Сверхчуткий слуховой аппарат: как мухи-паразиты помогают ученым
Американские исследователи решили создать мощный слуховой аппарат, опираясь на анатомию невероятно чувствительной к звукам мухи-паразита. Но оказалось, что совместить уши человека и насекомого не так-то просто.
Ученые решили изучить муху Ormia ochracea для разработки слуховых аппаратов, которые не только усиливают звук, но также могут подсказать владельцу, откуда идет звуковой сигнал. Крошечное насекомое обладает необычной способностью определять направление источника звуковых волн даже несмотря на то, что одновременно слышит звук сразу в обоих «ушах». Однако исследователи столкнулись с рядом проблем, поскольку слуховой механизм насекомого и человека довольно сильно отличаются друг от друга.
«Если мы находимся посреди шумной толпы и хотим различить речь одного человека, нам будет сложно это сделать, поскольку он находится близко к источнику шума. Но если мы пространственно отделим его, то, разумеется, наша задача упростится.
Ormia ochracea — это паразитическая муха, женские особи которой располагают тимпанальными (особыми слуховыми) органами, расположенными по обе стороны брюшка. Будучи соединенными между собой внешним скелетом, они функционируют подобно барабанным перепонкам и обеспечивают весьма точную информацию о местоположении источника звука. Данный механизм используется насекомым для обнаружения поющих самцов сверчков, на которых муха откладывает яйца. Особи способны дифференцировать минимальные различия в частотах реверберации (до 50 миллиардных долей секунды), что позволяет им с высокой точностью определять направление к источнику.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Для начала ученые вовсе не использовали фоновый шум, и муха, услышав сверчка, двигалась к нему по специальной беговой дорожке без всяких сомнений.
Так что же происходит с мухой? На самом деле, на ее поведение влияет множество биологических факторов. Важно то, что использование чуткого слуха насекомых в слуховых аппаратах людей может иметь ряд проблем — владелец попросту не сможет различить, откуда именно приходят звуки разных источников, для него они будут звучать одновременно отовсюду. Впрочем, Ли сразу указал на очевидные ограничения исследования: к примеру, разница между основным и маскирующим источниками звуков составляет от 6 градусов и выше, но при этом ученые не протестировали вероятность того, что звуки будут исходить из более близких источников, или же вовсе из одного.
Плотоядные мухи отложили яйца с личинками в ушах мужчины из Португалии — Russian Traveler
Это довольно необычный случай для европейских стран. Мухи-паразиты отложили яйца прямо в барабанную перепонку.
Врачи больницы Педро Испано в португальском городе Матозиньюш задокументировали необычный случай.
На прием в клинику пришел 64-летний мужчина, который пожаловался на боли в ухе. Они продолжались уже пять дней. На момент приема мужчина уже не мог терпеть боль и стонал. Помимо этого, врачи зафиксировали у него кровотечение из слухового прохода.
После физического осмотра оказалось, что барабанную перепонку мужчины закупорили подвижные личинки.
В исследовании говорится, что их было «много», но не уточняется конкретное число. Личинок вытащили с помощью специальных щипцов, предварительно промыв ухо пациента. Медики также обнаружили, что личинки умудрились проколоть барабанную перепонку мужчины.
После исследования упитанных паразитов врачи выяснили, что они соответствуют виду Cochliomyia hominivorax. Это – американская тропическая мясная муха из семейства каллифорид (Calliphoridae). Она наиболее распространена в Центральной и Южной Америке, а также на нескольких островах Карибского бассейна, включая Ямайку и Кубу.
Личинки мух типа С. hominivorax вызывают миаз – паразитарную болезнь из группы энтомозов. Термин «миаз» был предложен в 1840 году священником Фредериком Уильямом Хоупом, чтобы именовать болезни, которые вызывают личинки двукрылых – в противоположность болезням, вызванным личинками других насекомых (для которых использовался термин «сколециаз»).
Каждая самка американской тропической мясной мухи откладывает до 400 яиц в тканях животных, в основном теплокровных, после чего из яиц вылупляются личинки, которые начинают пировать на плоти своего живого хозяина.
Этим они отличаются от многих других личинок мух, поедающих исключительно мертвую плоть и заражающую гнилостные раны. Если случаи миаза не лечить, они могут привести к инфекциям и даже летальному исходу.
После пяти-семи дней пребывания в теле хозяина личинки стремятся попасть на землю и зарыться в нее. Затем они окукливаются еще в течение трех-пяти дней, прежде чем из них вылупляются взрослые особи.
Соавтор исследования Катарина Рато рассказала, что после извлечения личинок пациенту из Португалии прописали инъекции антибиотиков в уши, раствор борной кислоты и пероральные антибиотики. Антибиотики и стероиды используются в ушных каплях для предотвращения бактериальной инфекции и уменьшения отека и воспаления, в то время как борная кислота обеспечивает щелочную среду в ухе, неблагоприятную для развития микробов. После семидневного пребывания в стационаре, когда врачи убедились, что личинки исчезли окончательно, пациент был выписан.
Миаз довольно распространен в тропических и субтропических регионах с низким социально-экономическим статусом.
Инфекции могут возникнуть в любом месте на теле. В 2020 году описан случай 7-дневного ребенка с 55 личинками, вторгшимися в его пуповину.
Португальские исследователи отмечают, что наиболее уязвимыми местами для заражения паразитами являются рот, все открытые раны, кожа головы и естественные отверстия, такие как уши, нос и гениталии.
Как уши крошечной мухи могут помочь вам лучше слышать: снимки
Как уши крошечной мухи могут помочь вам лучше слышать: снимки — Новости здравоохранения их чириканье. Эти супер-уши вдохновили на создание следующего поколения микрофонов для слуховых аппаратов человека.
Прививки — Новости здравоохранения
По номеру
Кара Манке
Если бы вы были сверчком, эта маленькая муха заставила бы вас очень нервничать.
Предоставлено Государственным музеем членистоногих Луизианы. скрыть заголовок
переключить заголовок
Предоставлено Государственным музеем членистоногих Луизианы.
Если бы вы были сверчком, эта маленькая муха заставила бы вас очень нервничать.
Предоставлено Государственным музеем членистоногих Луизианы.
Ormia ochracea не очень приятное существо, даже по меркам мух.
Эта паразитическая муха любит оставлять своих личинок на спинах сверчков. Личинки зарываются внутрь сверчка, а затем поедают сверчка заживо.
Но люди, которые боролись с потерей слуха, вскоре могут быть благодарны по крайней мере за одну маленькую часть этой мухи — ее уши.
Ormia ochracea имеет очень специализированные уши, которые позволяют ему находить сверчков по звуку их щебетания. Ученые используют эти уши в качестве вдохновения при разработке микрофонов для нового поколения направленных слуховых аппаратов.
«Что делает его особенным, так это то, что ухо мухи такое маленькое», — говорит Нил Холл, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Техасского университета. Холл и его команда разработали прототип микрофона, вдохновленный Ormia ochracea ear, которая была опубликована во вторник в Applied Physics Letters.
У людей большие головы, говорит Холл, и эти наши большие головы помогают нам понять, откуда исходит звук.
Этот прототип микрофона, разработанный Нилом Холлом из Техасского университета, размером с ноготь. Нил Холл, Донхван Ким и Майкл Кунцман/Техасский университет в Остине скрыть заголовок
переключить заголовок
Нил Холл, Донхван Ким и Майкл Кунцман/Техасский университет в Остине
Этот прототип микрофона, разработанный Нилом Холлом из Техасского университета, размером с ноготь.
Нил Холл, Донхван Ким и Майкл Кунцман/Техасский университет в Остине
«У нас значительное расстояние между ушами, — объясняет он, — поэтому звук достигает одного уха всего на долю секунды раньше другого. .»
Но голова мухи крошечная — ее уши разделены всего миллиметром, что примерно равно толщине среднего ногтя, — поэтому звук достигает обоих ушей почти в одно и то же время.
Чтобы преодолеть ограничения своей крошечной головы, муха развила особый способ слуха: две ее барабанные перепонки соединены небольшой жесткой структурой, которая ведет себя как качели, и эти качели усиливают очень маленькие различия во время прихода звука.
«Это как два микрофона в одном, которые соединены вместе этой качелькой», — говорит Холл.
Механизм качания в ухе мухи впервые был объяснен инженером-механиком Рональдом Майлзом и нейробиологом Рональдом Хоем в 1995 году.
ученых стремились создать крошечные искусственные микрофоны, имитирующие механизм качания в ухе мухи. В течение прошлого года группы под руководством Рональда Майлза из Бингемптонского университета и Мяо Ю из Университета Мэриленда также опубликовали прототипы направленных микрофонов, вдохновленные Ормия охрацея .
Холл говорит, что в его микрофоне движение качелей определяется с помощью особого типа материала, который излучает электрический сигнал, когда меняет форму. Этот подход не так чувствителен к направлению, как некоторые другие подходы, но он может быть более простым и более энергоэффективным.
«Мы сделали большой шаг вперед в плане снижения энергопотребления и готовности технологии оказать влияние, — говорит он.
Конечно, большинство людей не заинтересованы в погоне за сверчками, чтобы накормить своих детей на ужин. Но эти микрофоны, вдохновленные мухами, могут быть применены и к ряду других человеческих начинаний — смартфонам, отслеживанию обороны — или слуховым аппаратам направленного действия.
«Жалоба номер один пользователей слуховых аппаратов заключается в том, что они не слышат в шуме», — говорит Рут Бентлер, изучающая эффективность направленных слуховых аппаратов в Университете Айовы. «Как только у вас есть какая-либо степень потери слуха и вы заходите в переполненный ресторан, становится трудно слышать речь».
Бентлер говорит, что решением для многих являются направленные слуховые аппараты, в которых используется один или несколько микрофонов для подавления шума, исходящего сбоку или сзади головы. Эти слуховые аппараты «разработаны так, чтобы быть более чувствительными к шумам, исходящим из направления «взгляда», — говорит она.
«Качающийся механизм имеет некоторые значительные конструктивные преимущества по сравнению с тем, как обычно пытаются реализовать систему направленного слуха», — говорит Холл. Использование одного качающегося механизма может снизить энергопотребление — что всегда является проблемой для слуховых аппаратов с батарейным питанием — и помочь им поддерживать калибровку с течением времени.
Но даже несмотря на то, что ученые приближаются к воспроизведению возможностей ушей Ormia ochracea , Холл говорит, что он все еще впечатлен возможностями этой маленькой мухи.
«Это эквивалентно тому, если бы вы просто стояли на земле, и вдруг земля начала трястись, потому что произошло землетрясение, и я сказал вам, что могу сказать только по своим ногам, что эпицентр землетрясения находился в Коста-Рика», — говорит Холл. «Муха делает что-то столь же замечательное в обнаружении звука, учитывая близость ее ушей».
Сообщение спонсора
Стать спонсором NPR
Слух мухи | Iowa Now
Слух мухи
Слух мухи
Исследование UI показывает, что плодовая муха является идеальной моделью для изучения потери слуха у людей. Изображение, собранное Мадхупарной Роем и Сарит Смоликов, измененное Даниэлем Эберлом.
Автор: Гэри Галлуццо | 2013.09.02 | 14:00
Если ваше посещение слишком большого количества рок-концертов ухудшило ваш слух, прислушайтесь.
Исследователи Университета Айовы говорят, что обыкновенная плодовая муха, Drosophila melanogaster, — идеальная модель для изучения потери слуха у людей, вызванной громким шумом. Причина: молекулярная основа его слуха примерно такая же, как и у людей.
В результате ученые могут решить использовать плодовую мушку, чтобы ускорить темпы исследований причин вызванной шумом потери слуха и потенциального лечения этого состояния, согласно статье, опубликованной на этой неделе в онлайн-издании Early Edition of the журнал Proceedings of the National Academy of Sciences .
«Насколько нам известно, это первый случай, когда кто-либо использовал систему насекомых в качестве модели для NIHL (потеря слуха, вызванная шумом)», — говорит Дэниел Эберл, профессор биологии UI и соавтор исследования.
Потеря слуха, вызванная громким шумом в профессиональной или рекреационной обстановке, является дорогостоящей и растущей проблемой для здоровья, поскольку молодые люди используют наушники для прослушивания громкой музыки, и особенно по мере того, как стареющее поколение бэби-бумеров выходит на пенсию.
Несмотря на эту тенденцию, «молекулярные и физиологические модели, связанные с проблемой или выздоровлением, до конца не изучены», — отмечает Эберл.
Используйте плодовую мушку как маловероятную подсказку для исследователей, чтобы узнать больше о том, как громкие звуки могут повредить человеческое ухо. Эберл и Кевин Кристи, ведущий автор статьи и исследователь в области биологии с докторской степенью, говорят, что их мотивировала перспектива найти модель, которая может приблизить день, когда медицинские исследователи смогут полностью понять факторы, связанные с потерей слуха, вызванной шумом. и как облегчить проблему. Исследование возникло в результате пилотного проекта, проведенного студентом бакалавриата UI Уэсом Смитом в лаборатории Эберла.
«Модель плодовой мушки превосходит другие модели по генетической гибкости, стоимости и простоте тестирования», — говорит Кристи.
Муха использует свою антенну как ухо, которое резонирует в ответ на песни ухаживания, создаваемые вибрацией крыльев.
Исследователи подвергли тестовую группу мух громкому звуку в 120 децибел, который находится в центре диапазона звуков плодовой мушки, которую она может слышать. Это чрезмерно стимулировало их слуховую систему, как воздействие на рок-концерте или отбойного молотка. Позже слух мух проверили, воспроизведя серию песенных импульсов с естественной громкостью и измерив физиологический ответ, вставив крошечные электроды в их усики. Было обнаружено, что плодовые мушки, получившие громкий звук, имеют нарушения слуха по сравнению с контрольной группой.
Когда неделю спустя мух снова протестировали, у тех, кто подвергался воздействию шума, восстановился нормальный уровень слуха. Кроме того, при детальном изучении строения ушей мух исследователи обнаружили, что нервные клетки мух, стрекочущих от шума, демонстрируют признаки стресса, в том числе измененную форму митохондрий, ответственных за генерацию большую часть энергообеспечения клетки. У мух с мутацией, делающей их восприимчивыми к стрессу, не только наблюдалось более серьезное снижение способности слышать и более заметные изменения в форме митохондрий, у них все еще сохранялся дефицит слуха через 7 дней, когда нормальные мухи восстановились.
Воздействие на молекулярную основу уха плодовой мушки такое же, как и у людей, что делает тесты в целом применимыми к людям, отмечают исследователи.
«Мы обнаружили, что плодовые мушки проявляют эффекты акустической травмы, подобные тем, которые обнаруживаются у позвоночных, в том числе вызывают метаболический стресс в сенсорных клетках», — говорит Эберл. «Наш отчет является первым, в котором сообщается о шумовой травме у дрозофилы, и он является основой для изучения молекулярных и генетических состояний, возникающих в результате NIHL».
«Мы надеемся в конечном итоге использовать систему, чтобы посмотреть, как меняются генетические пути в ответ на NIHL. Кроме того, мы хотели бы узнать, как модификация генетических путей может уменьшить последствия шумовой травмы», — добавляет Кристи.
Коллегами Eberl и Christie’s UI с факультета биологии являются: Елена Сиван-Лукьянова, Уэсли С. Смит (в настоящее время в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе), Бенджамин Т.