de până la 20.000 cicluri pe secundă,

and some animals have ever faster ears.

unele animale au urechi chiar mai rapide.

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

Urechile liliecilor și balenelor, de exemplu, răspund pulsurilor sonare

at 150,000 cycles a second.

la 15.000 cicluri pe secundă.

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

Dar viteza nu explică cu totul de ce funcționează urechea atât de bine.

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

Se dovedește că auzul nostru beneficiază de un amplificator,

something called the "active process."

ceva numit „proces activ”.

Procesul activ ne îmbunătățește auzul

The active process enhances our hearing

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

și face posibile toate caracteristicile remarcabile pe care le-am menționat.

Let me tell you how it works.

Să vă spun cum funcționează.

First of all, the active process amplifies sound,

În primul rând, procesul activ amplifică sunetul

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

astfel auziți sunete care mișcă smocul de fire

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

pe o distanță de doar trei zecimi de nanometru.

That's the diameter of one water molecule.

Acesta e diametrul unei molecule de apă.

It's really astonishing.

E într-adevăr uimitor.

The system can also operate

Sistemul poate acționa

over an enormously wide dynamic range.

într-o gamă dinamică enorm de largă.

Why do we need this amplification?

De ce avem nevoie de această amplificare?

The amplification, in ancient times, was useful

Amplificarea, în timpuri străvechi, a fost de folos

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

pentru că era important să auzim tigrul înainte ca el să ne poată auzi.

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

Și acum e esențial ca sistem de avertizare timpurie la distanță.

It's valuable to be able to hear fire alarms

E important să poți auzi alarme de incendiu

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

sau pericole contemporane precum mașini de pompieri sau de poliție etc.

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

Când amplificarea e redusă, sensibilitatea noastră auditivă scade,

and an individual may then need an electronic hearing aid

și o persoană poate avea nevoie de un aparat auditiv electronic

to supplant the damaged biological one.

pentru a-l înlocui pe cel biologic deteriorat.

This active process also enhances our frequency selectivity.

Acest proces activ îmbunătățește și selectivitatea noastră de frecvență.

Even an untrained individual can distinguish two tones

Chiar și un individ neinstruit poate distinge două tonuri

that differ by only two-tenths of a percent,

care diferă cu numai două zecimi de procent,

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

ceea ce reprezintă a 30-a parte din diferența dintre două note de pian,

and a trained musician can do even better.

iar un muzician instruit se poate descurca chiar mai bine.

This fine discrimination is useful

Această ușoară discriminare e utilă

in our ability to distinguish different voices

în capacitatea noastră de a distinge voci diferite

and to understand the nuances of speech.

și de a înțelege nuanțele vorbirii.

And, again, if the active process deteriorates,

Dacă procesul activ se deteriorează,

it becomes harder to carry out verbal communication.

devine mai dificilă comunicarea verbală.

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

Procesul activ e important în stabilirea gamei foarte largi

of sound intensities that our ears can tolerate,

de intensități sonore pe care urechile noastre le pot tolera,

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

de la cel mai slab sunet ce îl putem auzi, precum un stilou care cade,

to the loudest sound that you can stand --

la cel mai puternic sunet pe care îl putem suporta,

say, a jackhammer or a jet plane.

să zicem un picamer sau un avion cu reacție.

The amplitude of sounds spans a range of one millionfold,

Amplitudinea sunetelor se întinde pe o gamă de un milion de tonuri,

which is more than is encompassed by any other sense

ceea ce e mai cuprinzător decât orice alt simț

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

sau decât orice dispozitiv artificial din câte cunosc.

And again, if this system deteriorates,

Dacă acest sistem se deteriorează,

an affected individual may have a hard time

un individ afectat poate avea dificultăți

hearing the very faintest sounds

să audă sunetele foarte slabe

or tolerating the very loudest ones.

sau să le suporte pe cele mai puternice.

Pentru a înțelege cum își îndeplinesc funcția celulelor păroase,

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

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

trebuie să le privim în mediul lor din interiorul urechii.

We learn in school that the organ of hearing

Învățăm la școală că organul auzului

is the coiled, snail-shaped cochlea.

e cohleea ce are formă de melc.

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

E un organ cam de mărimea unui bob de năut.

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

E încorporat în os, de o parte și de alta a craniului.

We also learn that an optical prism

Am învățat și că o prismă optică

can separate white light into its constituent frequencies,

poate separa lumina albă în frecvențele sale constitutive,

which we see as distinct colors.

pe care le vedem ca culori distincte.

In an analogous way,

În mod analog,

the cochlea acts as sort of an acoustic prism

cohleea acționează ca un fel de o prismă acustică

that splits apart complex sounds into their component frequencies.

ce separă sunetele complexe în frecvențele lor componente.

So when a piano is sounded,

Când se aude un pian,

different notes blend together into a chord.

diferite note se amestecă împreună într-un acord.

The cochlea undoes that process.

Cohleea anulează acest proces.

It separates them and represents each at a different position.

Le separă și le reprezintă pe fiecare într-o poziție diferită.

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

În această imagine vedeți trei note,

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

nota Do din mijloc și alte două note extreme de la un pian

are represented in the cochlea.

sunt reprezentate în cohlee.

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

Frecvențele cele mai joase ajung până în vârful cohleei.

The highest frequencies, down to 20,000 Hz,

Frecvențele cele mai înalte, până la 20.000 Hz,

go all the way to the bottom of the cochlea,

ajung până la baza cohleei,

and every other frequency is represented somewhere in between.

și orice altă frecvență e reprezentată undeva la mijloc.

And, as this diagram shows,

Așa cum arată această diagramă,

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

tonurile alăturate sunt reprezentate la câteva zeci de celule distanță

along the cochlear surface.

pe suprafața cohleei.

Now, this separation of frequencies

Această separare a frecvențelor

is really key in our ability to identify different sounds,

e cheia pentru a identifica diferite sunete,

because very musical instrument,

pentru că fiecare instrument muzical,

every voice,

fiecare voce,

emits a distinct constellation of tones.

emite o gamă distinctă de tonuri.

The cochlea separates those frequencies,

Cohleaa separă aceste frecvențe,

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

și cele 16.000 de celule păroase raportează creierului

how much of each frequency is present.

nivelul fiecărei frecvențe.

The brain can then compare all the nerve signals

Creierul poate apoi compara toate semnalele nervoase

and decide what particular tone is being heard.

și decide ce ton e auzit.

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

Dar acest lucru nu explică tot ce vreau să explic.

Where's the magic?

Unde e magia?

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

V-am spus deja despre lucrurile grozave pe care le pot face celulele păroase.

How does it carry out the active process

Cum are loc procesul activ

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

și toate caracteristicile remarcabile pe care le-am menționat?

The answer is instability.

Răspunsul este instabilitatea.

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

Obișnuiam să credem că smocul de fire e un obiect pasiv,

it just sat there, except when it was stimulated.

doar stă acolo, mai puțin când e stimulat.

But in fact, it's an active machine.

De fapt, e un mecanism activ.

It's constantly using internal energy to do mechanical work

Folosește constant energia internă pentru a face lucruri mecanice

and enhance our hearing.

și să ne sporească auzul.

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

Chiar și în repaus, în absența oricărui stimul,

an active hair bundle is constantly trembling.

un smoc de fire e activ continuu.

It's constantly twitching back and forth.

Se mișcă constant înainte și înapoi.

But when even a weak sound is applied to it,

Dar chiar și când i se aplică un sunet slab

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

se agață de acel sunet și începe să se miște ușor

in a one-to-one way with it,

într-un mod sincron,

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

și astfel, amplifică semnalul de o mie de ori.

This same instability also enhances our frequency selectivity,

Aceeași instabilitate îmbunătățește și selectivitatea noastră,

for a given hair cell tends to oscillate best

deoarece se asigură ca fiecare celulă să vibreze cel mai bine

at the frequency at which it normally trembles

la frecvența la care vibrează în mod normal

when it's not being stimulated.

când nu e stimulată.

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

Acest aparat ne oferă nu numai un auz foarte sensibil,

but also gives us the very sharp tuning.

dar are și o specificitate foarte precisă.

I want to offer you a short demonstration

Vreau să vă ofer o scurtă demonstrație

of something related to this.

legată de acest lucru.

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

Îi voi ruga pe oamenii care folosesc sistemul de sunet

to turn up its sensitivity at one specific frequency.

să-i ridice sensibilitatea la o frecvență specifică.

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

La fel cum o celulă e reglată la o frecvență,

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

amplificatorul va spori o anumită frecvență din vocea mea.

Notice how specific tones emerge more clearly from the background.

Observați cum apar tonuri specifice mai clar din fundal.

This is exactly what hair cells do.

Exact asta fac celulele păroase.

Each hair cell amplifies and reports one specific frequency

Fiecare celulă amplifică și descrie o frecvență specifică

and ignores all the others.

și le ignoră pe celelalte.

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

Întregul set de celule, ca grup, poate raporta creierului

exactly what frequencies are present in a given sound,

frecvențele exacte prezente într-un sunet dat,

and the brain can determine what melody is being heard

iar creierul poate determina ce melodie se aude

or what speech is being intended.

sau ce discurs are loc.

Now, an amplifier such as the public address system

Un amplificator precum cel folosit în sistemele audio

can also cause problems.

poate provoca probleme.

If the amplification is turned up too far,

Dacă amplificarea e prea mare,

it goes unstable and begins to howl

e instabilă și începe să țiuie

or emit sounds.

sau emite sunete.

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

Și ne putem întreba de ce procesul activ nu face același lucru.

Why don't our ears beam out sounds?

De ce urechile nu transmit înapoi sunetele?

And the answer is that they do.

Răspunsul e că o fac.

In a suitably quiet environment, 70 percent of normal people

Într-un mediu suficient de liniștit, 70% din oamenii obișnuiți

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

vor scoate pe urechi unul sau mai multe sunete.

(Laughter)

(Râsete)

I'll give you an example of this.

Vă dau un exemplu.

You will hear two emissions at high frequencies

Veți auzi două emisii la frecvențe înalte

coming from a normal human ear.

provenind dintr-o ureche umană normală.

You may also be able to discern background noise,

Puteți distinge zgomotul de fundal

like the microphone's hiss,

precum șuieratul microfonului,

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

bolboroseala stomacului, bătăile inimii, foșnetul hainelor.

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

(Zumzet, șuieratul microfonului, robinet, foșnet de haine)

This is typical.

Acest lucru e tipic.

Most ears emit just a handful of tones,

Majoritatea urechilor emit doar câteva tonuri,

but some can emit as many as 30.

dar unele pot emite până la 30.

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

Fiecare ureche e unică, urechea mea dreaptă e diferită de stânga,

my ear is different from your ear,

urechile mele sunt diferite de ale voastre,

dar dacă o ureche nu e deteriorată,

but unless an ear is damaged,

it continues to emit the same spectrum of frequencies

continuă să emită același spectru de frecvențe

over a period of years or even decades.

pe o perioadă de ani sau chiar zeci de ani.

So what's going on?

Deci ce se întâmplă?

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

Se pare că urechea își poate controla propria sensibilitate,

its own amplification.

propria sa amplificare.

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

Dacă vă aflați într-un mediu zgomotos, precum un eveniment sportiv

or a musical concert,

sau un concert de muzică,

you don't need any amplification,

nu aveți nevoie de amplificare,

and the system is turned down all the way.

iar sistemul este oprit de tot.

If you are in a room like this auditorium,

Dacă sunteți într-o cameră ca aceasta

you might have a little bit of amplification,

s-ar putea să aveți puțină amplificare,

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

dar sistemul audio face treaba pentru voi, în mare parte.

And finally, if you go into a really quiet room

Dacă intrați într-o cameră liniștită,

where you can hear a pin drop,

unde puteți auzi și un ac căzând,

the system is turned up almost all the way.

sistemul e pornit aproape complet.

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

Dacă intrați într-o cameră liniștită, precum o cameră izolată fonic,

the system turns itself up to 11,

sistemul funcționează la 110%,

it goes unstable

devine instabil,

and it begins to emit sound.

și începe să emită sunete.

And these emissions constitute a really strong demonstration

Aceste emisii sunt o demonstrație puternică

of just how active the hair cell can be.

cât de active pot fi celulele păroase.

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

La final, vreau să abordez o altă întrebare ce ar putea surveni:

which is: Where do we go from here?

„Ce urmează?”

And I would say that there are three issues

Aș spune că sunt trei probleme

that I would really like to address in the future.

pe care mi-ar plăcea să le abordez în viitor.

The first is: What is the molecular motor

Prima: „Care e motorul molecular

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

responsabil de amplificarea celulelor păroase?”

Somehow, nature has stumbled across a system

Cumva, natura s-a împiedicat de un sistem

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

care poate oscila sau crește la 20.000 de cicluri pe secundă,

or even more.

sau chiar mai mult.

That's much faster than any other biological oscillation,

E mult mai rapid decât oricare altă oscilație biologică

and we would like to understand where it comes from.

și am vrea să înțelegem de unde vine.

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

A doua problemă: cum e reglată amplificarea celulelor păroase

to deal with the acoustic circumstances.

pentru a face față circumstanțelor acustice.

Who turns the knob to increase or decrease the amplification

Cine întoarce butonul pentru a crește sau a scădea amplificarea

in a quiet or in a loud environment?

într-un mediu liniștit sau zgomotos?

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

A treia problemă ne privește pe toți:

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

respectiv ce putem face cu privire la deteriorarea auzului nostru.

Thirty million Americans,

30 milioane de americani

and more than 400 million people worldwide,

și alți 400 de milioane de oameni din întreaga lume,

have significant problems on a daily basis

au zilnic probleme semnificative

with understanding speech in a noisy environment

cu înțelegerea vorbirii într-un mediu zgomotos

or over the telephone.

sau la telefon.

Many have even worse deficits.

Mulți au deficiențe și mai grave.

Moreover, these deficits tend to get worse with time,

Aceste deficiențe au tendința de a se înrăutăți în timp,

because when human hair cells die,

fiindcă atunci când celulele păroase mor,

they're not replaced by cell division.

nu sunt înlocuite prin diviziune celulară.

But we know that nonmammalian animals can replace their cells,

Dar știm că animalele non-mamifere, își pot înlocui celulele,

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

celulele lor păroase mor și sunt înlocuite de-a lungul vieții,

so the animals maintain normal hearing.

astfel, animalele își mențin un auz normal.

Here's an example from a little zebra fish.

Iată un exemplu de la un peștișor-zebră.

The cell at the top will undergo a division

Celula din vârf se va diviza

to produce two new hair cells.

pentru a produce două celule păroase noi.

They dance for a little bit,

Dansează puțin,

and then settle down and go to work.

apoi se liniștesc și trec la treabă.

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

Credem că dacă decodăm semnalele moleculare

by these other animals to regenerate their hair cells,

utilizate de aceste animale pentru regenerarea celulelor păroase,

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

vom putea face același lucru pentru oameni.

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

Grupul nostru, dar și altele, cercetează

trying to resurrect these amazing hair cells.

și încearcă să învie aceste celule păroase uimitoare.

Thank you for your attention.

Vă mulțumesc pentru atenția acordată!

(Applause)

(Aplauze)