Ακούτε το κύμα να σκάει απαλά, τον μακρινό κρωγμό ενός γλάρου. Τότε, όμως, ένα ενοχλητικό βουητό διακόπτει την ηρεμία, καθώς έρχεται πιο κοντά, και πιο κοντά και πιο κοντά. Μέχρι που...μπαμ! Αποτελειώνετε το ενοχλητικό κουνούπι και η γαλήνη αποκαθίσταται.
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.
Πώς εντοπίσατε από μακριά αυτό τον θόρυβο και την πηγή του με τέτοια ακρίβεια; Η ικανότητα να αναγνωρίζουμε ήχους και να ταυτοποιούμε την τοποθεσία τους είναι εφικτή χάρη στο ακουστικό σύστημα. Αυτό αποτελείται από δύο κύρια μέρη: το αυτί και τον εγκέφαλο. Δουλειά του αυτιού είναι να μετατρέπει την ηχητική ενέργεια σε νευρικά σήματα, του εγκεφάλου η υποδοχή και επεξεργασία της πληροφορίας που περιέχουν τα σήματα.
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.
Για να δούμε πώς λειτουργεί αυτό, μπορούμε να ακολουθήσουμε έναν ήχο στο ταξίδι του μέσα στο αυτί. Η πηγή ενός ήχου δημιουργεί δονήσεις που ταξιδεύουν με μορφή κυμάτων πίεσης μέσω σωματιδίων στον αέρα, στα υγρά ή στα στερεά. Όμως το έσω ους, που ονομάζεται κοχλίας είναι στην πραγματικότητα γεμάτο με υγρά που μοιάζουν το θαλασσινό νερό. Επομένως, το πρώτο πρόβλημα είναι το πώς να μετατραπούν τα ηχητικά κύματα από όπου και αν έρχονται, σε κύματα μέσα στο υγρό. Η λύση είναι το τύμπανο, ή τυμπανικός υμένας, και τα μικροσκοπικά οστά στο μέσο ους. Αυτά μετατρέπουν τις μεγάλες κινήσεις του τυμπάνου σε κύματα πίεσης μέσα στο υγρό του κοχλία.
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.
Όταν ο ήχος εισέλθει στον ακουστικό πόρο, χτυπάει στο τύμπανο του αυτιού και έτσι δονείται όπως ένα τύμπανο. Το δονούμενο τύμπανο του αυτιού τραβάει απότομα ένα οστό που ονομάζεται σφύρα, το οποίο χτυπά τον άκμονα και κουνά το τρίτο οστό, τον αναβολέα. Η κίνησή του σπρώχνει το υγρό μέσα στους επιμήκεις θαλάμους του κοχλία. Εκεί, οι ηχητικές δονήσεις έχουν επιτέλους μετατραπεί σε δονήσεις υγρού και ταξιδεύουν σαν ένα κύμα από τη μία άκρη του κοχλία στην άλλη. Μια επιφάνεια που ονομάζεται βασική μεμβράνη διατρέχει κατά μήκος του κοχλία. Επενδύεται από τριχωτά κύτταρα που έχουν εξειδικευμένα δομικά στοιχεία που καλούνται στερεοκροσσοί, τα οποία κινούνται με τις δονήσεις του κοχλιακού υγρού και της βασικής μεμβράνης. Αυτή η κίνηση δημιουργεί ένα σήμα που ταξιδεύει μέσω του τριχωτού κυττάρου, εντός του ακουστικού νεύρου, και έπειτα προς τον εγκέφαλο, που το ερμηνεύει ως έναν συγκεκριμένο ήχο.
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.
Όταν ένας ήχος κάνει τη βασική μεμβράνη να δονείται, δεν κινείται κάθε τριχωτό κύτταρο - μόνο ορισμένα από αυτά, ανάλογα με τη συχνότητα του ήχου. Αυτό κατ' ουσίαν πρόκειται για καλή μηχανική. Στο ένα άκρο, η βασική μεμβράνη είναι άκαμπτη, καθώς δονείται μόνο σε ήχους μικρού μήκους κύματος και υψηλής συχνότητας. Το άλλο είναι πιο εύκαμπτο, καθώς δονείται μόνο σε ήχους μεγάλου μήκους κύματος και χαμηλής συχνότητας. Συνεπώς, οι ήχοι που έκαναν ο γλάρος και το κουνούπι δονούν διαφορετικά μέρη πάνω στη βασική μεμβράνη, όπως όταν παίζει κανείς διαφορετικά πλήκτρα στο πιάνο.
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.
Όμως, δεν συμβαίνει μόνο αυτό. Ο εγκέφαλος έχει ακόμη μία σημαντική λειτουργία να εκτελέσει: να αναγνωρίσει από πού προέρχεται ένας ήχος. Για αυτό, συγκρίνει τους ήχους που έρχονται στα δύο αυτιά για να εντοπίσει την πηγή στον χώρο.
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.
Ένας ήχος ακριβώς μπροστά σας θα φτάσει στα δύο αυτιά σας ταυτόχρονα. Επίσης θα τον ακούσετε με την ίδια ένταση σε κάθε αυτί. Παρόλ' αυτά, ένας ήχος χαμηλής συχνότητας προερχόμενος από τη μία πλευρά θα φτάσει το κοντινό αυτί χιλιοστά του δευτερολέπτου πριν φτάσει το μακρινό. Και ήχοι υψηλής συχνότητας θα ακουστούν πιο έντονα στο κοντινό αυτί επειδή το κεφάλι σας τους εμποδίζει στο μακρινό αυτί.
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.
Αυτά τα δείγματα πληροφορίας φτάνουν σε ειδικά μέρη του εγκεφαλικού στελέχους που αναλύουν τις διαφορές χρόνου και έντασης ανάμεσα στα αυτιά σας. Αποστέλλουν τα αποτελέσματα της ανάλυσής τους στον ακουστικό φλοιό. Τώρα ο εγκέφαλος έχει όλες τις πληροφορίες που χρειάζεται: το πρότυπο δραστηριότητας που μας λέει τι ήχος είναι, και πληροφορίες σχετικά με το πού είναι στο χώρο.
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.
Δεν έχουν όλοι φυσιολογική ακοή. Η απώλεια ακοής είναι η τρίτη συχνότερη χρόνια ασθένεια στον κόσμο. Οι δυνατοί ήχοι και κάποια φάρμακα μπορεί να σκοτώσουν τα τριχωτά κύτταρα εμποδίζοντας έτσι τα σήματα να ταξιδέψουν από το αυτί στον εγκέφαλο. Ασθένειες όπως η οστεοσκλήρυνση παγώνουν τα μικροσκοπικά οστά στο αυτί με αποτέλεσμα να μην δονούνται πλέον. Και στις εμβοές, ο εγκέφαλος κάνει περίεργα πράγματα για να μας κάνει να νομίζουμε πως υπάρχει ένας ήχος όταν δεν υπάρχει κανένας.
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.
Όμως, όταν όντως δουλεύει, η ακοή μας είναι ένα απίθανο, εκλεπτυσμένο σύστημα. Τα αυτιά μας περιβάλλουν ένα άριστα προσαρμοσμένο βιολογικό μηχάνημα που μετατρέπει την κακοφωνία των δονήσεων στον αέρα γύρω μας σε ακριβείς εναρμονισμένους ηλεκτρικούς παλμούς που διακρίνονται σε χειροκροτήματα, χτύπους, αναστεναγμούς και μύγες.
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.