تسمع ارتطام الأمواج اللطيف، ونعيق طائر النورس البعيد، ولكن يأتي بعد ذلك أنين مزعج ليعكّر الصفو، ويقترب أكثر فأكثر فأكثر. حتى...طاخ! لقد قضيت على البعوضة المزعجة وعاد الهدوء. كيف أمكنك كشف ذلك الضجيج من بعيد واستهداف مصدره بهذه الدقة؟ إن القدرة على التعرّف على الأصوات وتحديد موقعها ممكنة بفضل الجهاز السمعي. يتكون ذلك من جزأين رئيسيين: الأذن والدماغ. مهمة الأذن هي تحويل الطاقة الصوتية إلى إشارات عصبية. أما مهمة الدماغ هي تلقّي المعلومات التي تحتوي عليها تلك الإشارات ومعالجتها. لفهم كيفية عمل ذلك، يمكننا تتبع صوتٍ ما في رحلته إلى داخل الأذن. يخلق مصدر الصوت اهتزازات تنتقل على هيئة موجات من الضغط من خلال الجسيمات الموجودة في الهواء أو السوائل أو المواد الصلبة. لكن أذننا الداخلية، والتي تسمى القوقعة، مملوءة في الواقع بسوائل تشبه المياه المالحة. وهكذا فإن أول مشكلة يجب حلها هي كيفية تحويل تلك الموجات الصوتية، أيًا كان مصدرها، إلى موجات في السائل. الحل هو طبلة الأذن أو الغشاء الطبلي، والعظام الصغيرة في الأذن الوسطى. تلك تحوّل الحركات الكبيرة لطبلة الأذن إلى موجات ضغط في سائل القوقعة. عندما يدخل الصوت قناة الأذن، يطرق طبلة الأذن ويجعلها تهتز مثل جلد الطبول. ترجّ طبلة الأذن المهتزّة عظمة تدعى المطرقة، التي تطرق السندان وتحرّك العظمة الثالثة المسماة عظمة الرِكاب. تدفع حركتها السائل بداخل حجرات القوقعة الطويلة. بمجرد وصولها هناك، تكون الاهتزازات الصوتية قد تحولت أخيرًا إلى اهتزازات في السائل، وتنتقل مثل الموجة من أحد طرفي القوقعة إلى الطرف الآخر. يوجد سطح يسمى الغشاء القاعدي ممتد على طول القوقعة. وهو مبطّن بخلايا شعرية تحتوي على مكونات متخصصة تسمى الأهداب المجسّمة والتي تتحرك مع اهتزازات السائل القوقعي والغشاء القاعدي. تحفّز هذه الحركة إشارة تنتقل عبر الخلية الشعرية إلى العصب السمعي، ثم إلى الدماغ، الذي يفسره على أنه صوت معين. عندما يسبب صوتٍ ما اهتزاز الغشاء القاعدي، لا تتحرك كل خلية شعرية- بل خلايا مختارة فقط، بحسب تردد الصوت. يعتمد هذا على شيء من الهندسة الدقيقة. عند إحدى النهايتين، يكون الغشاء القاعدي قاسيًا، فيهتز فقط استجابةً للأصوات عالية التردد ذات الطول الموجي القصير. أما عند الأخرى فهو أكثر مرونة، فيهتز فقط في وجود الأصوات منخفضة التردد ذات الطول الموجي الأطول. فالأصوات الصادرة من طائر النورس والبعوضة تهز مواقع مختلفة على الغشاء القاعدي، مثل عزف مفاتيح مختلفة على البيانو. لكن هذا ليس كل ما يجري. لا يزال على الدماغ إنجاز مهمة أخرى هامة: تحديد مصدر الصوت. لتحقيق ذلك فهو يقارن الأصوات الآتية إلى الأذنين لتحديد المصدر في الفراغ. إن صوتًا صادرًا من أمامك مباشرة سيصل إلى أذنيك كلتيهما في نفس الوقت. ستسمعه أيضًا بنفس الشدة في كل أذن. أما صوت منخفض التردد قادم من جانب واحد سيصل إلى الأذن القريبة قبل البعيدة بأجزاء من المليون من الثانية. أما الأصوات عالية التردد فستبدو أشد للأذن القريبة لأن رأسك تحجبها عن الأذن البعيدة. تصل خيوط المعلومات هذه إلى أجزاء خاصة من جذع الدماغ تحلل اختلافات الوقت والحدة بين أذنيك. ثم ترسل نتائج التحاليل إلى القشرة السمعية. الآن أصبح لدى الدماغ جميع المعلومات التي يحتاجها: أنماط النشاط التي تعرّفنا طبيعة الصوت، ومعلومات عن موقعه في الفراغ. لا يتمتع الكل بسمع طبيعي. فقدان السمع هو ثالث أكثر الأمراض المزمنة شيوعًا في العالم. التعرض لضوضاء عالية وبعض الأدوية يمكن أن يقتل الخلايا الشعرية مما يمنع الإشارات من الانتقال من الأذن إلى الدماغ. يجمّد مرض تصلب العظام العظام الصغيرة في الأذن فتتوقف عن الاهتزاز. ومع طنين الأذن، يقوم الدماغ بأفعال غريبة تجعلنا نعتقد أن هناك صوتًا غير موجود فعلًا. لكن عندما يعمل بكفاءة، فإن سمعنا هو نظام أنيق مذهل. تتضمن آذاننا آلة بيولوجية مضبوطة بعناية تحول نشاز الاهتزازات في الهواء من حولنا إلى نبضات كهربائية مضبوطة بدقة تميّز بين التصفيق والدق والآهات والذباب.
You hear the gentle lap of waves, the distant cawing of a seagull. But then an annoying whine interrupts the peace, getting closer, and closer, and closer. Until...whack! You dispatch the offending mosquito, and calm is restored. How did you detect that noise from afar and target its maker with such precision? The ability to recognize sounds and identify their location is possible thanks to the auditory system. That’s comprised of two main parts: the ear and the brain. The ear’s task is to convert sound energy into neural signals; the brain’s is to receive and process the information those signals contain. To understand how that works, we can follow a sound on its journey into the ear. The source of a sound creates vibrations that travel as waves of pressure through particles in air, liquids, or solids. But our inner ear, called the cochlea, is actually filled with saltwater-like fluids. So, the first problem to solve is how to convert those sound waves, wherever they’re coming from, into waves in the fluid. The solution is the eardrum, or tympanic membrane, and the tiny bones of the middle ear. Those convert the large movements of the eardrum into pressure waves in the fluid of the cochlea. When sound enters the ear canal, it hits the eardrum and makes it vibrate like the head of a drum. The vibrating eardrum jerks a bone called the hammer, which hits the anvil and moves the third bone called the stapes. Its motion pushes the fluid within the long chambers of the cochlea. Once there, the sound vibrations have finally been converted into vibrations of a fluid, and they travel like a wave from one end of the cochlea to the other. A surface called the basilar membrane runs the length of the cochlea. It’s lined with hair cells that have specialized components called stereocilia, which move with the vibrations of the cochlear fluid and the basilar membrane. This movement triggers a signal that travels through the hair cell, into the auditory nerve, then onward to the brain, which interprets it as a specific sound. When a sound makes the basilar membrane vibrate, not every hair cell moves - only selected ones, depending on the frequency of the sound. This comes down to some fine engineering. At one end, the basilar membrane is stiff, vibrating only in response to short wavelength, high-frequency sounds. The other is more flexible, vibrating only in the presence of longer wavelength, low-frequency sounds. So, the noises made by the seagull and mosquito vibrate different locations on the basilar membrane, like playing different keys on a piano. But that’s not all that’s going on. The brain still has another important task to fulfill: identifying where a sound is coming from. For that, it compares the sounds coming into the two ears to locate the source in space. A sound from directly in front of you will reach both your ears at the same time. You’ll also hear it at the same intensity in each ear. However, a low-frequency sound coming from one side will reach the near ear microseconds before the far one. And high-frequency sounds will sound more intense to the near ear because they’re blocked from the far ear by your head. These strands of information reach special parts of the brainstem that analyze time and intensity differences between your ears. They send the results of their analysis up to the auditory cortex. Now, the brain has all the information it needs: the patterns of activity that tell us what the sound is, and information about where it is in space. Not everyone has normal hearing. Hearing loss is the third most common chronic disease in the world. Exposure to loud noises and some drugs can kill hair cells, preventing signals from traveling from the ear to the brain. Diseases like osteosclerosis freeze the tiny bones in the ear so they no longer vibrate. And with tinnitus, the brain does strange things to make us think there’s a sound when there isn’t one. But when it does work, our hearing is an incredible, elegant system. Our ears enclose a fine-tuned piece of biological machinery that converts the cacophony of vibrations in the air around us into precisely tuned electrical impulses that distinguish claps, taps, sighs, and flies.