Primeira cóclea viva fora do corpo revela como a audição realmente funciona

“Agora podemos observar os primeiros passos do processo de audição de uma maneira controlada que antes era impossível”, afirma Francesco Gianoli, co-primeiro autor e pós-doutorando no laboratório de Hudspeth.

Descrito em dois artigos recentes (na PNAS e na Hearing Research, respectivamente), a inovação é resultado de cinco décadas de trabalho de Hudspeth iluminando os mecanismos moleculares e neurais da audição – insights que abriram novas possibilidades para prevenir ou reverter a perda auditiva.

Com esse avanço, os pesquisadores também forneceram evidências diretas de um princípio biofísico unificador que governa a audição em todo o reino animal, um assunto que Hudspeth investigou por mais de vinte e cinco anos.

“Este estudo é uma obra-prima”, diz o biofísico Marcelo Magnasco, chefe do Laboratório de Neurociência Integrativa na Rockefeller, que colaborou com Hudspeth em algumas de suas descobertas seminais. “No campo da biofísica, é um dos experimentos mais impressionantes dos últimos cinco anos.”

A mecânica da audição

Embora a cóclea seja uma maravilha da engenharia evolutiva, alguns de seus mecanismos fundamentais permaneceram invisíveis por muito tempo. A fragilidade e a inacessibilidade do órgão – embutido no denso osso do corpo – tornaram difícil estudá-lo em ação.

Esses desafios frustraram os pesquisadores auditivos há muito tempo, pois a maior parte da perda auditiva resulta de danos a receptores sensoriais chamados células ciliadas que revestem a cóclea. O órgão possui cerca de 16.000 dessas células ciliadas, chamadas assim porque cada uma é coberta por algumas centenas de “pelos”, ou estereocílios, que os primeiros microscopistas compararam a cabelos. Cada feixe é uma máquina sintonizada que amplifica e converte vibrações sonoras em respostas elétricas que o cérebro pode interpretar.

Está bem documentado que, em insetos e animais não vertebrados – como os sapos touros estudados no laboratório de Hudspeth – um fenômeno biofísico conhecido como bifurcação de Hopf é fundamental para o processo auditivo. A bifurcação de Hopf descreve uma espécie de instabilidade mecânica, um ponto de virada entre total inatividade e oscilações. Nesse ponto crítico, até mesmo o som mais suave faz o sistema entrar em movimento, permitindo amplificar sinais fracos muito além do que seria percebido.

No caso da cóclea do sapo touro, a instabilidade está nos feixes das células ciliadas sensoriais, que estão sempre preparadas para detectar ondas sonoras. Quando essas ondas atingem, as células ciliadas se movem, amplificando o som em um processo denominado processo ativo.

Em colaboração com Magnasco, Hudspeth documentou a existência da bifurcação de Hopf na cóclea do sapo touro em 1998. Se ela existe na cóclea dos mamíferos tem sido um assunto debatido no campo desde então.

Para responder a essa pergunta, a equipe de Hudspeth decidiu que precisava observar o processo ativo em uma cóclea de mamífero em tempo real e com um nível de detalhe sem precedentes.

Um pedaço de espiral

Para isso, os pesquisadores recorreram à cóclea de gerbil, cuja audição se enquadra em uma faixa semelhante à dos humanos. Eles excisaram pedaços não maiores que 0,5 mm do órgão sensorial, na região da cóclea que capta a faixa média de frequências. Sincronizaram sua excisão com um momento de desenvolvimento em que a audição do gerbil está madura, mas a cóclea ainda não se fundiu totalmente ao denso osso temporal.

Colocaram um pedaço de tecido dentro de uma câmara projetada para reproduzir o ambiente vivo do tecido sensorial, incluindo a imersão contínua em líquidos ricos em nutrientes chamados endolinfa e perilinfá, e mantendo sua temperatura e voltagem nativas. O desenvolvimento deste dispositivo customizado contou com Brian Fabella, um especialista em pesquisa no laboratório de Hudspeth, e o engenheiro de instrumentação Nicholas Belenko, do Centro de Recursos de Instrumentação de Precisão Gruss Lipper da Rockefeller.

Em seguida, começaram a reproduzir sons através de um pequeno alto-falante e observaram a resposta.

Descobrindo um princípio biofísico

Entre os processos que testemunharam estavam como a abertura e o fechamento de canais iônicos nos feixes de cabelo adicionam energia às vibrações induzidas pelo som, amplificando-as, e como as células ciliadas externas se alongam e se contraem em resposta a mudanças de voltagem através de um processo chamado eletromotilidade.

“Podíamos ver em detalhes finos o que cada peça do tecido estava fazendo em nível subcelular”, diz Gianoli.

“Este experimento exigiu um nível extraordinário de precisão e delicadeza”, observa Magnasco. “Há tanto fragilidade mecânica quanto vulnerabilidade eletroquímica em jogo.”

Importante, eles observaram que a chave para o processo ativo era de fato uma bifurcação de Hopf – o ponto de virada que transformou a instabilidade mecânica em amplificação sonora. “Isso mostra que a mecânica da audição em mamíferos é notavelmente semelhante ao que foi observado em todo o biosfera”, afirma Rodrigo Alonso, co-primeiro autor e associado de pesquisa no laboratório.

Um dispositivo que pode levar a tratamentos futuros

Os cientistas antecipam que a experimentação usando a cóclea ex vivo irá melhorar sua compreensão da audição e, esperançosamente, apontar para melhores terapias.

“Por exemplo, agora poderemos perturbar o sistema farmacologicamente de uma maneira muito direcionada que nunca foi possível antes, como focando em células específicas ou interações celulares”, diz Alonso.

Há uma grande necessidade no campo por novas potenciais terapias. “Até agora, nenhum medicamento foi aprovado para restaurar a audição em perda sensorioneural, e uma das razões para isso é que ainda temos uma compreensão mecânica incompleta do processo ativo da audição”, afirma Gianoli. “Mas agora temos uma ferramenta que podemos usar para entender como o sistema funciona e como e quando ele falha – e, esperançosamente, pensar em maneiras de intervir antes que seja tarde demais.”

Hudspeth achou os resultados profundamente gratificantes, acrescenta Magnasco. “Jim trabalhou nisso por mais de 20 anos, e é uma conquista coroada para uma carreira notável.”