BIOFÍSICA da audição

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BIOFÍSICA DA AUDIÇÃO 
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHAO - UEMA
CENTRO DE ESTUDOS SUPERIORES DE CAXIAS – CESC
CIÊNCIAS LICENCIATURA HABILITAÇÃO EM BIOLOGIA
DEPARTAMENTO DE QUIMICA E BIOLOGIA
PROFESSOR:ELMARY FRAGA
 
 
Introdução
SOM
 - É a propagação de Energia Mecânica em meio material, sob forma de movimento ondulatório, com pulso longitudinal;
 - É um fenômeno de Campo Gravitacional;
 - O som é um precioso agente de Informação e comunicação. 
 
● FÍSICA DO SOM
 - Perturbação Material: É o deslocamento da energia, onde o som se propaga como uma esfera sonora. 
 O Som é a transmissão de uma perturbação material, com pulso longitudinal, e pode ser representado por um movimento ondulatório.
● Movimento Ondulatório: 
 - Se propaga através de ondas longitudinais.
 Uma volta completa do ponto P é denominada ciclo, e apresenta uma fase positiva e outra negativa.
Fig.01.Representação gráfica do Movimento Ondulatório.Fonte:Google imagens 
● Os ciclos podem ser definidos por três parâmetros:
 1. Comprimento da Onda (λ): É a distância percorrida em um ciclo completo;
 2. Velocidade (V): É o espaço percorrido pela onda, na unidade de tempo;
V= λ/t
 3. Frequência (f): É o número de vezes que o fenômeno se repete em um intervalo de tempo, medido em ciclos por segundo, (Hertz, Hz).
 f=1/t
● Acústica
 - O som físico, emitido por uma fonte sonora, e o som percebido por instrumentos apropriados, como o ouvido, pode ser definido por três características, que são:
 (Intensidade, Altura e Timbre)
● Intensidade
 - Corresponde ao nível de energia sonora, e no movimento ondulatório, é medido pela amplitude.
Equação da relação entre 
a intensidade e a amplitude:
 I=2 
Fig.02.Amplitude do som
● Altura
 - Corresponde à frequência do som emitido. Os sons de maior frequência se dizem mais altos ou agudos; os sons de menor frequência são mais baixos ou graves.
Fig.03.Timbre ou qualidade do som
● Timbre
 - Também se denomina qualidade, e corresponde ao somatório de frequências harmônicas.
● Propagação do Som - Efeitos do Meio Transmissor 
 - O som se propaga em função das propriedades do meio transmissor;
 - A velocidade é diretamente proporcional à temperatura, e inversamente proporcional ao módulo de elasticidade do meio;
 
● O Som apresenta todas as propriedades comuns aos movimentos ondulatórios, e entre as que apresentam interesse biológico, estão:
 Reflexão do Som: Ocorre quando uma onda sonora propaga-se e encontra um obstáculo, incide sobre a barreira e retorna para o meio no qual estava se propagando;
 Interferência: É o aumento ou a diminuição da intensidade do som;
 Difração: É o contornamento de obstáculos pela onda. Uma onda de 1.000 Hz tem: 
 λ = = 0,34 m.
- Efeito Doppler: É a mudança aparente de frequência, quando existe movimento relativo entre o emissor e o receptor.
● Quantitação do Som
 - Usam-se unidades físicas (dimensionais) e unidades práticas (adimensionais).
▪ Unidades Dimensionais:
 - Pressão: Usam-se as unidades mais comuns de Força/Área, o N., N.c e dine.c
 - Potência: É a energia sonora transferida na unidade de tempo, medida em Watts (joules/segundo);
 - Intensidade: É a potência dividida pela área emissora, ou receptora, do som. É medida em W. ou W.
▪ Unidades Adimensionais:
 - O Decibel: É a intensidade relativa do som, tendo por base o limite de audição convencional, w..
Exemplo: Quantos decibéis tem um som de W.? Usando a relação: 
 dB=10log=10x7= 70 decibéis
● Audição: 
 ▪ O Aparelho Auditivo: Transforma as diferenças de pressão do som em pulso elétrico, que são enviadas ao cérebro, onde causam a sensação psicofísica da audição.
 ▪ Anatomia Funcional Resumida do Órgão da Audição: divide o aparelho auditivo em três setores
 - Ouvido Externo: É formado pelo pavilhão auricular, ou orelha;
 - Ouvido Médio: É uma cavidade limitada pelo tímpano, e pelas paredes ósseas, se comunicando com o exterior através da trompa de Eustáquio;
 - Ouvido Interno: É uma cavidade fechada, onde circula um líquido envolvendo as estruturas ai contidas, denominado perilinfa, e contém a cóclea e os canais semicirculares.
Fig.04.Anatomia Resumida do Ouvido
● Relação entre estrutura e função
 ▪ Ouvido Externo
 - Captação e Condução do Som- É feita pelo pavilhão auricular, que embora não seja capaz de refletir os sons, porque é menor que o comprimento da onda dos sons audíveis, é capaz de refratar sons, reforçando a intensidade que chega ao ouvido.
● Biofísica da Audição:
 - Grande parte das informações que o ser humano recebe são transmitidas por ondas sonoras;
 - O Sistema Auditivo dos Animais permite a captação dessas ondas e o reconhecimento do conteúdo de informação que possuem;
 - O aparelho auditivo humano está relacionado com o equilíbrio do corpo.
● Transdução da energia sonora em animais inferiores:
 - A transdução de energia sonora em elétrica já pode ser observada nos hidrozoários, mas o aparelho auditivo somente aparece nos peixes e nos artrópodes;
 - Alguns peixes possuem um órgão especializado em captar as ondas sonoras, chamados de Neuromastócitos. 
Fig.05.Sensores acústicos existentes nos cordões laterais de peixes
● Frequências sonoras audíveis e limiar de audição :
 - O ouvido humano pode detectar frequências sonoras na faixa de 16 a 17.000Hz;
 - As frequências variam com a idade e também de um individuo para o outro, por isso não é fixo;
 - A intensidade mínima necessária para que cada frequência seja escutada é chamada de Limiar de audição.
● AUDIOGRAMA
 
 - 
Fig.06.audiograma humano mostrando a intensidade mínima necessária para que cada frequência sonora seja escutada.Note-se a grande sensibilidade do ouvido para as frequências que estão em torno de 4kHz.A curva superior indica as intensidades que produzem dor.
A Figura mostra que a sensibilidade do ouvido humano varia com a frequência do som e a intensidade mínima necessária para que cada frequência sonora seja escutada;
 - É mais sensível para as frequências entre 2.000 e 5.000HZ
● O APARELHO AUDITIVO: Ouvido Externo
 - É composto por diversas partes que podem ser distinguidas anatomicamente como:
 ▪ Ouvido Externo;
 ▪ Ouvido Médio;
 ▪ Ouvido Interno;
 ▪ Nervo Acústico;
 ▪ Centros Auditivos Cerebrais.
● MEMBRANA TIMPÂNICA:
 - O tímpano tem coloração perolada e apresenta-se semitransparente, refletindo a luz do aparelho em certas áreas;
 - No adulto ele é arredondado com espessura de 0,1mm;
 - Seus diâmetros vertical e ântero-posterior
 são, respectivamente de 10 e de 19mm com
área média de 64m.
Fig.07.membrana timpânica
● Ouvido médio:
 - É formado por uma cavidade que está conectada à rinofaringe por um canal virtual chamado de trompa de Eustáquio;
● Ouvido Interno:
 - Se comunica com o ouvido médio por 
Duas janelas, ambas ocluídas por mem-
branas;
 - Enquanto os ouvidos Externos e médio
Estão preenchidos por ar atmosférico, o 
Ouvido interno está cheio de líquido.
 
Fig.08.Conexão entre Martelo, a Bigorna e o Estribo.
A escala Vestibular está separada da escala média por uma membrana elástica muito fina e 
 extensível, chamada membrana de 
 Reissner;
A escala Média distingue-se da escala
 timpânica pela membrana basilar;
A escala média se limite superiormente 
 pela Membrana Reissner e inferiormente 
 pela Membrana basilar.
Fig.09.corte transversal da cóclea mostrando as escalas e,a esse nível 
As princípais membranas envolvidas com a mecânica da audição.
● Biofísica da Audição:
 - A audição é o fenômeno pelo qual os seres vivos percebem os sons;
 - É uma das funções sensoriais mais utilizadas pelos seres vivos;
 - O som é uma vibração elástica, cuja frequência se estende entre 20 vibrações por segundo (vib/s) a 20.000 vib/s;
 - A Biofísica da Audição comporta, para estudos, duas partes:
I- Fundamentos Físicos; II- Fundamentos Biológicos.
 
●FUNDAMENTOS FÍSICOS: 
 - Tipos de vibrações: 
 Transversais, ocorrido nas cordas sonoras;
 Longitudinais, ocorrido nos tubos sonoros.
 
 - No aparelho auditivo, qualquer que seja a forma de vibração da fonte sonora que se escuta, seu funcionamento é relacionado as vibrações longitudinais;
 - A propagação sonora distingue-se entre ondas esféricas e ondas planas.
● Fenômenos Associados:
 - Os fenômenos resultantes da ação simultânea de diferentes propriedades da onda dependente do corpo vibrante e do corpo sobre o qual a mesma incide.
▪ Frequência fundamental:
 - Quando um corpo se associa um outro, as suas frequências fundamentais são alteradas, alcançando o conjunto, um som fundamental próprio.
▪ Ressonância:
 - Na presença de uma onda sonora, um corpo pode entrar em vibração, se a frequência da onda que lhe alcança corresponde a sua frequência fundamental.
▪ Interferência:
 - Quando duas ou mais vibrações se encontram, elas se associam de modos diversos, dependendo de suas fases, de suas frequências e de suas alongações, dando origem a sons compostos.
▪ Difração:
 - Este fenômeno se manifesta quando a vibração encontra um obstáculo;
 - Quando o som é de baixa frequência, sofre uma difração, desviando sua trajetória;
 - Sons de maior frequência ao encontrar obstáculos pequenos se difratam em torno dos mesmos, formando uma verdadeira auréola. 
● Qualidade dos sons
 - É possível a distinção de três qualidades de significativas importância, sobretudo, biológicas.
▪ Intensidade: É a qualidade referente a energia por unidade de área da superfície de onda ou da superfície sobre a qual o som incide.Sob o ponto de vista biológico,esta qualidade permite classificar os sons em fortes e fracos.O valor da intensidade pode ser expresso em watt/cm² ou erg/cm²/s ou ainda em bel (b).
Esta última corresponde á relação entre dois sons,dos quais,um é tomado como padrão.Por definição ,Bel é expresso por:
Onde :
i=intensidade do som que se mede 
Io=intensidade do som padrão
Vê-se que a escala bel é logaritima,o bel é uma unidade
Muito grande.Por esse motivo,foi criado um sub-multiplo,
O decibel,cuja expressão é:
dB=10log i/io
Bel =log i/io
▪ Altura: Qualidade referente à frequência do som. Em relação a esta qualidade, os sons são classificados em altos e agudos, baixos ou graves. Quanto maior for a frequência mais alto ou mais agudo será o som.
▪ Timbre: Permite ao ouvido humano a sensação diferencial de sons da mesma altura e mesma intensidade. A causa física desta qualidade é a forma da onda.
● Fontes de vibrações
 - Todo ponto material que é alcançado por uma vibração passa a vibrar, funcionando como se fosse uma nova fonte.
▪ Modos de vibrações dos sistemas:
 - Reatância elástica: Ocorre quando a frequência é baixa, portanto, k/w é grande.
 - Reatância de ressonância: Aparece quando a frequência sobe, ou tem valores médios, onde wp=k/w.
 - Reatância de massa: Quando a frequência se eleva além dos valores médios, Wp torna-se maior que K/w.
● Fenômenos Biológicos:
▪ Anatomia do aparelho auditivo:
 - Ouvido externo: Está constituído pelo pavilhão da orelha e pelo conduto auditivo externo. 
▪ Conduto auditivo externo:
 - É um canal com certa de 2,7cm de comprimento, apresentando do lado externo uma abertura denominada meato, com 0,3 a 0,5 cm² de área e, no extremo oposto, está fechado pela membrana do tímpano, com uma área de 0,52 a 0,90 cm².
● O OUVIDO EXTERNO
 -O ouvido externo está constituído pelo pavilhão da orelha e pelo conduto auditivo externo.
 -O pavilhão auricular tem, em linhas gerais, uma forma de funil. Sua superfície não é lisa, porém percorrida por saliências e reentrâncias.
Fig.11.atividades físicas do ouvido externo
A MEMBRANA TIMPÂNICA
É uma lâmina fibrosa com 0,52 a 0,90 cm² de área e cerca de 0,1 milímetro de espessura.
Está constituída de três camadas: a externa que é o tímpano revestimento epidérmico; a interna, mucosa que reveste a caixa do tímpano e,finalmente,a média que é a membrana timpânica propriamente dita.
A membrana timpânica não é plana, mas ligeiramente convexa para dentro da caixa do tímpano, lembrando, assim, um pequeno alto-falante, ligeiramente excêntrico.
Fig. 11.Representação esquemática do aparelho auditivo
Um dos problemas fundamentais do aparelho auditivo é transmitir as ondas sonoras do ar para o líquido do ouvido interno, permitindo assim que se processe a transdução de energia mecânica em elétrica;
Dessa forma, a primeira tarefa do ouvido é permitir que a energia da onda sonora chegue até a cóclea com um mínimo de perda.
Grande parte da energia da onda sonora é transferida ao tímpano, promovendo a sua vibração.
A membrana timpânica vibra como um corpo quase rígido, quando recebe sons de baixa frequência.
OUVIDO MÉDIO OU CAIXA DO TIMPANO
É uma pequena caixa cheia de ar na qual se comunica com o exterior, para equilíbrio de pressão, através da trompa de Eustáquio, que se abre no naso- faringe;
Em seu interior encontra-se a cadeia de ossículos, formada pelo martelo, bigorna e estribo.
O martelo pesa 23mg.Seu comprimento total é de 5,8mm,enquanto o cabo tem 3mm.
A bigorna lembra em seu aspecto, um dente molar, ela se articula com o martelo. Ela pesa 25 a 29 mg, medindo 7mm de comprimento e 5mm de largura;
O estribo está formado de uma pequena cabeça, chamada capítulo e um arco em U. Tem massa de 2,5 mg, altura de 4mm e largura de 1,4 mm.
fig.12.membrana do tímpano
 O Sistema articulado tem função protetora: Ele age como verdadeiro amortecedor diante de compressões bruscas e de grande energia: 
 
 nas explosões, nos ruídos intensos, nas pancadas sobre o ouvido e etc.
Na caixa do tímpano, há ainda, a por em evidência na parede labiríntica, a existência de duas aberturas : a janela oval e a janela redonda.
As compressões e descompressões produzidas nos líquidos da cóclea pelos movimentos do estribo são transmitidos pelo principio de Pascal a toda cóclea.
A caixa do tímpano pelo seu ântero- inferior se comunica com a faringe 
 pela trompa de Eustáquio. 
 
Esta comunicação tem como finalidade permitir o equilíbrio de pressão entre o ar da caixa timpânica e o ar atmosférico.
 
Ainda a caixa do tímpano por seu ângulo pôsterior-inferior se comunica com as cavidades da apófise mastoide cujas funções não são conhecidas
O ouvido médio serve para realizar duas tarefas:
É fazer com que a pressão do lado interno da membrana timpânica seja igual à pressão do lado externo;
b) É a de promover um ganho mecânico, a fim de que a energia da onda sonora seja suficiente para promover a vibração das linfas e membranas do ouvido interno.
 O ouvido médio consegue realizar o casamento de impedâncias entre os ouvidos externo e interno, graças a amplificação (G=1,3) da força recebida pelo martelo, mas também por causa da diferença entre as áreas da membrana timpânica(Sm) e da janela oval(So). 
A área vibrátil do tímpano é 13 a 16 vezes maior do que a área da janela oval, que é de 3,2mm².Como a força chega na janela oval 1,3 vez mais intensa do que aquela que é aplicada sobre a membrana timpânica então o ganho total de pressão (GT) sobre a janela oval será igual ao ganho mecânico promovido pela cadeia de ossículos multiplicado pela relação entre as áreas das duas membranas. Assim:
Gt=G 
Ou substituindo :
Gt=1,3x13=16,9
Gt=1,3x16=20,8
Os cálculos mostram que a pressão exercida sobre a janela oval é de 17 a 21 vezes mais intensa do que aquela que o som aplica sobre a membrana timpânica. Esse ganho de pressão é fundamental para que a onda sonora possa passar do meio aéreo para o meio líquido.
Transformação da Energia Sonora em Deslocamento Mecânico- O tímpano vibra sob o impacto da pressão sonora em amplitude proporcional à intensidade do som. Usando-se a fórmula descrita na relação entre amplitude e intensidade pode-se calcular que:
Amplitude do deslocamento do tímpanopara a intensidade mínima audível(10 ̄ ¹² W.m̄ ²)
A =1,1x10 ̄¹¹m
Ou seja, é apenas1/10 do diâmetro de um átomo de hidrogênio! com esse deslocamento começamos a ouvir os sons.
2. Amplitude do deslocamento do tímpano para a intensidade máxima de audição(1W.m ̄ ²)
A=1,1x10-5 m,ou apenas 1/100 do milímetro. Acima desse deslocamento começa a sensação dolorosa.
3.Amplificação da Força Mecânica-Esses deslocamentos entre 10 ̄ ¹¹ a 10̄ 5 do metro(10-8 a 10²mm),são ainda diminuídos, para aumentar a força do deslocamento ,através de um sistema de alavancas interfixa.
.
Fig.12.Mecanismo de amplificação de força no ouvido médio
.A-sistema de ossículos;B-alavanca equivalente
A
B
4.Controle da ampliação: Quando a intensidade
Sonora é muito grande, o mecanismo de amplifi-
cação é atenuado através da contração reflexa dos
Músculos estapédio e tensor do tímpano.
 
Afasta os estribo da bigorna
Afasta o martelo da bigorna
OUVIDO INTERNO
A cóclea, também chamada de ouvido interno, é constituída por um conjunto de túneis cheios de linfa, encravados no osso temporal.
A cóclea tem cerca de 3 cm de comprimento e está disposta em forma de espiral que se dobra em torno de um pilar central chamado modíolo.
Fig.A:vista da cóclea inserida no osso temporal;B:detalhes anatômicos do ouvido interno mostrando a janela oval,a cóclea
Dobrada em torno do modíolo e os canais semicirculares.
A
B
O canal coclear está dividido em três outros canais por intermédio de duas lâminas que lhe percorrem da base ao ápice.São elas:
A membrana bacilar;
A membrana de Reissner.
RAMPA MÉDIA
Orgão de corti
MEMBRANA DE REISSNER
Fig.14.corte esquemático do canal coclear
Transformação do movimento mecânico em hidráulico e hidráulico em pulso elétrico- A Cóclea e suas funções .
A cóclea tem 21/2 voltas e está representada ao lado,como um cone de 35mm de comprimento. Ela é separada em dois compartimentos principais, a rampa vestibular(acima)e a rampa timpânica(abaixo)pela membrana basiliar.
Fig.15.A cóclea-A.desenrolada,visão lateral;B.Secção transversal
Um fator biofísico importante nesse mecanismo é a diferença de potencial entre o orgão de corti e a endolinfa. A endolinfa, por sua alta concentração de k⁺ tem potencial de +80mV,que com o potencial de -70 mV do interior das células de corti, fazem um gradiente de 150mV,o que torna essas células extremamente sensíveis, excitáveis até pelo simples movimento dos cílios das células. 
b) A análise da Intensidade do som recebido
Como se percebe a diferença entre sons mais intensos, e sons menos intensos?
O mecanismo biológico repete a a detecção da intensidade sonora pelos registradores físicos:
O deslocamento da membrana basilar e do orgão de corti têm amplitude proporcional á intensidade do som. 
Fig.16.Percepção da intensidade sonora
Fig.17esquema dos movimentos das estruturas do ouvido durante a chegada de uma onda sonora.Os movimentos da membrana timpânica são transmitidos á janela oval(O)pela cadeia de ossículos.daí as ondas passam para a escala vestibular, fazendo vibrar a membrana basiliar. Isso é possível graças a extensibilidade e á elasticidade da janela redonda(R). 
.Detalhe dos movimentos das membranas tectorial (MT) e basiliar (MB).Note-se que esses movimentos têm direções perpendiculares. 
MEMBRANA AUDITIVA
Denomina-se o conjunto da membrana basiliar, o órgão de corti e a membrana tectórica. No conjunto, ela representa o piso do canal coclear.
ORGÃO DE CORTI
Membrana basilar-É a parede divisória entre a rampa timpânica e a rampa coclear.Ela é fibrosa,representando assim,o elemento forte da membrana auditiva
Fig.18.membrana acústica
Órgão de Corti-formado por células nervosas ,especiais que representam transdutores de energia, pois mantém continuidade com os filetes do nervo auditivo
Membrana Tectória -é uma formação queratinica com aspecto gelatinoso, onde se encontram numerosas fibras de igual tamanho. Ela é elástica e se apoia delicadamente sobre o epitélio ciliar do orgão do corti.
As células ciliadas externas são contráteis. A descoberta dessa propriedade foi fundamental para que fossem ampliados os conhecimentos sobre as características sensitivas e seletivas do ouvido interno.
Essas células se comportam como um transdutor de dupla ação;
A habilidade em transformar os estímulos provenientes dos nervos eferentes em movimento da membrana tectorial faz dessas células um elemento importante para promover a excitação das verdadeiras células auditivas sensoriais que são as células ciliadas internas. 
TIPOS DE SURDEZ
Em geral a surdez pode ser classificada em três tipos:
 Surdez de condução;
 Surdez de sensorineural;
 Surdez central.
Surdez de condução
A surdez de condução ocorre quando há impedimento para livre transmissão dos sons através dos ouvidos externo e médio.
Ela pode ser diagnosticada testando-se a sensibilidade auditiva do paciente para sons que seguem o trajeto normal e sons conduzidos por via óssea 
Principais causas dessa patologia:
Acúmulo de cera no meato auditivo externo
Coleções purulentas no ouvido médio
Fixação dos ossículos à parede do ouvido médio.
Surdez sensorineural
Se deve ao aumento do limiar de excitabilidade para produzir os potenciais de ação que se propagam nos nervos acústicos. 
Esse tipo de surdez ocorre quando o indivíduo é exposto a sons de elevada intensidade durante um tempo longo.
Surdez central
Esse tipo de surdez ocorre quando há lesão das vias nervosas centrais ou do córtex cerebral encarregado da audição.
Testes para distinguir a surdez de condução da surdez sensorineural
Teste de Weber:
Quando um diapasão vibrante é colocado no plano sagital em contato com a testa, o paciente normalmente ou o som de modo igual em ambos os ouvidos.
A oclusão proposital de um dos meatos auditivos externos provoca uma sensação de ampliação do som escutado por esse ouvido.
Teste de Rinne:
A audição normal é mais sensível quando o som chega à cóclea por via aérea, propagando-se através do meato auditivo externo.
 Assim, colocando-se um diapasão em vibração sobre a apófise mastóidea do temporal, o paciente com ouvido normal ouve o som diminuir à medida que a energia do diapasão se dissipa.
Vias e centros nervosos da audição
Área corticais envolvidas com a audição
OBRIGADA!!