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.
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 «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.
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
О разном интересном.

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

FiiO EH13 — по воздуху и по проводу с EQ и шумодавом — обзор полноразмерных Bluetooth 6.0 наушников

Спустя несколько лет FiiO от лица своего основного бренда выпускают полноразмерные беспроводные наушники EH13. Как положено, не обошлась новинка без активного шумоподавления, бонусом добавили ей...

Светишь прямо — летит вбок: как новая технология световой тяги сделает межзвездные корабли управляемыми

Идея использования света для перемещения физических объектов разрабатывается в науке уже довольно давно. Физически процесс построен на том, что фотоны, несмотря на отсутствие массы покоя, обладают...

Обзор эргономичного кресла ZONE 51 X-Prime Eco Grey: спина отдыхает, и вы счастливы

Работа за компьютером давно перестала быть чем-то временным — для многих это по 6-10 часов в день в одном положении. И именно здесь начинает проявляться главный враг...

До Марса за 56 дней: найден межпланетный короткий путь по данным околоземных астероидов

Проектирование полетов к Марсу требует компромисса между временем в пути и затратами топлива. Классические полеты осуществляются по так называемым гомановским траекториям — эллиптическим...

Дорога, которую строят больше ста лет и не могут закончить: почему шесть регионов России до сих пор не имеют прямого железнодорожного сообщения с общероссийской сетью

Идея соединить север европейской части России и Западную Сибирь железной дорогой родилась ещё в начале 20 века. Полярный исследователь и художник А. А. Борисов, хорошо знавший арктические...

Turbo, TipiTip, Love is: кто придумал и производил популярные жвачки из детства

В конце восьмидесятых годов на прилавках ларьков появились яркие пачки жевательной резинки, которые быстро стали желанной добычей для школьников. Turbo с вкладышами про машины, TipiTip с забавным...