Transcription
الناسخ: جوزيف جيني
المراجع: كاميل مارتينيز
هل تسمعني جيدًا؟
الجمهور: نعم.
جيم هودسبث: حسنًا. إذا كان بإمكانك ذلك، فهذا أمر مدهش حقًا، لأن صوتي يغير ضغط الهواء حيث تجلس ببضعة مليارات من المستوى الجوي فقط، ومع ذلك نأخذ الأمر كأمر مسلم به أن آذانكم يمكنها التقاط تلك الإشارة المتناهية الصغر واستخدامها للإشارة إلى الدماغ النطاق الكامل للتجارب السمعية: الصوت البشري، الموسيقى، العالم الطبيعي. كيف تفعل أذنك ذلك؟ والإجابة على ذلك هي: من خلال الخلايا التي هي البطل الحقيقي لهذا العرض التقديمي - مستقبلات الحس في الأذن، والتي تسمى "الخلايا الشعرية".
الآن، هذه الخلايا الشعرية سميت بشكل مؤسف، لأنها لا علاقة لها على الإطلاق بنوع الشعر الذي أصبح لدي أقل وأقل. تم تسمية هذه الخلايا في الأصل بذلك من قبل علماء المجهر الأوائل، الذين لاحظوا أن هناك مجموعة صغيرة من الشعيرات تنبعث من أحد طرفي الخلية. مع المجهر الإلكتروني الحديث، يمكننا رؤية طبيعة الميزة الخاصة التي تعطي الخلية الشعرية اسمها بشكل أفضل بكثير. هذه هي الحزمة الشعرية. إنها هذه المجموعة من 20 إلى عدة مئات من القضبان الأسطوانية الدقيقة التي تقف منتصبة في الطرف العلوي من الخلية. وهذا الجهاز هو المسؤول عن سماعك لي في هذه اللحظة بالضبط.
الآن، يجب أن أقول إنني مغرم إلى حد ما بهذه الخلايا. لقد قضيت 45 عامًا في صحبتها - (ضحك) وجزء من السبب هو أنها جميلة حقًا. هناك مكون جمالي لذلك. هنا، على سبيل المثال، الخلايا التي تستخدمها الدجاجة العادية لإجراء سمعها. هذه هي الخلايا التي تستخدمها الخفافيش لسونارها. نستخدم هذه الخلايا الشعرية الكبيرة من ضفدع للعديد من تجاربنا. توجد الخلايا الشعرية في جميع أنحاء الأسماك الأكثر بدائية، وغالبًا ما تتميز خلايا الزواحف بترتيب جميل جدًا، شبه بلوري.
ولكن فوق جمالها، فإن الحزمة الشعرية هي هوائي. إنها آلة لتحويل اهتزازات الصوت إلى استجابات كهربائية يمكن للدماغ تفسيرها بعد ذلك. في الجزء العلوي من كل حزمة شعرية، كما يمكنك أن ترى في هذه الصورة، يوجد خيط دقيق يربط كل شعرة صغيرة، وهي الأهداب الدقيقة. تم تمييزها هنا بمثلث أحمر صغير. وهذا الخيط لديه في قاعدته زوج من قنوات الأيونات، وهي بروتينات تعبر الغشاء. وإليك كيف يعمل. هذا الفخ يمثل قناة أيونات. لديها مسام تمر عبرها أيونات البوتاسيوم وأيونات الكالسيوم. لديها بوابة جزيئية صغيرة يمكن أن تكون مفتوحة، أو يمكن أن تكون مغلقة. ويتم تحديد حالتها بواسطة هذه العصابة المرنة التي تمثل هذا الخيط البروتيني.
الآن، تخيل أن هذا الذراع يمثل هدبًا دقيقًا واحدًا وهذا الذراع يمثل الذراع المجاور والأقصر مع العصابة المرنة بينهما. عندما تصطدم طاقة الصوت بالحزمة الشعرية، فإنها تدفعها في اتجاه حافتها الأطول. يؤدي انزلاق الأهداب الدقيقة إلى شد الرابط حتى تنفتح القنوات وتتدفق الأيونات إلى الخلية. عندما يتم دفع الحزمة الشعرية في الاتجاه المعاكس، تنغلق القنوات. والأهم من ذلك، أن الحركة ذهابًا وإيابًا للحزمة الشعرية، كما تحدث أثناء تطبيق الموجات الصوتية، تفتح وتغلق القناة بالتناوب، وكل فتحة تسمح لملايين وملايين الأيونات بالدخول إلى الخلية.
تشكل هذه الأيونات تيارًا كهربائيًا يثير الخلية. يتم تمرير الإثارة إلى ليف عصبي، ثم تنتشر إلى الدماغ. لاحظ أن شدة الصوت ممثلة بحجم هذه الاستجابة. الصوت الأعلى يدفع الحزمة الشعرية أبعد، ويفتح القناة لفترة أطول، ويسمح بدخول المزيد من الأيونات، وينتج عنه استجابة أكبر.
الآن، هذه الطريقة في التشغيل لها ميزة السرعة الكبيرة. تستخدم بعض حواسنا، مثل البصر، تفاعلات كيميائية تستغرق وقتًا. ونتيجة لذلك، إذا عرضت عليك سلسلة من الصور على فترات تتراوح بين 20 أو 30 صورة في الثانية، تحصل على إحساس بصورة مستمرة. نظرًا لأنها لا تستخدم تفاعلات، فإن الخلية الشعرية أسرع بـ 1000 مرة من حواسنا الأخرى. يمكننا سماع أصوات بترددات تصل إلى 20000 دورة في الثانية، وبعض الحيوانات لديها آذان أسرع. آذان الخفافيش والحيتان، على سبيل المثال، يمكن أن تستجيب لنبضات السونار الخاصة بها بسرعة 150000 دورة في الثانية.
لكن هذه السرعة لا تفسر تمامًا سبب أداء الأذن بشكل جيد. ويتضح أن سمعنا يستفيد من مضخم، شيء يسمى "العملية النشطة". العملية النشطة تعزز سمعنا وتجعل جميع الميزات الرائعة التي ذكرتها بالفعل ممكنة. دعني أخبرك كيف تعمل. أولاً وقبل كل شيء، العملية النشطة تضخم الصوت، لذلك يمكنك سماع، عند الحد الأدنى، أصواتًا تحرك الحزمة الشعرية لمسافة ثلاثة أعشار نانومتر فقط. هذا هو قطر جزيء ماء واحد. إنه أمر مدهش حقًا. يمكن للنظام أيضًا أن يعمل عبر نطاق ديناميكي واسع للغاية.
لماذا نحتاج إلى هذا التضخيم؟ كان التضخيم، في العصور القديمة، مفيدًا لأنه كان ذا قيمة لنا لسماع النمر قبل أن يتمكن النمر من سماعنا. وفي هذه الأيام، أصبح ضروريًا كنظام إنذار مبكر بعيد. من المفيد أن تكون قادرًا على سماع أجهزة إنذار الحريق أو المخاطر المعاصرة مثل سيارات الإطفاء أو سيارات الشرطة السريعة أو ما شابه ذلك. عندما تفشل عملية التضخيم، ينخفض حساسية سمعنا، وقد يحتاج الفرد بعد ذلك إلى جهاز سمع إلكتروني ليحل محل الجهاز البيولوجي التالف.
تعزز هذه العملية النشطة أيضًا انتقائية التردد لدينا. حتى الفرد غير المدرب يمكنه التمييز بين نغمتين تختلفان بنسبة 0.2٪ فقط، وهي ثلث الفرق بين نغمتين بيانو، ويمكن للموسيقي المدرب أن يفعل ما هو أفضل. هذا التمييز الدقيق مفيد في قدرتنا على التمييز بين الأصوات المختلفة وفهم الفروق الدقيقة في الكلام. ومرة أخرى، إذا تدهورت العملية النشطة، يصبح من الصعب إجراء الاتصال اللفظي.
أخيرًا، العملية النشطة قيمة في تحديد النطاق الواسع جدًا لشدة الصوت التي يمكن أن تتحملها آذاننا، من أضعف صوت يمكنك سماعه، مثل سقوط قلم، إلى أشد صوت يمكنك تحمله - على سبيل المثال، مطرقة ثقيلة أو طائرة نفاثة. يمتد اتساع الأصوات عبر نطاق مليون ضعف، وهو أكثر مما يشمله أي حاسة أخرى أو أي جهاز من صنع الإنسان على حد علمي. ومرة أخرى، إذا تدهور هذا النظام، فقد يواجه الفرد المتأثر صعوبة في سماع أضعف الأصوات أو تحمل أشدها.
الآن، لفهم كيف تقوم الخلية الشعرية بعملها، يجب على المرء أن يضعها في بيئتها داخل الأذن. نتعلم في المدرسة أن عضو السمع هو القوقعة الحلزونية الشكل. إنها عضو بحجم حبة حمص. إنها مدمجة في العظام على جانبي الجمجمة. نتعلم أيضًا أن المنشور البصري يمكنه فصل الضوء الأبيض إلى تردداته المكونة، والتي نراها كألوان مميزة. بطريقة مماثلة، تعمل القوقعة كنوع من المنشور الصوتي الذي يفصل الأصوات المعقدة إلى تردداتها المكونة. لذلك عندما يتم عزف البيانو، تختلط النغمات المختلفة معًا لتشكل وترًا. القوقعة تلغي هذه العملية. إنها تفصلها وتمثل كل نغمة في موضع مختلف.
في هذه الصورة، يمكنك أن ترى أين يتم تمثيل ثلاث نغمات - دو الوسطى والنغمتين القصوى على البيانو - في القوقعة. الترددات المنخفضة تذهب إلى أعلى القوقعة. الترددات الأعلى، حتى 20000 هرتز، تذهب إلى أسفل القوقعة، ويتم تمثيل كل تردد آخر في مكان ما بينهما. وكما يوضح هذا الرسم البياني، يتم تمثيل النغمات الموسيقية المتتالية على بعد بضع عشرات من الخلايا الشعرية على طول سطح القوقعة.
الآن، هذا الفصل للترددات هو مفتاح قدرتنا على تحديد الأصوات المختلفة، لأن كل آلة موسيقية، كل صوت، يصدر مجموعة مميزة من النغمات. تفصل القوقعة هذه الترددات، ثم تبلغ 16000 خلية شعرية الدماغ عن مقدار كل تردد موجود. يمكن للدماغ بعد ذلك مقارنة جميع الإشارات العصبية وتحديد النغمة المحددة التي يتم سماعها.
لكن هذا لا يفسر كل ما أريد شرحه. أين السحر؟ لقد أخبرتك بالفعل عن الأشياء الرائعة التي يمكن للخلية الشعرية القيام بها. كيف تقوم بالعملية النشطة وتقوم بجميع الميزات الرائعة التي ذكرتها في البداية؟ الإجابة هي عدم الاستقرار. كنا نعتقد أن الحزمة الشعرية كانت شيئًا سلبيًا، كانت تجلس هناك، باستثناء عندما يتم تحفيزها. ولكن في الواقع، إنها آلة نشطة. إنها تستخدم باستمرار الطاقة الداخلية للقيام بعمل ميكانيكي وتعزيز سمعنا. لذلك حتى في حالة الراحة، في غياب أي مدخلات، تهتز الحزمة الشعرية النشطة باستمرار. إنها ترتعش باستمرار ذهابًا وإيابًا. ولكن عندما يتم تطبيق حتى صوت ضعيف عليها، فإنها تتعلق بهذا الصوت وتبدأ في التحرك بدقة شديدة بطريقة واحدة إلى واحد معه، وبذلك، تضخم الإشارة بحوالي ألف مرة.
يعزز هذا عدم الاستقرار نفسه أيضًا انتقائية التردد لدينا، حيث تميل خلية شعرية معينة إلى التذبذب بشكل أفضل عند التردد الذي تهتز فيه عادةً عندما لا يتم تحفيزها. لذلك، هذا الجهاز لا يمنحنا فقط سمعنا الحاد بشكل ملحوظ، بل يمنحنا أيضًا هذا الضبط الحاد جدًا.
أريد أن أقدم لكم عرضًا توضيحيًا قصيرًا لشيء متعلق بهذا. سأطلب من الأشخاص الذين يديرون نظام الصوت زيادة حساسيته عند تردد معين. تمامًا كما يتم ضبط الخلية الشعرية على تردد واحد، سيقوم المضخم الآن بتعزيز تردد معين في صوتي. لاحظ كيف تبرز نغمات معينة بوضوح أكبر من الخلفية. هذا بالضبط ما تفعله الخلايا الشعرية. كل خلية شعرية تضخم وترسل ترددًا واحدًا محددًا وتتجاهل كل الترددات الأخرى. ويمكن لمجموعة الخلايا الشعرية بأكملها، كمجموعة، بعد ذلك إبلاغ الدماغ بالضبط عن الترددات الموجودة في صوت معين، ويمكن للدماغ تحديد اللحن الذي يتم سماعه أو الكلام الذي يُقصد.
الآن، يمكن للمضخم مثل نظام الصوت العام أن يسبب مشاكل أيضًا. إذا تم رفع التضخيم أكثر من اللازم، فإنه يصبح غير مستقر ويبدأ في الصراخ أو إصدار أصوات. ويتساءل المرء لماذا لا تقوم العملية النشطة بنفس الشيء. لماذا لا تصدر آذاننا أصواتًا؟ والإجابة هي أنها تفعل ذلك. في بيئة هادئة بما فيه الكفاية، سيصدر 70٪ من الأشخاص العاديين صوتًا واحدًا أو أكثر من آذانهم. (ضحك) سأعطيك مثالاً على ذلك. ستسمع انبعاثين بترددات عالية قادمين من أذن بشرية طبيعية. قد تكون قادرًا أيضًا على تمييز ضوضاء الخلفية، مثل هسهسة الميكروفون، أو غرغرة المعدة، أو نبضات القلب، أو حفيف الملابس. (همهمات، هسهسة ميكروفون، نقرات مكتومة، حفيف ملابس) هذا نموذجي. تصدر معظم الآذان عددًا قليلاً من النغمات، ولكن البعض يمكن أن يصدر ما يصل إلى 30. كل أذن فريدة من نوعها، لذا فإن أذني اليمنى تختلف عن أذني اليسرى، وأذني تختلف عن أذنك، ولكن ما لم تكن الأذن تالفة، فإنها تستمر في إصدار نفس طيف الترددات على مدى سنوات أو حتى عقود.
إذن ما الذي يحدث؟ يتضح أن الأذن يمكنها التحكم في حساسيتها الخاصة، وتضخيمها الخاص. لذلك إذا كنت في بيئة صاخبة جدًا، مثل حدث رياضي أو حفل موسيقي، فلن تحتاج إلى أي تضخيم، ويتم خفض النظام بالكامل. إذا كنت في غرفة مثل قاعة المحاضرات هذه، فقد تحصل على القليل من التضخيم، ولكن بالطبع يقوم نظام الصوت العام بمعظم العمل نيابة عنك. وأخيرًا، إذا ذهبت إلى غرفة هادئة حقًا حيث يمكنك سماع سقوط دبوس، يتم رفع النظام بالكامل تقريبًا. ولكن إذا ذهبت إلى غرفة فائقة الهدوء مثل غرفة صوت، فإن النظام يرفع نفسه إلى 11، ويصبح غير مستقر ويبدأ في إصدار الصوت. وتشكل هذه الانبعاثات دليلًا قويًا جدًا على مدى نشاط الخلية الشعرية.
لذلك في الدقيقة الأخيرة، أريد أن أتناول سؤالًا آخر قد يطرح، وهو: إلى أين نتجه من هنا؟ وأود أن أقول إن هناك ثلاث قضايا أود حقًا معالجتها في المستقبل. الأول هو: ما هي المحرك الجزيئي المسؤول عن تضخيم الخلية الشعرية؟ بطريقة ما، عثرت الطبيعة على نظام يمكنه التذبذب أو التضخيم بسرعة 20000 دورة في الثانية، أو حتى أكثر. هذا أسرع بكثير من أي تذبذب بيولوجي آخر، ونود أن نفهم من أين يأتي.
القضية الثانية هي كيف يتم تعديل تضخيم الخلية الشعرية للتعامل مع الظروف الصوتية. من يدير المقبض لزيادة أو تقليل التضخيم في بيئة هادئة أو صاخبة؟ والقضية الثالثة هي قضية تهمنا جميعًا، وهي ما يمكننا فعله بشأن تدهور سمعنا. يعاني ثلاثون مليون أمريكي، وأكثر من 400 مليون شخص في جميع أنحاء العالم، من مشاكل كبيرة يوميًا في فهم الكلام في بيئة صاخبة أو عبر الهاتف. يعاني الكثيرون من عجز أسوأ. علاوة على ذلك، تميل هذه العجز إلى التفاقم بمرور الوقت، لأنه عندما تموت الخلايا الشعرية البشرية، لا يتم استبدالها بانقسام الخلايا.
لكننا نعلم أن الحيوانات غير الثديية يمكنها استبدال خلاياها، وتلك المخلوقات تموت خلاياها ويتم استبدالها طوال الحياة، لذلك تحافظ الحيوانات على سمع طبيعي. إليك مثال من سمكة دانيو صغيرة. ستخضع الخلية في الأعلى للانقسام لإنتاج خليتين شعريتين جديدتين. ترقصان قليلاً، ثم تستقران وتبدآن في العمل. لذلك نعتقد أنه إذا تمكنا من فك رموز الإشارات الجزيئية التي تستخدمها هذه الحيوانات الأخرى لتجديد خلاياها الشعرية، فسنكون قادرين على فعل الشيء نفسه للبشر. ومجموعتي والعديد من المجموعات الأخرى تشارك الآن في أبحاث تحاول إحياء هذه الخلايا الشعرية المذهلة.
شكراً لانتباهكم. (تصفيق)