Kunnen jullie me goed horen? 
Publiek: Ja. 
Jim Hudspeth: Als jullie dat kunnen is dat wonderbaarlijk, want mijn stem verandert de luchtdruk waar jullie zitten met slechts een paar miljardsten van het atmosferische niveau. Toch vinden we het vanzelfsprekend dat onze oren dat oneindig kleine signaal kunnen opvangen en zo het volledige bereik aan auditieve ervaringen aan de hersenen door te geven: de menselijke stem, muziek, de natuur. Hoe doen je oren dat? Het antwoord daarop is: via de cellen die de echte helden van deze presentatie zijn -- de zintuiglijke receptoren van het oor, die 'haarcellen' worden genoemd. 
Deze benaming van haarcellen is wat ongelukkig, omdat ze niets te maken hebben met het soort haren waar ik er steeds minder van heb. Deze cellen zijn zo genoemd door vroege microscopisten, die opmerkten dat er uit één kant van de cel een klein groepje borstels kwam. Met moderne elektronenmicroscopie kunnen we veel beter zien hoe het kenmerk dat de haarcel haar naam geeft er echt uitziet. Dat is de haarbundel. Het is dit cluster van 20 tot enkele honderden dunne cilindrische staven die rechtop staan op het bovenste uiteinde van de cel. Dit apparaat is er verantwoordelijk voor dat je me op dit moment kan verstaan. 
Ik moet zeggen dat ik een beetje verliefd ben op deze cellen. Ik breng al 45 jaar in hun gezelschap door -- 
(Gelach) 
dat is gedeeltelijk omdat ze erg mooi zijn. Er zit een esthetisch aspect aan. Dit zijn bijvoorbeeld de cellen waardoor een gewone kip kan horen. Dit zijn de cellen die een vleermuis gebruikt voor zijn sonar. Deze grote haarcellen van een kikker gebruiken we voor veel experimenten. Haarcellen worden gevonden in zelfs de meest primitieve vissen en die van reptielen hebben vaak dit prachtige, bijna kristallijne uiterlijk. 
Maar naast haar schoonheid is de haarbundel een antenne. Het is een machine die geluidstrillingen omzet naar elektrische responsen die de hersenen kunnen interpreteren. Bovenop elke haarbundel, zoals je op dit plaatje kan zien, zit een dunne vezel die elk van de kleine haartjes verbindt: de trilhaartjes. Ze is hier gemarkeerd met een kleine rode driehoek. En deze vezel heeft een paar ionkanalen in haar basis. Dit zijn proteïnen die om het membraan heen zitten. 
Zo werkt het. Deze rattenval stelt een ionkanaal voor. Hij heeft een porie waar kaliumionen en calciumionen door kunnen. Hij heeft een kleine moleculaire poort die open kan zijn of dicht kan zijn. Zijn toestand is vastgesteld door dit elastiek dat de proteïnevezel representeert. Stel je eens voor dat deze arm een trilhaar voorstelt en deze arm de kortere trilhaar daarnaast, met het elastiek ertussenin. Als geluidsenergie tegen de haarbundel komt, duwt het deze in de richting van de langste zijde. Het verschuiven van de trilhaartjes zet druk op de verbinding totdat de kanalen openen en ionen de cel binnenstromen. Wanneer de haarbundel de andere kant op wordt geduwd, sluiten de kanalen. Het belangrijkste is de heen-en-weer-beweging van de haarbundel, die ontstaat door de akoestische golven, die het kanaal afwisselend opent en sluit en elke opening laat miljoenen ionen toe in de cel. Deze ionen vormen een elektrische stroom die de cel exciteert. De excitatie wordt doorgestuurd naar een zenuwvezel en dan naar de hersenen doorgegeven. De intensiteit van het geluid wordt weergegeven door de grootte van deze respons. Een harder geluid duwt de haarbundel verder, opent het kanaal langer, laat meer ionen binnen en zorgt voor een sterkere respons. 
Het voordeel van deze manier van werken is grote snelheid. Sommige zintuigen, zoals zicht, gebruiken chemische reacties die tijd kosten. Als gevolg daarvan, als ik je een aantal plaatjes laat zien met tussenpozen van 20 of 30 per seconde, lijkt het alsof je een plaatje ziet. Omdat ze geen reacties gebruikt is de haarcel 1.000 keer sneller dan onze andere zintuigen. We kunnen geluiden horen van frequenties tot 20.000 cycli per seconde en sommige dieren hebben nog snellere oren. De oren van vleermuizen en walvissen kunnen reageren op sonarpulsen van 150.000 cycli per seconde. 
Deze snelheid verklaart niet helemaal waarom het oor zo goed functioneert. Het blijkt dat ons gehoor profiteert van een versterker, iets dat het 'actieve proces' genoemd wordt. Het actieve proces verbetert ons gehoor en maakt alle opmerkelijke kenmerken die ik al noemde mogelijk. 
Ik zal je vertellen hoe het werkt. Ten eerste versterkt het actieve proces geluid, zodat de ondergrens van wat je kan horen geluiden zijn die de haarbundel zo'n drie tiende van een nanometer bewegen. Dat is de diameter van een watermolecuul. Het is echt verbazingwekkend. Dit systeem kan ook werken met een enorm breed dynamisch bereik. Waarom hebben we deze versterking nodig? De versterking was in vroegere tijden nuttig omdat het belangrijk was dat wij de tijger hoorden voordat de tijger ons hoorde. En tegenwoordig is het essentieel als waarschuwingssysteem op afstand. Het is belangrijk om brandalarmen te horen of hedendaagse gevaren zoals snel rijdende brandweer- of politiewagens en dergelijke. Als de versterking faalt, daalt de gevoeligheid van ons gehoor sterk en dan kan een individu een elektronisch hoorhulpmiddel nodig hebben om de biologische te vervangen. 
Dit actieve proces verbetert ook onze selectiviteit voor frequenties. Zelfs een ongeschoold individu kan twee tonen onderscheiden die met slechts twee tiende van een procent verschillen, dat is een dertigste van het verschil tussen twee pianotoetsen, en een geschoolde musicus kan dat zelfs nog beter. Dit onderscheidingsvermogen is nuttig bij ons vermogen om stemmen te onderscheiden en om nuances in spraak te begrijpen. Nogmaals, als het actieve proces verslechtert, wordt het moeilijker om verbaal te communiceren. 
Tot slot is het actieve proces van belang in het vaststellen van het brede bereik van geluidssterkten die onze oren kunnen tolereren: van het allerzwakste geluid dat je kan horen, zoals een pen die valt, tot het luidste geluid dat je kan verdragen -- zoals een drilboor of een straaljager. Geluiden kunnen in sterkte verschillen  van één op een miljoen, veel meer dan de andere  zintuigen aankunnen, en meer dan elk kunstmatig apparaat, voor zover ik weet. En nogmaals, als dit systeem verslechtert kan een getroffen individu veel moeite hebben met het horen van de zachtste geluiden of met het tolereren van de hardste geluiden. 
Om te begrijpen hoe de haarcel werkt moet men weten waar ze zich bevindt in het oor. Op school leren we dat het gehoororgaan het opgerolde slakkenhuis is. Het is een orgaan ter grootte van een kikkererwt. Het zit ingesloten in het bot aan beide kanten van de schedel. We leren ook dat een optische prisma wit licht kan splitsen in zijn aparte frequenties, die wij zien als aparte kleuren. Op een soortgelijke manier werkt het slakkenhuis als een soort akoestisch prisma, dat complexe geluiden opsplitst in hun aparte frequenties. Dus als een piano bespeeld wordt, vormen verschillende noten samen een akkoord. 
Het slakkenhuis draait dat proces terug. Het scheidt de noten en geeft ze elk op een andere locatie weer. Op dit plaatje kan je zien dat drie noten -- de centrale C en de twee uiterste noten op een piano -- worden vertegenwoordigd in het slakkenhuis. De laagste frequenties zitten helemaal bovenin het slakkenhuis. De hoogste frequenties, tot 20.000 Hz, zitten helemaal onderin het slakkenhuis en elke andere frequentie zit er ergens tussenin. Zoals dit schema laat zien worden opeenvolgende muzikale tonen met tientallen haren ertussen vertegenwoordigd langs het oppervlak van het slakkenhuis. 
Deze scheiding van frequenties is heel belangrijk bij ons vermogen om verschillende geluiden te identificeren, omdat elk muzikaal instrument, elke stem, een constellatie van tonen uitzendt. Het slakkenhuis scheidt deze frequenties en de 16.000 haarcellen melden dan aan de hersenen hoeveel er van elke frequentie is. De hersenen vergelijken dan alle zenuwsignalen en beslissen welke toon gehoord wordt. 
Dit verklaart nog niet alles wat ik wil uitleggen. Waar is de magie? Ik vertelde jullie al over de geweldige dingen die de haarcel kan doen. Hoe voert ze dat actieve proces uit en al die opmerkelijke kenmerken die ik in het begin noemde? Het antwoord is instabiliteit. We dachten eerst dat de haarbundel een passief voorwerp was, dat hij daar gewoon stilzat, behalve als hij gestimuleerd werd. Maar hij is eigenlijk een actieve machine. Hij gebruikt constant interne energie om mechanisch werk te verrichten en ons gehoor te verbeteren. Zelfs in rusttoestand, zonder enige input, is een haarbundel continu aan het trillen. Hij is steeds heen en weer aan het schokken. Maar zelfs als er een zwak geluid binnenkomt, pakt hij dat geluid vast en begint hij netjes te bewegen, een-op-een met het geluid, en versterkt op die manier het signaal zo'n 1000 keer. 
Dezelfde instabiliteit verbetert ook onze frequentieselectiviteit, want een haarcel neigt ernaar om het beste te trillen op de frequentie waarop hij normaal gesproken trilt wanneer hij niet gestimuleerd wordt. Dit apparaat geeft ons niet alleen een opmerkelijk scherp gehoor, maar geeft ons ook een scherpe afstemming. 
Ik wil jullie een korte demonstratie geven van iets dat hieraan gerelateerd is. Ik vraag de mensen verantwoordelijk voor het geluidsysteem om de gevoeligheid daarvan op een bepaalde frequentie te verhogen. Net zoals een haarcel is afgestemd op een frequentie, zal de versterker nu een bepaalde frequentie in mijn stem versterken. Let op hoe bepaalde tonen meer vanuit de achtergrond naar voren komen. Dit is precies wat haarcellen doen. Elke haarcel versterkt een bepaalde frequentie en geeft die door en negeert alle andere. De hele set van haarcellen, als een groep, geeft dan aan de hersenen door welke frequenties precies in een bepaald geluid aanwezig zijn en de hersenen kunnen vaststellen welke melodie gehoord wordt of welke spraak bedoeld wordt. 
Een versterker zoals een geluidsinstallatie kan ook problemen veroorzaken. Als de versterking te hard staat, wordt het instabiel en begint het rond te zingen of geluiden te maken. Men vraagt zich af waarom het actieve proces niet hetzelfde doet. Waarom stralen onze oren geen geluiden uit? Het antwoord is dat ze dat wel doen. In een geschikte stille omgeving komen bij 70 procent van normale mensen een of meer geluiden uit hun oren. 
(Gelach) 
Ik zal hier een voorbeeld van geven. Jullie horen twee geluiden van hoge frequenties die uit een normaal menselijk oor komen. Je kan misschien ook achtergrondgeluid onderscheiden, zoals het sissen van de microfoon, rommelen van een maag, de hartslag, het ritselen van kleding. 
(Gebrom, gesis van microfoon, gedempte tikken, ritselen van kleren) 
Dit is normaal. De meeste oren stralen een handvol tonen uit, maar sommigen stralen er wel 30 uit. Elk oor is uniek, dus mijn linkeroor verschilt van mijn rechteroor. Mijn oor is anders dan jouw oor. Tenzij een oor beschadigd is, blijft het hetzelfde spectrum aan frequenties uitstralen gedurende een periode van jaren of zelfs decennia. 
Dus wat is er aan de hand? Het blijkt dat het oor zijn eigen gevoeligheid kan controleren, zijn eigen versterking. Als je in een luidruchtige omgeving bent, zoals een sportevenement of een muziekconcert, heb je geen versterking nodig en staat het systeem op zijn zachtst. Als je in een ruimte bent zoals deze zaal, heb je misschien een beetje versterking, maar natuurlijk doet de geluidsinstallatie het meeste werk voor je. En als je een heel stille ruimte ingaat, waar je een speld kan horen vallen, staat het systeem bijna op z'n hardst. Maar als je een ultrastille kamer binnengaat, zoals een geluidskamer, zet het systeem zichzelf op 11, wordt het instabiel en begint het geluid uit te stralen. En deze geluiden vormen een zeer sterke demonstratie van hoe actief een haarcel kan zijn. 
In de laatste minuut wil ik een andere vraag behandelen, namelijk: waar gaan we nu naartoe? Ik zou zeggen dat er drie kwesties zijn die ik in de toekomst zou willen behandelen. 
De eerste is: wat is de moleculaire motor die verantwoordelijk is voor de versterking van de haarcel? De natuur is op de een of andere manier op een systeem gestuit dat met 20.000 cycli per seconde kan trillen of versterken, of zelfs meer. Dat is veel sneller dan elke andere biologische trilling en we willen graag begrijpen waar het vandaan komt. 
De tweede kwestie is hoe de versterking van de haarcel wordt aangepast om met de akoestische omstandigheden om te gaan. Wie draait aan de knop om de versterking hoger of lager te zetten in een zachte of luide omgeving? 
En de derde kwestie is er een die ons allemaal aangaat, namelijk wat we kunnen doen tegen de achteruitgang van ons gehoor. Dertig miljoen Amerikanen en meer dan 400 miljoen mensen over de hele wereld hebben dagelijks aanzienlijke problemen met het begrijpen van spraak  in een luidruchtige omgeving of via de telefoon. Velen hebben zelfs ernstigere stoornissen. Bovendien worden deze stoornissen vaak erger met de tijd, want wanneer menselijke haarcellen sterven worden ze niet vervangen door celdeling. Maar we weten dat niet-zoogdieren hun cellen kunnen vervangen en dat hun cellen gedurende hun leven afsterven en worden vervangen, waardoor ze een normaal gehoor houden. Dit is een voorbeeld van een kleine zebravis. De cel bovenin zal gesplitst worden om twee nieuwe haarcellen te maken. Ze dansen eventjes en komen dan tot rust en gaan aan de slag. 
We geloven dat als we de moleculaire signalen kunnen ontcijferen die door deze andere dieren gebruikt worden om haarcellen te regeneren, we hetzelfde bij mensen kunnen doen. En onze groep en vele andere groepen zijn bezig met onderzoek om deze geweldige haarcellen proberen te doen herrijzen. 
Dank je voor je aandacht. 
(Applaus) 
