Как устроено ухо человека: от звуковой волны до нервного сигнала
Ухо человека устроено как трёхзвенная система, в которой звуковая волна последовательно преобразуется сначала в механическое колебание, затем в гидравлическую волну и наконец в электрический нервный импульс. Весь путь от ушной раковины до слуховой коры занимает около 8–10 миллисекунд.
Наружное ухо: сбор и фокусировка звука
Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода длиной примерно 2,5 см. Раковина работает как параболический концентратор: её складки придают звуку лёгкую временную задержку в зависимости от направления источника. Именно так мозг определяет, пришёл ли звук спереди, сзади или сверху. Слуховой проход действует как резонатор, усиливая частоты в диапазоне 2000–5000 Гц, что соответствует диапазону человеческой речи. В конце прохода расположена барабанная перепонка, тонкая мембрана диаметром около 9 мм, которая начинает колебаться под давлением воздуха.
Среднее ухо: механическая передача и согласование сопротивлений
За барабанной перепонкой находится заполненная воздухом полость объёмом около 1 куб. см. В ней расположена цепочка из трёх косточек: молоточек, наковальня и стремечко. Это самые маленькие кости тела человека. Молоточек сращён с барабанной перепонкой и передаёт её колебания наковальне, та передаёт стремечку. Стремечко упирается в овальное окно, мембрану, отделяющую среднее ухо от внутреннего.
Главная задача косточек состоит в согласовании импедансов: воздух и жидкость внутреннего уха имеют очень разное акустическое сопротивление. Без усиления до 99,9% энергии волны просто отразилось бы обратно. Рычажная система косточек вместе с разницей площадей барабанной перепонки и овального окна (примерно в 17 раз) увеличивают давление звука на входе во внутреннее ухо в 25–30 раз. Мышцы среднего уха, самые маленькие поперечнополосатые мышцы тела, рефлекторно снижают амплитуду косточек при очень громких звуках, защищая внутреннее ухо от повреждений.
Внутреннее ухо: улитка и преобразование в нервный импульс
Внутреннее ухо включает два органа: улитку, отвечающую за слух, и вестибулярный аппарат, отвечающий за равновесие. Улитка представляет собой спирально закрученный канал длиной около 35 мм, совершающий примерно 2,5 оборота. Внутри канала три полости, заполненные жидкостью: перилимфой и эндолимфой.
Когда стремечко толкает овальное окно, в перилимфе возникает волна давления. Она распространяется по улитке и вызывает колебание базилярной мембраны, разделяющей два канала. Высокочастотные звуки заставляют мембрану максимально колебаться у основания улитки, низкочастотные, у вершины. Это явление называется топотопией: каждый участок мембраны настроен на конкретную частоту, как клавиши рояля.
На базилярной мембране расположен кортиев орган. В нём около 15 000–16 000 волосковых клеток, основных рецепторов слуха. Когда мембрана колышется, волоски этих клеток изгибаются об покровную мембрану. Изгиб открывает ионные каналы на верхушке волоска, внутрь клетки входят ионы калия, возникает деполяризация и выделяется нейромедиатор. Слуховой нерв, состоящий из около 30 000 нервных волокон, передаёт сигнал в ствол мозга и далее в первичную слуховую кору височной доли.
Защитные и вспомогательные механизмы
Среднее ухо соединено с носоглоткой через слуховую (евстахиеву) трубу длиной около 3,5 см. Она выравнивает давление по обе стороны барабанной перепонки, что особенно заметно при взлёте самолёта или нырянии. Наружный слуховой проход вырабатывает серу, которая обладает антибактериальными свойствами и задерживает пыль. Структуры внутреннего уха заключены в каменистую часть височной кости, одну из самых твёрдых костей черепа, что обеспечивает механическую защиту от ударов.
Весь механизм позволяет человеку воспринимать звуки в диапазоне от 20 до 20 000 Гц и различать разницу в громкости в 1 децибел. С возрастом чувствительность к высоким частотам снижается: у людей старше 60 лет верхняя граница нередко опускается до 12 000–14 000 Гц.
