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

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

Com este avanço, os pesquisadores também forneceram evidências diretas de um princípio biofísico unificador que rege a audição em todo o reino animal, um tema que Hudspeth investigou por mais de um quarto de século.

“Este estudo é uma obra-prima,” diz Marcelo Magnasco, biólogo físico e chefe do Laboratório de Neurociência Integrativa em Rockefeller, que colaborou com Hudspeth em algumas de suas descobertas fundamentais. “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 há muito permanecem ocultos. A fragilidade e a inacessibilidade deste órgão — embutido no osso mais denso do corpo — dificultaram seu estudo em ação.

Esses desafios têm frustrado pesquisadores de audição por muito tempo, uma vez que a maioria das perdas auditivas resulta de danos a receptores sensoriais chamados células ciliadas, que revestem a cóclea. Este órgão possui cerca de 16.000 dessas células ciliadas, assim chamadas porque cada uma é coroada por algumas centenas de “filamentos” finos, ou estereocílias, que os primeiros microscopistas compararam a cabelos. Cada feixe é uma máquina afinada que amplifica e converte vibrações sonoras em respostas elétricas que o cérebro pode então interpretar.

Sabe-se 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 instabilidade mecânica, um ponto de virada entre o completo silêncio e as oscilações. Neste ponto crítico, mesmo o som mais suave faz o sistema entrar em movimento, permitindo que amplifique sinais fracos além do que seria possível.

No caso da cóclea do sapo touro, a instabilidade reside nos feixes das células sensoriais ciliadas, que estão sempre prontas para detectar ondas sonoras que chegam. Quando essas ondas impactam, as células ciliadas se movem, amplificando o som através do que é chamado de processo ativo.

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

Para responder a essa pergunta, a equipe de Hudspeth decidiu que precisava observar o processo ativo em uma cóclea mamífera em tempo real e com um nível de detalhe maior do que nunca.

Uma fatia de espiral

Para isso, os pesquisadores voltaram sua atenção para a cóclea de gerbos, cujas capacidades auditivas estão em uma faixa semelhante à dos humanos. Eles excisaram fatias não maiores que 0,5 mm do órgão sensorial, na região da cóclea que capta a faixa média de frequências. O momento da excisão foi cronometrado para um estágio de desenvolvimento em que a audição do gerbo está madura, mas a cóclea ainda não se fundiu completamente ao osso temporal denso.

Colocaram um fragmento do tecido dentro de uma câmara projetada para reproduzir o ambiente vivo do tecido sensorial, incluindo um banho contínuo em líquidos ricos em nutrientes chamados endolímpicos e perilímpicos, mantendo sua temperatura e voltagem nativas. No desenvolvimento deste dispositivo personalizado, foram fundamentais Brian Fabella, 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 por meio de um pequeno alto-falante e observaram a resposta.

Descobrindo um princípio biofísico

Entre os processos que testemunharam estava como a abertura e o fechamento de canais iônicos nas células ciliadas adicionam energia às vibrações sonoras, amplificando-as, e como as células ciliadas externas se alongam e contraem em resposta a mudanças de voltagem, através de um processo chamado eletromotilidade.

“Pudemos ver em detalhes minuciosos o que cada parte do tecido estava fazendo em nível subcelular,” comenta Gianoli.

“Este experimento exigiu um nível de precisão e delicadeza extraordinários,” observa Magnasco. “Há fragilidade mecânica e vulnerabilidade electroquímica em jogo.”

Importante ressaltar, eles observaram que a chave para o processo ativo era, de fato, uma bifurcação de Hopf — o ponto de inflexão que transformava a instabilidade mecânica em amplificação sonora. “Isso mostra que a mecânica auditiva em mamíferos é notavelmente semelhante ao que foi observado em todo o bioma,” explica Rodrigo Alonso, co-primeiro autor e associado de pesquisa no laboratório.

Um dispositivo que pode levar a tratamentos futuros

Os cientistas acreditam que a experimentação utilizando a cóclea ex vivo melhorará a compreensão da audição e, esperançosamente, apontará para terapias melhores.

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

Há uma grande necessidade de novas terapias potencialmente eficazes na área. “Até agora, nenhum medicamento foi aprovado para restaurar a audição na perda sensorioneural, e uma das razões para isso é que ainda temos uma compreensão mecanicista incompleta do processo ativo da audição,” comenta Gianoli. “Mas agora temos uma ferramenta que podemos usar para entender como o sistema funciona, como e quando ele falha — e, esperançosamente, pensar em maneiras de intervir antes que seja tarde demais.”

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