Слышать — значит касаться: как ваше ухо превращает вибрацию в мысль

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Статья | Наука и космос

Что делает нас живыми? Во многом — наша способность ощущать мир. Мы постоянно улавливаем сигналы извне: свет, запахи, прикосновения, звуки. Из этих сигналов наш мозг строит картину реальности. Чтобы понять, как это работает, не нужно сразу штурмовать проблему сознания. Достаточно разобрать один из самых точных механизмов восприятия — наш слух. Окажется, что слышать — значит осязать мир на молекулярном уровне.

Жест, знакомый каждому. Но как простое колебание воздуха превращается в мысль? Ответ скрыт в сложнейшем молекулярном механизме внутри нашего уха.
Жест, знакомый каждому. Но как простое колебание воздуха превращается в мысль? Ответ скрыт в сложнейшем молекулярном механизме внутри нашего уха.
Автор: JoanDragonfly Источник: commons.wikimedia.org

Что такое звук? Просто вибрация

Звук — это механическая волна, которая бежит по воздуху. Когда вибрирует струна гитары, она толкает молекулы воздуха, создавая волны сжатия и разрежения. Эти волны расходятся от источника. Их главная черта — частота, или количество колебаний в секунду. Частота и определяет высоту звука.

Мы измеряем её в герцах (Гц). Например, нота «Ля» первой октавы (A4), по которой настраивают оркестры, имеет частоту 440 Гц. Значит, воздух рядом с вашим ухом колеблется 440 раз в секунду. Высокие звуки создаются быстрыми колебаниями, низкие — медленными.

Путь звука в голову

Как эти колебания воздуха становятся сигналом для мозга? Звук проходит три этапа:

  • Снаружи. Ушная раковина ловит звуковую волну и направляет её в слуховой проход. В конце прохода волна ударяет в барабанную перепонку и заставляет её вибрировать.
  • В середине. За барабанной перепонкой работает система усиления, состоящая из трех самых маленьких костей в теле человека: молоточка, наковальни и стремечка. Они работают как рычаги, усиливая слабые вибрации воздуха примерно в 20 раз. Это нужно, чтобы передать сигнал из воздуха в жидкость, которая находится дальше.
  • Внутри. Стремечко толкает мембрану улитки — спирального костного канала, заполненного жидкостью. Именно здесь механическое движение превращается в электрический сигнал.
Анатомический путь звука. Именно в этом механизме, от барабанной перепонки до улитки (фиолетовая спираль), механическое колебание воздуха превращается в сигнал, который мозг сможет
Анатомический путь звука. Именно в этом механизме, от барабанной перепонки до улитки (фиолетовая спираль), механическое колебание воздуха превращается в сигнал, который мозг сможет «понять».
Автор: Lars Chittka; Axel Brockmann Источник: commons.wikimedia.org

Клетки, которые слышат

Внутри улитки на гибкой мембране сидят ряды особых клеток — волосковых. Это главные рецепторы слуха. На верхушке каждой клетки растет пучок «волосков» разной высоты, которые называются стереоцилиями.

Когда жидкость в улитке колеблется от звука, она заставляет стереоцилии отклоняться. Это физическое движение запускает всю цепочку дальнейших событий. Как именно, стало понятно благодаря исследованиям А. Дж. Хадспета, который в 1970-х смог детально изучить эти клетки. Но главный секрет скрывался в молекулах, связывающих волоски.

Молекулярное рукопожатие

Верхушка каждого короткого волоска соединена с боком соседнего, более высокого, тоненькой белковой нитью. Эта нить называется концевой связью. Без неё слух невозможен.

Разгадка пришла из генетики. Учёные заметили, что мутации в генах, кодирующих белки протокадгерин 15 (PCDH15) и кадгерин 23 (CDH23), вызывают тяжелые формы наследственной глухоты, например, синдром Ашера. Стало ясно: эти два белка и формируют ту самую концевую связь. Они цепляются друг за друга, создавая прочное и гибкое «рукопожатие» между волосками.

Процесс механотрансдукции в волосковой клетке. 1. В состоянии покоя концевая связь (Tip link) не натянута, и ионный канал закрыт. 2. Связь состоит из белков (включая Кадгерин 23), которые соединяют соседние стереоцилии. 3. Отклонение пучка волосков в сторону самого высокого натягивает концевую связь, физически открывая ионный канал. 4. Ионы калия (K⁺) и кальция (Ca²⁺) устремляются в клетку, вызывая её деполяризацию — электрический сдвиг, который и запускает нервный импульс.
Процесс механотрансдукции в волосковой клетке. 1. В состоянии покоя концевая связь (Tip link) не натянута, и ионный канал закрыт. 2. Связь состоит из белков (включая Кадгерин 23), которые соединяют соседние стереоцилии. 3. Отклонение пучка волосков в сторону самого высокого натягивает концевую связь, физически открывая ионный канал. 4. Ионы калия (K⁺) и кальция (Ca²⁺) устремляются в клетку, вызывая её деполяризацию — электрический сдвиг, который и запускает нервный импульс.
Автор: Cochleae Источник: commons.wikimedia.org

Как движение становится сигналом

Когда звуковая волна отклоняет пучок стереоцилий, концевые связи натягиваются. Это натяжение — крошечная физическая сила — тянет за собой мембрану клетки в точке крепления. Прямо там находится белок-канал TMC1.

Натяжение буквально оттягивает «дверцу» этого канала. Внутреннее ухо заполнено особой жидкостью, эндолимфой, в которой очень много ионов калия (K⁺). Как только канал открывается, ионы калия лавиной устремляются внутрь клетки, где их концентрация гораздо ниже.

Приток положительных зарядов мгновенно меняет электрический потенциал клетки. В ответ клетка выбрасывает химические вещества — нейромедиаторы, которые активируют прикреплённый к ней нейрон. Так рождается нервный импульс, который по слуховому нерву отправляется в мозг.

Слух — это осязание

В итоге слух перестаёт быть чем-то абстрактным. Мы буквально осязаем вибрации мира на уровне отдельных молекул. Каждая волосковая клетка — это сверхчувствительный тактильный датчик, настроенный на свою частоту.

Каждый звук, от шёпота до раската грома, — это физическое прикосновение, которое наш мозг расшифровывает благодаря элегантному молекулярному механизму. И понимание этого делает обыденный процесс слуха ещё более впечатляющим.

Изображение в превью:
Автор: JoanDragonfly
Источник: commons.wikimedia.org
Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)
Об авторе
Наука и космос, флора и фауна. Для связи: kifloblog@yandex.ru

4 комментария

Добавить комментарий

A
Существуют еще уникальные гуманитарии, которые слышат запахи.
a
— Слышишь, цветы пахнут?
— Слышу, не глухой.
BehemothCat
Трэш какой-то 🤦‍♂️

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Живем ли мы в симуляции? Если да, то законы физики доказывают: мы в ней подопытные, а не игроки

Гипотеза о том, что окружающий мир представляет собой искусственно созданную среду, давно вышла за рамки умозрительной философии. Развитие теоретической физики, квантовой механики и теории...

101 километр между Волгой и Доном: зачем СССР соединил две великие реки

Если посмотреть на карту возле Волгограда, замысел кажется почти очевидным. Волга и Дон подходят друг к другу так близко, будто человеку осталось провести между ними одну линию. По Волге можно...

Три экологические формы байкальского омуля: как калибровка жаберных тычинок разделила один вид

Анатомический подсчет выростов на первой жаберной дуге байкальского омуля (Coregonus migratorius) дает строго фиксированный разброс: от 36 до 55 шт. Если у выловленной рыбы зафиксировано менее 41...

Этот лед горячее расплавленной стали: физики открыли новую форму воды в недрах планет-гигантов

Магнитные поля Земли, Юпитера и Сатурна имеют форму правильного диполя. Их силовые линии выходят из областей вблизи географических полюсов, а центр магнитного диполя практически совпадает с центром...

От рыбацкой деревушки до киберпанка: чем может удивить самый современный город мира Шэньчжэнь

В 1980 году Шэньчжэнь был одной большой рыбацкой деревней с рисовыми полями, тиной и парой тысяч бедных рыбаков с бесконечными рядами сушащихся на солнце карасей. Казалось, чтобы хотя бы...

Почему рябина иногда месяцами висит почти нетронутой, а потом птицы объедают дерево буквально за несколько дней

Осенняя рябина умеет долго выглядеть так, будто птицы её совершенно игнорируют. Гроздья висят яркими, тяжёлыми, заметными издалека, листья уже опали, вокруг почти не осталось другой растительной...