Hoe haarcelbundels in het binnenoor niet alleen geluid waarnemen, maar ook versterken

Een internationaal onderzoeksteam heeft nieuwe inzichten verkregen over hoe haarcelbundels in het binnenoor geluid waarnemen en versterken. Het blijkt dat bepaalde haarcelbundels door te trillen energie afgeven aan binnenkomende geluidsgolven, zodat deze beter kunnen worden opgevangen door andere haarcelbundels. Utrechtse onderzoekers Yanathip Thipmaungprom, Florian Berger en internationale collega’s combineerden biologische experimenten met AI, natuurkunde en wiskundige vergelijkingen om tot de nieuwe inzichten te komen. De studie verscheen vandaag in het vakblad PRX Life.

We zijn in staat om zachte geluiden te horen dankzij minuscule structuren in ons binnenoor die haarcelbundels worden genoemd. Deze haarcelbundels zetten geluidstrillingen in de vloeistoffen in het binnenoor om in elektrische signalen, die via de gehoorzenuw aan de hersenen worden doorgegeven. Maar deze haarcellenbundels nemen niet alleen geluiden waar, ze kunnen ze ook actief versterken. Dat werd experimenteel aangetoond bij amfibieën. 

Eerdere studies suggereren dat haarcellenbundels geen passieve sensoren zijn, want ze gebruiken energie en oscilleren (trillen) spontaan. Maar hoe dit zorgt voor een beter gehoor is tot nu toe onduidelijk gebleven.

Opvallend genoeg suggereert het model ook dat de haarcelbundels energie kunnen onttrekken aan hun omgeving, wat ze in kleine koelkastjes verandert.

Het interdisciplinaire team laat nu zien dat haarcelbundels door te trillen energie afgeven aan binnenkomende geluidsgolven, zodat andere haarcelbundels die geluidsgolven kunnen opvangen. “Deze energie komt van binnenuit de haarbundels,” legt Berger uit. “De beweging wordt waarschijnlijk aangedreven door “myosinemotoren”, waarvan bekend is dat ze ook een rol spelen bij het samentrekken van spieren. Deze motoren draaien op ATP, een molecuul dat levende cellen voorziet van energie.”

Verwarmen en verkoelen

Promovendus Thipmaungprom, eerste auteur van het artikel, en Berger werkten samen aan het project met onderzoekers van de Rockefeller University (New York), het European Molecular Biology Lab (Heidelberg), en het Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (Trieste). Het team ontdekte dat de haarcelbundels nog twee andere “modi” hebben naast het waarnemen en versterken van geluid. Berger: “Ons model suggereert dat ze ook hitte kunnen afgeven, wat ze eigenlijk in microscopische verwarmingselementen verandert. En opvallend genoeg suggereert het model ook dat ze energie kunnen onttrekken aan hun omgeving, wat ze in kleine koelkastjes verandert.”

De rol van deze twee modi is nog onduidelijk. Het koeleffect zou iets te maken kunnen hebben met het vermindering van ruis. “We zien het koeleffect vooral bij hogere amplitudes, dus bij harder geluid,” zegt Thipmaungprom. Wel moet het nog experimenteel getest worden of het verwarmings- en koeleffect er daadwerkelijk zijn, en wat de gevolgen hiervan zijn.

Stierkikkers, thermodynamica, en AI

De experimentele data voor de studie werden verzameld bij stierkikkers. “Stierkikkers hebben hele grote haarcellen,” vertelt Berger. “We verzamelden de laag cellen waarop de haarbundels zitten, lijmden deze op een stuk aluminiumfolie met daarin een gat van een halve millimeter, en bootsten de omstandigheden in het binnenoor na met hele kleine hoeveelheden van verschillende ionische vloeistoffen, ofwel vloeibare zouten. Als je dit goed doet, dan beginnen de haarcellen te oscilleren, wat je onder de microscoop kan filmen met een high-speed camera.”

Je kunt deze haarcellen zien als kleine machines die energie omzetten en controleren.

Vervolgens gebruikten de onderzoekers machine learning, een vorm van kunstmatige intelligentie (AI) die patronen “leert” uit gegevens, om de data in te passen in een wiskundig model. Dit model analyseerden ze vervolgens aan de hand van een relatief nieuw concept uit de natuurkunde: de stochastische thermodynamica.

“Je kunt deze haarcellen zien als kleine machines die energie omzetten en controleren,” legt Berger uit. “De klassieke thermodynamica, de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met de relaties tussen hitte, arbeid, temperatuur en energie, werd in de 19^e eeuw ontwikkeld voor stoommachines. Het werkt goed voor grote systemen, maar als je het toepast op kleinere systemen, zoals cellen of moleculen, dan werkt het concept niet meer goed. Stochastische thermodynamica maakt het mogelijk om de energiestroom te onderzoeken in kleine, onvoorspelbare systemen, zoals cellen, waar willekeur een grote rol speelt.”

Thipmaungprom voegt toe: “We hebben wiskundige vergelijkingen uit de stochastische thermodynamica die de energiestroom in deze haarcellen kunnen beschrijven, maar we moesten nog uitvinden wat de juiste waardes waren om in deze vergelijkingen in te vullen. We gebruiken machine learning om deze waardes uit de experimentele data te halen. Toen we die hadden, konden we al onze tools uit de thermodynamica gebruiken om te analyseren hoe het systeem zich gedraagt.”

Opgedragen aan Jim Hudspeth

De onderzoekers droegen de studie op aan Jim Hudspeth, een Amerikaanse onderzoeker die vorig jaar overleed. “Hij verrichtte baanbrekend werk op het gebied van de biofysica van haarcellen”, zegt Berger. “Hij liet ons kennismaken met dit fascinerende systeem.”