Biofluidos

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Universidad Nacional Autónoma de México 
 
Facultad de Ciencias 
 
Oído y audición 
 
Flores Hernandez Hector Andres 
 
Resumen – ​Con el propósito de mostrar alguna aplicación a los temas vistos en clase en el presente trabajo se aborda el estudio del                                               
órgano auditivo como un ejemplo, de los tantos en el cuerpo humano, que depende de la presencia de un(os) fluido(s) para su                                           
funcionamiento y frecuencias de onda que el oído escucha,. El sentido de la audición proporciona la capacidad de escuchar al                                       
transformar los estímulos sonoros recibidos por el sistema auditivo periférico en una serie de señales enviadas a lo largo de las fibras                                           
del nervio auditivo. El oído se divide en tres secciones, las estructuras externa y media son responsable de entregar la energía sonora,                                           
proveniente del medio ambiente, al oído interno donde, en forma de onda viajera recorre la endolinfa y la perilinfa estimulando la                                         
membrana basilar y permitiendo su descomposición en los diferentes tonos que la conforman para convertirlos en señales nerviosas                                   
que son enviadas al cerebro. 
 
1. Introducción 
 
En el cuerpo humano todos los órganos tienen una función específica; los órganos de los sentidos juegan un papel fundamental en el                                           
intercambio de información del individuo con su entorno. El oído es un órgano que no solo tiene la función de la audición, sino que                                               
también influye en el equilibrio. 
 
El oído se divide en tres partes: el oído externo, el medio y el interno, en cada una de estas partes se realizan procesos                                               
psico­fisiológicos que hacen posible la audición. Normalmente cuando nosotros escuchamos un sonido, esto es resultado de una                                 
perturbación física que es transmitida a través del canal de audición externo hacia el oído interno, en este proceso se van dando                                           
cambios en distintos parámetros físicos, como la presión la cual es fundamental para que sea posible escuchar.  
Pero la presión no es la única que influye en la mecánica de la audición, dentro del oído existen órganos especializados, los                                           
cuales hacen posible que las ondas sonoras se transforman en impulsos nerviosos  y pueden ser interpretados por el cerebro.  
  
   
2. Estructura del oído:   
 
Los receptores de la audición y el equilibrio, están alojados en el oído. El oído externo, el oído medio y el oído interno se ocupan de                                                   
la audición mientras que los conductos semicirculares, el utrículo y el sáculo del oído interno intervienen en el equilibrio. Los                                       
receptores para la audición y el equilibrio son las células ciliadas, de las cuales hay seis grupos en cada oído interno: uno en cada uno                                                 
de los tres conductos semicirculares, otro en el utrículo, uno más                     
en el sáculo y otro en la cóclea. 
El oído se encuentra dividido en tres secciones: el oído externo, el                       
oído medio y el oído interno. La oreja corresponde al oído externo                       
y es el único elemento del órgano auditivo que se encuentra                     
expuesto, mientras que el oído medio y el interno están enterrados                     
en el hueso temporal a ambos lados del cráneo.  La función   
principal del oído externo y del medio es conducir el sonido al                       
oído interno, y de éste  a la conversión del sonido en           
impulsos eléctricos que puedan ser interpretados por el cerebro. 
 
Los componentes de cada sección del órgano auditivo son: 
 
Oído externo: oreja y canal auditivo, el cual termina en la                     
membrana timpánica o tímpano. 
 
 
 
Fenómenos colectivos                  Semestre 2016­1 
 
Oído Medio: tubo de Eustaquio y tres huesecillos: martillo, yunque y estribo; el primero atado a la superficie interna del tímpano y el                                             
último a la ventana oval (apertura del oído interno).  
 
Oído interno: ​canales semicirculares y cochlea. 
 
 
3. Sensibilidad del Oído 
 
Algunos experimentos muestran que que la amplitud de la onda de sonido que podemos detectar bajo las condiciones óptimas para una                                         
persona con audición normal es de 20μPa, en comparación con la presión atmosférica es de 100 kPa, por lo tanto una perturbación de                                             
2x10​­10 ​Pa de cambio en la presión atmosférica son detectables por el oído.   
Es conveniente describir la sensibilidad del oído en términos del umbral, que corresponde a la amplitud de la presión de las ondas de                                             
sonido que podemos oír. 
Los oídos son sensibles a los cambios de presión. Un estímulo sonoro puede ser determinado por mediciones físicas de las ondas del                                           
sonido en la entrada del conducto auditivo externo. El sonido es medido en decibeles (dB SPL) donde SPL representa el nivel de la                                             
presión del sonido. 
Un valor de 0 dB no significa la ausencia de un sonido, sino un nivel de sonido de una intensidad igual a la del estándar. El intervalo                                                     
de 0 a 140 dB desde la presión umbral hasta una presión que puede ser nociva para el órgano de Corti, en realidad representa una                                                 
variación de 10 millones  cambios en la presión del sonido.  
 
El umbral del estímulo sonoro depende de la frecuencia del mismo, por debajo de aproximadamente 20 Hz el sonido tiene que ser tan                                             
intenso que se puede decir que no hay frecuencia por debajo que se pueda escuchar.  
El rango en el cual nosotros escuchamos es, de 20Hz a 20KHz, pero esto puede ser diferente dependiendo de los individuos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fenómenos colectivos                  Semestre 2016­1 
 
4. La audición o el proceso de audición 
 
La audición constituye los procesos psico­fisiológicos que proporcionan al ser humano la capacidad de oír, los fisiológicos derivados                                   
de la estimulación de los órganos; y los psicológicos derivados del acto consciente de escuchar un sonido. 
 
Oído externo:  
Capta ondas y las conduce al interior oído. En otras especies animales tiene movilidad permitiendo ubicar la fuente del                                     
sonido, en los humanos es fijo. 
 
Oído medio​:  
En el oído medio se encuentran el martillo, el yunque y el estribo, los cuales se encuentran unidos por cartílago, éstos a su                                             
vez conectan el oído externo y  el oído interno.  
 
 
El oído medio actúa como un dispositivo que coincide                 
con la impedancia acústica, un medio a través del cual                   
el sonido de desplaza, además de que amplifica               
mecánicamente los sonidos. Cuando las ondas del             
sonido producen vibraciones en el tímpano, las             
vibraciones son transmitidas a través de la ventana               
oval, que a su vez provoca variaciones de presión en el                     
líquido del oído interno (transmite la onda sonora del                 
medio aéreo al fluido del oído interno) ,evitando así la                   
pérdida de energía del sonido por reflexión en la                 
interfaz. La razón por la cual la relación detransformación es dependiente de la frecuencia, es             
compleja, se cree que se podría deber a los siguientes                   
factores: A bajas frecuencias el acoplamiento entre el               
martillo y el yunque, y entre el yunque y el estribo se                       
vuelve imperfecta, así a bajas frecuencias hay una               
ganancia de presión, que caería hacia el valor de 0 dB.                     
Sin embargo a altas frecuencias la masa inercial de la cadena de huesecillos cambia significativamente, y los huesitos no pueden                                       
seguir los cambios tan rápidos de la presión del sonido con fidelidad (en este punto la presión de la cochlea y la del tímpano, se ven                                                   
reducidas). 
 
El oído medio contiene aire húmedo: es la comunicación con la nasofaringe a través del tubo de Eustaquio, éste suele estar cerrado,                                           
pero durante la deglución,la masticación y los bostezos, se abre para conservar la presión en ambos lados del tímpano, para que estén                                           
igualados a la presión atmosférica. También aísla al oído interno de las perturbaciones producidas por el movimiento de la cabeza,                                       
masticar y la voz propia del individuo. 
 
Oído interno:   
 
En el oído interno es donde se da la transformación final de las ondas sonoras de energía mecánica a eléctrica­nerviosa, permitiendo                                         
que sean interpretadas por el cerebro. El órgano auditivo como tal es la cóclea, un tubo relleno de fluido que forma parte del laberinto                                               
óseo y que presenta una forma espiral de vueltas y 4mm​2 en su sección mayor área transversal; la forma enroscada de la cóclea                24
3                                
busca el ahorro de espacio pues esta estructura extendida alcanza los 34­35mm de longitud. 
 
El conducto coclear o tubo coclear se encuentra cerrado en uno de sus extremos (cóclea apical) y abierto al otro (cóclea basal), en                                             
donde alcanza su mayor área transversal que se compone por dos membranas flexibles: la ventana oval y la ventana redonda. La                                         
ventana redonda tiene es el medio de liberación de presión en caso de que las ondas sonoras tengan un contenido energético elevado,                                           
mientras que la ventana oval es la interfaz entre el estribo y el fluido al interior de la cóclea.  
 
 
 
Fenómenos colectivos                  Semestre 2016­1 
 
La cóclea tiene su función principal en la membrana basilar, ésta es una membrana acelular compuesta por fibras de colágeno                                       
radialmente orientadas que provee el soporte para las células sensoriales del oído interno además de que divide el conducto coclear en                                         
dos compartimentos: el superior y el inferior, denominados respectivamente rampa vestibular y rampa timpánica que se conectan                                 
independientemente al ápex coclear en el helicotrema. Adicionalmente a estos dos compartimentos, el tubo coclear contiene un tercero                                   
denominado rampa media ( sub­compartimiento de la rampa vestibular) y proporciona un ambiente especial para el órgano de Corti                                     
que contiene las células sensoriales de la cóclea. 
 
Las vibraciones sonoras viajan desde la ventana oval al interior de la rampa vestibular y la timpánica donde son considerablemente                                       
amortiguadas por la viscosidad del fluido.  
Los fluidos del oído interno son responsables de mantener en estado fisiológico óptimo a las células de la cóclea, aunque                                       
desde el punto de vista de la física de la propagación del sonido, pueden ser considerados como agua pura. 
El fluido presente en los dos mayores compartimientos, rampa vestibular y timpánica, denominada perilinfa es una solución                                 
con la misma composición que el fluido cerebroespinal; su ion principal es el Na​+​, similarmente a la solución fuera de la célula. La                                             
perilinfa proviene de la circulación capilar alrededor de la cóclea. 
El fluido presente en la rampa media es de distinta composición, denominado endolinfa, su ion principal es el K​+ pero también                                         
contiene bajas concentraciones de Ca​2+​; esta composición es muy cercana a la de una solución intracelular. La endolinfa tiene su                                       
fuente en un transporte epitelial localizado en en la pared lateral del conducto coclear.  
 
Ecuación de movimiento para fluidos incompresibles 
 
El fluido que pasa por la cóclea es incompresible y además se asume que no es viscoso, de esta manera se ha deducido la ecuación de 
movimiento de dicho fluido. 
Sea u=(u1,u2,u3) la velocidad, p la presión y ​ρ ​la densidad del fluido.  La masa del fluido va a cambiar en respuesta de flujo a 
través de una frontera de un volumen V. Tenemos, 
 
 
 
 
 
 
Donde S es la superficie de V y n=(n1, n2,n3) es la unidad exterior para V. Igualmente tenemos que el momento del fluido en un                                                 
dominio fijo V puede cambiar solo en respuesta para aplicar fuerzas o para el flujo del momento a través de un límite de V. Para la                                                   
conservación del momento tenemos, 
 
 
 
Mecánica de la membrana basilar: 
 
El elemento clave del diseño de la cóclea mamífera es la membrana basilar. A través de su diseño mecánico responde a los                                           
sonidos vibrando en un patrón que depende, de manera única, de la intensidad y de la frecuencia del sonido entrante. A mayor                                           
intensidad se produce una mayor diferencia de presión a lo largo de la membrana basilar, por lo tanto las deflexiones de la estereocilia                                             
también es mayor. La codificación de los diferentes tonos depende de la mecánica especializada de la membrana basilar que la hace                                         
comportarse como un analizador de espectros mecánico. 
 
Diferentes frecuencias entrantes estimulan diferentes poblaciones de fibras a lo largo del órgano de Corti; el diseño de la                                     
cóclea es tal que garantiza que cada frecuencia dentro del rango audible excite selectivamente solamente a una subpoblación de de                                       
fibras del conducto coclear. Las frecuencias están distribuidas de tal forma que las altas frecuencias del rango audible excitan fibras en                                         
el extremo basal de la cóclea, cerca del estribo; y las frecuencias más bajas del rango audible excitan las fibras del extremo apical de la                                                 
cóclea, cerca de la helicotrema. A la conversión de la frecuencia sonora en codificación de acuerdo con la posición de la excitación                                           
que provoca se le denomina mapa tonotópico. 
 
 
 
Fenómenos colectivos                  Semestre 2016­1 
 
El mapeo tonotópico resulta de la rigidez mecánica que presenta la membrana que varía a lo largo de su longitud. Dicha                                         
rigidez mecánica es mayor en la proximidad del oído medio y va reduciéndose monotónicamente a lo largo del tubo coclear hasta la                                           
helicotrema. Como resultado de esta graduación de la rigidez, las frecuencias sonoras provocan vibraciones en distintas secciones de                                   
la membrana basilar. 
 
El acoplamiento mecánico entrelas secciones de la cóclea depende del fluido que le rodea y de los elementos del órgano de                                           
Corti. Cuando la onda de presión que ingresa en la cóclea proveniente del oído medio, la onda sonora se propaga a través de los                                               
fluidos del conducto y los diferentes componente de la membrana basilar responden, pero únicamente aquellas “sintonizadas” a la                                   
frecuencia apropiada vibrarán máximamente. El efecto neto es que la onda viajera se propaga a lo largo de la membrana basilar y                                           
alcanza un pico en la posición donde la frecuencia del sonido y la posición de dicha frecuencia sobre la estructura de la membrana                                             
coinciden.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5. Conclusiones 
 
En el presente trabajo se abordó el estudio del órgano auditivo como un ejemplo de aplicación de la materia de fenómenos colectivos,                                           
cuyo funcionamiento depende de la presencia de fluidos. La audición es la capacidad de escuchar sonidos y consiste en transformar                                       
los estímulos sonoros en una serie de señales nerviosas enviadas al cerebro a lo largo del nervio auditivo. El oído se divide en tres                                               
secciones, las estructuras externas y media entregan la energía sonora, al oído interno donde se da transformación de éstas en señales                                         
eléctricas tras el paso de la onda viajera a lo largo de membrana basilar permitiendo su descomposición en las diferentes frecuencias                                         
que la conforman. Este proceso sería imposible de llevarse a cabo sin la presencia de éstos fluidos y de los cambios de presión que                                               
ocurren dentro de las estructuras del oído. 
Se logró entender la importancia de los fluidos y el sonido en el cuerpo humano, en específico en el oído y los procesos que se llevan a                                                     
cabo gracias a la presencia de los mismos. 
 
 
 
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5. Referencias  
 
1. Fisiología médica. Ganong.  23a edición. McGRAW­HILL Interamericana Editores, pp715. 
2. Physics. Principles with applications. Giancoli D. 5th edition. Prentice­Hall Hispanoamericana. Mexico City, 1998 
3. Signals and Perception: The Fundamentals of Human Sensation. Dr David Roberts. 320pages. Palgrave Macmillan. 2002 
4. Anatomía Cromodinámica, Kapit & Elson. Fernández Editores. México 2005 
5.  Diccionario de la lengua española. 22° edición.  2012.   www.rae.es  
6. Physics in Biology and medicine, Paul Davitovits,3th edition. Academic press. 2008 
7. Keener, J. (2009). Mathmatical physiology. Springer: USA. 
 
8. Wikipedia la Enciclopedia libre. 
a. Sistema auditivo periférico:  ​http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_auditivo_periférico 
b. Audición: ​http://es.wikipedia.org/wiki/Audición 
c. Estereocilio:  ​http://es.wikipedia.org/wiki/Estereocilio 
d. Corteza Auditiva Primaria: ​http://es.wikipedia.org/wiki/Corteza_auditiva_primaria 
 
 
 
 
 
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http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_auditivo_perif%C3%A9rico
http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_auditivo_perif%C3%A9rico
http://es.wikipedia.org/wiki/Audici%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/Audici%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/Estereocilio
http://es.wikipedia.org/wiki/Estereocilio
http://es.wikipedia.org/wiki/Corteza_auditiva_primaria
http://es.wikipedia.org/wiki/Corteza_auditiva_primaria
http://es.wikipedia.org/wiki/Corteza_auditiva_primaria
http://es.wikipedia.org/wiki/Corteza_auditiva_primaria
http://es.wikipedia.org/wiki/Corteza_auditiva_primaria