El oído: de las células ciliadas al éxtasis

Artículo publicado en agosto de 2016

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2016.08.1

Fernando Giráldez

Universitat Pompeu Fabra de Barcelona
Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

 

Descargar artículo (pdf)

¡Qué profundo es el oído! Piensa en lo que significa comprender algo que solamente has oído. ¡El carácter casi divino del oído! Verte ante las inquinidades más profundas de una existencia por el sencillo procedimiento de permanecer sentado escuchando lo que te dicen." Philip Roth, Me casé con un comunista.

Las células ciliadas del oído son el primer paso en la audición. Son mecano-transductores que transforman la energía de las ondas sonoras en impulsos nerviosos, el lenguaje del sistema nervioso. El cerebro entonces reconstruye esta información de acuerdo a principios internos que generan una sensación coherente: el sonido. El cerebro es kantiano.

 

¿Cómo una combinación particular de vibraciones mecánicas del aire se convierte en sonidos en nuestro cerebro? La audición comienza con la activación de las células ciliadas del oído, ahí es donde tiene lugar la transducción de las ondas sonoras en impulsos eléctricos. Las células ciliadas están en el interior del oído, en la cóclea, y poseen unas finas extensiones, los cilios, con una sensibilidad exquisita al desplazamiento (en el orden de nm, 10-9m). Las ondas sonoras propagadas al interior del oído inducen el desplazamiento de estos cilios. Esto abre canales iónicos que modifican el potencial eléctrico de las células ciliadas y con ello se produce la liberación de transmisores químicos que activan las neuronas auditivas. Las vibraciones mecánicas se han traducido así en impulsos nerviosos, el lenguaje del cerebro. El problema es ahora transformar esta actividad eléctrica en sonido. Recuerde que el sonido es una sensación, que no existe fuera de nuestro cerebro donde sólo hay compresiones y rarefacciones del aire.

La intensidad del sonido está ligada a la amplitud de las ondas sonoras, el tono y el timbre a su frecuencia. ¿Cómo se codifica esta información? La codificación de la intensidad es sencilla: cuanto mayor es la amplitud de las ondas sonoras, más se desplazan los cilios y más se activan las neuronas auditivas. Pero la frecuencia requiere un mecanismo adicional. Las células ciliadas están distribuidas en una fila y ordenadas a lo largo de la cóclea. Ahora bien, las propiedades de las células ciliadas y de la membrana sobre la que reposan no son homogéneas a lo largo de la cóclea lo que hace que las ondas sonoras resuenen preferentemente en una u otra región de la misma dependiendo de su frecuencia. La consecuencia es que, dependiendo de la posición que ocupa en la fila, cada célula ciliada responde preferentemente a una u otra frecuencia (tonotopia). El cerebro construye así un mapa espacial de las frecuencias del sonido y de sus intensidades, una representación interna de las frecuencias del sonido.

Las ondas sonoras son transparentes como el cristal. Así como los objetos visibles se tapan unos a otros y ello nos permite diferenciarlos, las ondas sonoras se suman y el tímpano no sabe si una vibración viene de un violín o de un estornudo, pero nosotros sí. La identificación del sonido requiere de mecanismos de reconocimiento de combinaciones particulares de intensidades, frecuencias y duraciones. De los murciélagos hemos aprendido cómo pueden ser estos mecanismos. Un murciélago distingue los objetos en la oscuridad a través de la ecolocalización. Por ejemplo, identifica el agua para beber por sus propiedades auditivas, de tal manera que si se sustituye el agua por una superficie plana con iguales propiedades de reflexión acústica, intenta igualmente beber de ella. En la corteza auditiva de los murciélagos hay neuronas que computan las varias combinaciones de parámetros y con ello identifican la identidad de los emisores, sean insectos, posibles presas o el agua para beber. En otras palabras, las neuronas de los murciélagos (y las nuestras) construyen objetos auditivos.

Un caso simple de nuestra capacidad auditiva es percibir como similares dos sonidos diferentes, pero separados por una octava: son aquellos que decimos están en el mismo tono. El mi de la bordona de una guitarra y el de la primera cuerda son diferentes, uno grave y el otro agudo, pero ambos tienen una cualidad similar y decimos están en el mismo tono, que son la misma nota. La diferencia entre ambos es que la frecuencia de la primera es doble que la de la sexta. Es decir, percibimos como igual algo que físicamente es diferente (una frecuencia duplicada). ¿Dónde está la magia? Pues en nuestro cerebro. Recientemente se han descubierto neuronas en la corteza auditiva que responden a múltiples frecuencias o a combinaciones armónicas asociadas a una frecuencia fundamental. Es decir, neuronas que identifican tonos con independencia de la frecuencia. Esto ilustra bien el carácter constructivo y a priori de nuestras percepciones. Los tonos no están en la naturaleza, son más bien relaciones particulares de los sonidos que son detectadas por neuronas especializadas de nuestro cerebro. Las neuronas "están esperando" una combinación particular de sonidos. Así como el cerebro visual convierte la longitud de onda en color, los tonos son el color del sistema auditivo.

En resumen, todo empieza en las células ciliadas del oído que descomponen la voz de Juan Diego Flórez en un mapa de actividad eléctrica generado por las células ciliadas. Las neuronas cerebrales analizan entonces los múltiples aspectos de esa actividad y extraen de ellos regularidades y rasgos específicos que generan en nosotros una sensación coherente: el éxtasis. Estas neuronas tienen sus propias reglas, sus preferencias, constituyen un a priori estético, y quizá sea ahí en donde residan algunos de nuestros ideales de belleza.

 

 

HAIR CELL01 1 

 Figura. Células ciliadas en la mácula de un embrión de pollo, identificadas mediante un anticuerpo anti-MyoVIIIa (en rojo). A una célula se le transfirió el gen de la proteína GFP (verde) mediante electroporación.

 

REFERENCIAS

1. Bat Sense, Nature Video: https://www.youtube.com/watch?v=gZxLUNHEmPw
2. Bowling D.L. & Purves, D. (2015) A biological rationale for musical consonance. Proc Natl Acad Sci U S A. 112:11155-60.
3. Block, S.M. (2004) Hair cells in youtube. From Essential Cell Biology, 2nd ed. Alberts et al., (2004) https://www.youtube.com/watch?v=ulAISCEQzRo
4. Goutman, J.D. et al. (2015) Cochlear hair cells: The sound-sensing machines: FEBS Lett. 589: 3354–3361
5. Koelsch, S. (2011) Toward a neural basis of music perception - a review and updated model. Front Psychol. 2:110.
6. Wang, X. (2013). The harmonic organization of auditory cortex. Front. Syst. Neurosci. 7:114.

 

 

 

Ver artículos de otros meses

 

Entrevista

Fernando Giráldez
Universitat Pompeu Fabra de Barcelona

Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

 

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- Quién sabe cuando surgió esta inclinación..., yo diría que en los últimos años del instituto, en "el Ramiro", ya lo tenía bastante decidido, aún sin saberlo. Quería ser profe, o ser como alguno de mis profes. Sin ser un empollón, siempre me ha gustado estudiar. Y además del laboratorio, en donde aún hoy me gusta enredar, también me ha gustado enseñar. Tuve también la fortuna de conocer varias personas que me animaron y orientaron hacia el mundo académico. Si tuviera que dar tres nombres, diría, cronológicamente: el Prof. Gómez Bosque, catedrático de Anatomía, un sabio a la antigua, un intelectual humanista y filosófico que hacía fácil todo lo que enseñaba. Carlos Belmonte, quien me descubrió qué era realmente la investigación y me introdujo en el mundo de la neurofisiología. Llegó a Valladolid a mediados de los 70 y representaba la modernidad. En esa época éramos cuatro gatos haciendo investigación en los diferentes campos de la ciencia y el mero hecho de hacerla y publicar en revistas internacionales era ya una conquista. Carlos fue muy generoso y depositó en mí su confianza. Y, finalmente, Rodolfo Llinás, un excelente neurocientífico de NYU, que en una mañana me enseñó en qué consiste la ambición científica.

P.- ¿Recibió de joven algún consejo al cual siga siendo fiel?

R.- Recibí muchos y buenos consejos a los que desafortunadamente no he sido fiel. Quizá el único que he seguido con lealtad haya sido que la investigación es sobre todo trabajo y constancia.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional? ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Estudié Medicina e hice mi doctorado sobre los receptores sensoriales del dolor, con Carlos Belmonte. Ello me introdujo a la electrofisiología y en el interés por el estudio científico de los sentidos. Dediqué unos años al estudio biofísico del transporte iónico en las membranas celulares en un postdoc largo en Cambridge. Ahí también aprendí lo que quiere decir "sinkorswim", de manera que de vuelta a España, y ya fortalecido por lo anterior, tanteé varios proyectos y volví otra vez a los sistemas sensoriales con la idea de aplicar técnicas electrofisiológicas y biofísicas al desarrollo embrionario del oído, un sistema que los anatómicos que tenía cerca conocían muy bien. Con la explosión de las técnicas de recombinación molecular, ese proyecto me hizo olvidar la electrofisiología y me llevó a la biología molecular del desarrollo. Aquí encontré mi nicho y es lo que vengo haciendo desde hace más de treinta años, aunque aún hoy añoro la electrofisiología. En todo caso, la mentalidad más física que química de electrofisiólogo me ha ayudado mucho en mi trabajo.

¿Repetir?,¡ni hablar!, cambiaría muchas cosas.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- Desde hace ya varios años vengo estudiando cómo se desarrollan en el embrión las células ciliadas y las neuronas del oído. Las células ciliadas constituyen el primer paso de la audición, convirtiendo las vibraciones sonoras en cambios eléctricos que se transmiten a las neuronas auditivas. La cuestión es comprender la red de instrucciones que hacen que estas células se formen en el embrión en el lugar y momento adecuados. Junto con otros laboratorios, estamos investigando la regulación de un conjunto de genes llamados proneurales, cuya expresión diferencial determina el desarrollo de las células ciliadas y las neuronas. Esto es importante no sólo para entender mejor el desarrollo embrionario, sino para el diseño de estrategias para regenerar estas células en caso de lesión. Esto último es un problema de salud muy serio porque es la primera causa de las pérdidas de audición y afecta a un número creciente de personas, más de cincuenta millones en Europa. Las células ciliadas son muy pocas, 15.000 en cada oído (tenemos varios millones de fotoreceptores en la retina, por ejemplo) y cuando se muere una de ellas ya no se reemplaza. No hay técnicas para prevenir el daño o repararlo y, aunque lejano aún, el objetivo es poder regenerar las células ciliadas. La idea es que si comprendemos cómo se forman estas células en el embrión podremos quizá conocer las claves para poder recuperarlas de nuevo en el oído dañado.

P.- ¿Cómo ve el futuro de este área científica?

R.- Como todas las ciencias biomédicas, la biología del desarrollo esta viviendo un momento dorado, una auténtica revolución en el conocimiento. La profusión de herramientas e información genómica y proteómica a la que tenemos acceso permite no sólo abarcar más, sino profundizar en los mecanismos biológicos y por extensión aquellos que regulan el desarrollo embrionario. Aún no somos capaces de ver lo que realmente puede dar de sí todo esto, ni la profundidad de la mirada que nos darán estas herramientas. Harán falta ideas y modelos que aún no tenemos. Será todo mucho más cuantitativo, habrá que aprender de la física.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?

R.- Yo creo que, en general, desde la promulgación de la primera Ley de la Ciencia, la estructura de la investigación científica en España es bastante robusta y homologable a la de los países con más tradición científica. Con ello, la carrera científica se parece también cada vez más a la de los países europeos más prósperos. Dicho esto, el sistema arrastra problemas graves y ello se ha notado mucho en la capacidad de reacción durante estos años de crisis económica y recortes presupuestarios. La carrera investigadora está ligada al desarrollo científico y tecnológico del país y aquí hay mucho que hacer. Es un problema de inversión, pero no es sólo un problema económico.

Para mí, una enfermedad grave de la carrera científica en nuestro país es el estar basada en un sistema funcionarial que carece de un sistema eficaz de rendición de cuentas. La asociación de ambas cosas es letal para instituciones de investigación como las universidades o el CSIC, y distorsiona completamente la carrera investigadora. Esta situación facilita la formación de castas y pequeños imperios, dificulta la organización y la creación de grupos y programas funcionales, atomiza y anquilosa el sistema, y desconcierta completamente a los jóvenes investigadores con directrices contradictorias en las que entran en conflicto excelencia y estabilidad.

Hay iniciativas políticas como los programas de investigadores Ramón Cajal (con todos sus "peros") o los más atrevidos ICREA e Ikerbasque, que han permitido abrir terreno para una carrera investigadora moderna. Y con ello hay universidades y centros de investigación que están utilizando esos programas para reclutar buenos investigadores, lo que muestra que es posible mejorar con reformas específicas y bien diseñadas (la mejor manera de no cambiar nada es querer cambiarlo todo). Estos programas han logrado ofrecer un futuro a un buen número de jóvenes investigadores por medio de un sistema de selección exigente sabiendo que su carrera va a ser seguida y evaluada con criterios fiables. Pero estas iniciativas no pueden ser mecanismos correctores, paralelos a la vía de reclutamiento "normal", sino el eje central de un tenure track, de una carrera investigadora basada en la excelencia y la rendición de cuentas. No nos engañemos, no es sólo un asunto de dinero, no es sólo un problema de plazas. Necesitaremos mucho trabajo en las universidades y centros del CSIC para aceptar reformas de enjundia. La gente joven sabe que las reglas han cambiado y está dispuesta a jugar con ellas. Lamentablemente, muchos de nuestros colegas ya establecidos parecen no haberse enterado y piensan que las cosas deben seguir como siempre, pero con más dinero y eso es, simplemente, inviable.

 

Perfil biográfico

Fernando Giráldez
Universitat Pompeu Fabra de Barcelona
Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Fernando Giráldez es catedrático de la Universitat Pompeu Fabra (UPF) de Barcelona. Nacido en Buenos Aires, de padres españoles, regresó a España en 1960. Estudió en el Instituto Ramiro de Maeztu de Madrid y Medicina en la Universidad de Valladolid,donde se doctoró. Continuó su formación post-doctoral en la Universidad de Cambridge, habiendo realizado numerosas estancias de investigación en centros internacionales.

Su trabajo se ha centrado en el desarrollo embrionario del oído, habiendo contribuido a entender las bases moleculares de la generación de las neuronas y receptores sensoriales. Esta investigación, de carácter básico, tiene sin embargo implicaciones para el desarrollo de estrategias de regeneración auditiva. Ha publicado más de ochenta artículos y revisiones en libros y revistas internacionales. Experto y miembro de paneles de revisión de organismos de financiación y revistas científicas. Participa regularmente en actividades dirigidas a la promoción de la ciencia, incluyendo cursos, charlas en colegios y centros sociales.

http://www.upf.edu/devbiol/

 

Socios Protectores