Investigación
Somos criaturas de sensación: contamos con cientos de millones de fotorreceptores y millones más dedicados al tacto, al olfato y al gusto. Sin embargo, en cada oído solo unas 16000 células ciliadas sensoriales nos permiten oír desde un susurro hasta un trueno, y operar a frecuencias que hacen que la visión parezca lenta. ¿Cómo lo logran las células ciliadas? Deben hacer algo distinto, y distinto por varios órdenes de magnitud.
🎻 De los violines al oído
Comencé mi trayectoria estudiando física en la Universidad de Turín (Italia), donde, a diferencia de muchos compañeros atraídos por la física de partículas, decidí explorar la física del violín. Aunque soy un violinista mediocre, desde el instituto aprendí lutería como afición con el maestro luthier Gianfranco Dindo, que se había jubilado en mi ciudad natal. Tras insistir durante meses para que me aceptara como aprendiz, mi empeño acabó llevando a la creación de una escuela de lutería sin ánimo de lucro, la Associazione Arte Liutaria, que sigue existiendo hoy en día. Aquí se puede leer más.
Uno de los retos de la lutería es construir el puente del violín, una estructura de madera que transmite las vibraciones de las cuerdas al cuerpo del instrumento. En términos físicos, el puente ajusta la impedancia entre cuerdas y caja, de forma que las vibraciones se transfieren de manera eficiente. Tradicionalmente, los luthiers elaboran varios puentes para cada instrumento y eligen el mejor mediante prueba y error, a menudo con la ayuda de un violinista.
Midiendo la impedancia mecánica de las cuerdas, del cuerpo del violín y del puente a medida que lo tallábamos, desarrollé un método nuevo para guiar la construcción de un puente óptimo. De ahí surgieron mi tesis de grado, The Physics of the Violin: a method for the guided construction of a violin bridge, Gianoli F., director Prof. Roberto Tateo (2012), y un libro de divulgación accesible, Violin-making from Art to Science, Dindo G., Gianoli F., Ribella D., Saggistica, 2012.
Me interesé por la física de la audición al notar las similitudes entre el puente del violín y los huesecillos del oído medio: ambos optimizan la transferencia de potencia, uno hacia el cuerpo del violín y el otro desde el tímpano hacia la cóclea. De forma curiosa —y probablemente casual— el puente de violín incluso recuerda en su forma al estribo.
Mecanotransducción sensorial
En el origen mismo de nuestra audición se encuentran las células ciliadas. Deben su nombre al haz de estereocilios, una corona de proyecciones diminutas y flexibles que se inclinan cuando el sonido hace vibrar el oído interno. Esa flexión casi imperceptible tensa unas uniones proteicas llamadas tip links y abre canales iónicos mecanosensibles, permitiendo que circule corriente eléctrica. En un instante, una ondulación mecánica se transforma en una señal eléctrica que el cerebro puede interpretar. Esta conversión no es pasiva: el oído aporta energía propia, afinando la sensibilidad y la rapidez de respuesta, de modo que unas dieciséis mil células ciliadas por oído cubren intensidades que van del susurro al trueno y frecuencias de hasta decenas de kilohercios. A modo de comparación, la audición sigue vibraciones de ~20 a 20 000 veces por segundo, mientras que la visión fusiona destellos en una luz continua cuando superan ~60 por segundo. En otras palabras, la audición sigue acontecimientos cientos de veces más rápidos que la visión.
Esa velocidad es posible porque la fuerza abre directamente los canales. Una deflexión del haz de estereocilios de escala nanométrica aumenta la tensión en los tip links, que tiran de los canales situados en las puntas de los estereocilios y los abren en menos de un milisegundo. No hace falta una cascada química lenta. Sistemas de adaptación rápidos reajustan después la tensión, de modo que el haz queda listo para la siguiente vibración casi de inmediato. La compuerta mecánica directa y la adaptación veloz explican cómo las células ciliadas pueden seguir los estímulos auditivos más rápidos.
Si hacemos zoom, aparece una máquina molecular cooperativa. Hoy en día, existen sólidas evidencias de que TMC1/2 forman el núcleo del canal de transducción, junto con proteínas asociadas como TMIE, LHFPL5 y miembros de la familia CIB que estabilizan el complejo y lo acoplan al tip link. Mutaciones en estos componentes causan con frecuencia sordera hereditaria. Aun así, quedan detalles clave por aclarar. Los experimentos muestran que un elemento elástico convierte el movimiento del haz en apertura del canal; lo llamamos resorte de compuerta (gating spring). ¿Es el propio tip link ese resorte, o comparten la carga otros componentes proteicos y la propia membrana? Cartografiar esta cadena de fuerzas con resolución molecular es un frente de investigación muy activo. La cuestión no es solo conceptual: más de mil millones de personas viven con algún grado de pérdida auditiva, a menudo ligada a daños o mutaciones en las mismas moléculas que hacen posible la mecanotransducción. Identificar el papel de cada componente mejora los diagnósticos genéticos, orienta las terapias génicas experimentales (por ejemplo, en sordera asociada a TMC1) e informa estrategias para proteger el oído frente al ruido y la toxicidad de ciertos fármacos.
Igualmente importante es que la membrana de la célula no es una simple envoltura pasiva alrededor del canal. Es una capa delgada y flexible cuya tensión y composición pueden facilitar o dificultar sutilmente la apertura de la compuerta y la rapidez con la que el sistema se “reinicia” tras cada sonido. Cuando la membrana se tensa o cambia su mezcla de lípidos, los canales pueden abrirse algo más fácilmente o cerrarse con mayor rapidez, ajustando finamente la sensibilidad y la adaptación para que el oído no se sature con un ruido constante y, a la vez, permanezca listo para el próximo susurro. Esto importa porque las propiedades de la membrana cambian con la edad, el estado de salud, la exposición al ruido y algunos medicamentos. Si conseguimos entender cómo esta capa blanda dirige la compuerta, quizá podamos proteger la audición en situaciones de estrés o incluso ayudar a que oídos dañados se acerquen de nuevo a un funcionamiento normal.
Mecánica coclear
Próximamente.
🎤 Congresos y talleres
A lo largo de mi carrera he recibido varias ayudas de viaje para asistir a congresos internacionales, donde he presentado mi trabajo en diferentes formatos, desde pósteres hasta charlas invitadas:
- Association for Research in Otolaryngology (ARO) – febrero de 2025, Orlando, Florida, EE. UU.
- Mechanics of Hearing Workshop 2024 – Ann Arbor, Michigan, EE. UU.
- Naito Conference 2024 – Sapporo, Japón
- Association for Research in Otolaryngology (ARO) – 2024, Anaheim, California, EE. UU.
- Biophysical Society Meeting 2023 – Dublín, Irlanda
- Mechanics of Hearing Workshop 2022 – Copenhague, Dinamarca
- Association for Research in Otolaryngology (ARO) – 2022, San Jose, California, EE. UU.
- Institut de l’Audition Opening Meeting 2020 – París, Francia
- Biophysical Society Meeting 2020 – San Diego, California, EE. UU.
- The Royal Society 2019 – Londres, Reino Unido