Come i pesci possono sentire in stereo

I neurobiologi stanno utilizzando un piccolo pesce per approfondire questioni fondamentali inerenti al modo in cui le cellule nervose comunicano tra loro

Quando si è sott'acqua, gli esseri umani non riescono a determinare da dove provenga un suono. Il suono viaggia circa cinque volte più velocemente che sulla terraferma. Ciò rende l'udito direzionale, o localizzazione del suono, quasi impossibile perché il cervello umano determina l'origine di un suono analizzando la differenza di tempo tra il suo arrivo a un orecchio e l'altro. Al contrario, studi comportamentali hanno dimostrato che i pesci possono localizzare fonti sonore come prede o predatori. Ma come ci riescono? I neuroscienziati della Charité – Universitätsmedizin Berlin hanno risolto l'enigma, descrivendo il meccanismo uditivo di un minuscolo pesce sulla rivista Nature (1).

Ha un nome piuttosto grandioso per una creatura così piccola: Danionella cerebrum, un pesce che misura circa 12 millimetri, quasi completamente trasparente per tutta la sua vita, nativo dei corsi d'acqua nel sud del Myanmar. La Danionella ha il cervello più piccolo tra i vertebrati conosciuti, ma mostra comunque una serie di comportamenti complessi, tra cui la comunicazione tramite suoni. Questo, e il fatto che gli scienziati possono vedere direttamente nel suo cervello (la testa e il corpo sono quasi trasparenti), lo rendono interessante per la ricerca sul cervello.

Il professor Benjamin Judkewitz (2), neurobiologo del NeuroCure Cluster of Excellence presso la Charité, e il suo team stanno usando il piccolo pesce come una finestra su questioni fondamentali come il modo in cui le cellule nervose comunicano tra loro. Il loro lavoro più recente è dedicato allo sviluppo del senso dell'udito e alla questione vecchia di decenni su come i pesci possano localizzare una fonte di suono sott'acqua. I precedenti modelli di udito direzionale dei libri di testo sono carenti quando applicati agli ambienti sottomarini.

Il mondo acustico, sopra e sotto l'acqua

Dal canto delle balene al cinguettio degli uccelli o di un predatore che insegue la sua preda, quando il suono viene emesso da una fonte, si diffonde al mezzo circostante come oscillazioni di movimento e pressione. Questo può essere persino percepito appoggiando una mano sul cono di un altoparlante. C'è la vibrazione delle particelle, l'aria adiacente si muove: questo è noto come velocità delle particelle. Anche la densità delle particelle cambia quando l'aria viene compressa. Questo può essere misurato come pressione sonora.

I vertebrati terrestri, compresi gli esseri umani, percepiscono la direzione del suono principalmente confrontando il volume e il tempo in cui la pressione sonora raggiunge le due orecchie. Un rumore suona più forte e arriva prima all'orecchio più vicino alla fonte del suono. Questa strategia non funziona sott'acqua. Il suono si diffonde molto più velocemente lì e non viene attutito dal cranio. Ciò significa che i pesci dovrebbero anche essere incapaci di udito direzionale, poiché non c'è praticamente alcuna differenza di volume e tempo di arrivo tra le loro orecchie. E tuttavia, l'udito spaziale è stato osservato in studi comportamentali di varie specie.

«Per scoprire se, e soprattutto come, un pesce può dire la direzione del suono, abbiamo costruito degli speciali altoparlanti subacquei e abbiamo riprodotto suoni brevi e forti», spiega il dottor Johannes Veith, uno dei due primi autori dello studio attuale. «Quindi abbiamo analizzato la frequenza con cui la Danionella evita l'altoparlante, il che significa che riconosce la direzione da cui proviene il suono». Per le analisi, è stata utilizzata una telecamera per filmare ogni pesce dall'alto e tracciarne la posizione esatta. Questo metodo di tracciamento in tempo reale ha portato un vantaggio cruciale: il team è stato ora in grado di concentrarsi sugli echi e sopprimerli.

I pesci sentono in modo completamente diverso

Ciò che gli umani percepiscono attraverso il timpano è la pressione sonora, non la velocità delle particelle. I pesci hanno un meccanismo uditivo completamente diverso: possono percepire anche la velocità delle particelle. Come funziona esattamente questo nella Danionella è stato rivelato dalle immagini scattate con un microscopio a scansione laser appositamente costruito che scansiona le strutture all'interno dell'orecchio del pesce in uno schema stroboscopico mentre viene riprodotto un suono.

Vicino a un altoparlante subacqueo, le particelle d'acqua si muovono avanti e indietro lungo un asse orientato verso e lontano dall'altoparlante. La velocità delle particelle si muove lungo la direzione in cui si diffonde il suono. Anche un pesce vicino all'altoparlante si muove con l'acqua, ma le piccole pietre nell'orecchio interno note come otoliti sono più lente a muoversi a causa dell'inerzia. Ciò si traduce in un piccolo movimento rilevato dalle cellule sensoriali nell'orecchio. Il problema è che questo significa che il pesce può rilevare solo l'asse lungo il quale si muove il suono, ma non la direzione da cui proviene. Questo perché il suono è una forma di oscillazione, un continuo movimento avanti e indietro.

Questo problema viene risolto analizzando la velocità delle particelle in base alla pressione sonora attuale, una delle varie ipotesi che hanno cercato di spiegare il meccanismo coinvolto nell'udito direzionale in passato. Si è rivelata l'unica teoria che si adattava ai risultati dei ricercatori: «La pressione sonora mette in movimento la vescica natatoria comprimibile, che a sua volta viene riconosciuta dalle cellule ciliate nell'orecchio interno. Attraverso questo secondo canale uditivo indiretto, la pressione sonora fornisce ai pesci il riferimento di cui hanno bisogno per l'udito direzionale. È esattamente ciò che un modello di udito spaziale degli anni '70 aveva previsto, e ora lo abbiamo confermato sperimentalmente», afferma Judkewitz. Il team è riuscito a dimostrare che l'udito direzionale può essere ingannato invertendo la pressione acustica. Quando ciò è stato fatto, il pesce ha nuotato nella direzione opposta, ovvero verso la fonte del suono.

Micro-TC dell'apparato uditivo in Danionella dimostrano che è simile all'organo sensoriale di circa due terzi dei pesci d'acqua dolce viventi, o circa il 15 percento di tutte le specie di vertebrati. Ciò suggerisce che la strategia di udito direzionale confermata ora dal team, che prevede l'analisi combinata della pressione sonora e della velocità delle particelle, potrebbe essere diffusa. I ricercatori hanno in programma di continuare il loro lavoro per determinare quali cellule nervose vengono specificamente attivate quando i suoni vengono riprodotti sott'acqua.

Riferimenti:

(1) The mechanism for directional hearing in fish

(2) Benjamin Judkewitz

Descrizione foto: Il pesce si allontana in risposta a un suono riprodotto sott'acqua, dimostrando che può capire da quale direzione proviene il suono. - Credit: Antonia Groneberg, Charité e Jonathan Anand.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: How fish can hear in stereo