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.
אתם שומעים את ליחוח הגלים העדין, קריאת השחף המרוחקת. אבל אז זמזום מציק מפריע לשלווה, מתקרב יותר ויותר, עד ש... הצלפה! אתם נפטרים מהיתוש המציק, והשלווה חוזרת.
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.
איך זיהיתם את הרעש מרחוק וטווחתם את יוצרו בדיוק כה רב? היכולת להכיר צלילים ולזהות את המיקום שלהם אפשרית תודות למערכת השמע. היא מורכבת משני חלקים עיקריים: האוזן והמוח. המשימה של האוזן היא להמיר אנרגית קול לאותות עצביים; תפקיד המוח לקלוט ולעבד את המידע שהאותות מכילים.
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.
כדי להבין איך זה עובד, אנחנו יכולים לעקוב אחרי הצליל במסע שלו לתוך האוזן. המקור של הצליל יוצר רטיטות שנעות כגלים של לחץ דרך חלקיקי האויר, נוזלים, או מוצקים. אבל האוזן הפנימית שלנו, שנקראת שבלול, מלאה למעשה בנוזל דמוי מי מלח. אז, הבעיה הראשונה שיש לפתור היא איך להמיר את גלי הקול האלה, מהיכן שהם מגיעים, לגלים בנוזל. הפיתרון הוא עור התוף, או הרקום הטימפני, והעצמות הזעירות של האוזן התיכונה. אלה ממירים את התנועות הגדולות של עור התוף לגלי לחץ בנוזל השבלול.
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.
כשצלילים נכנסים לתעלת האוזן, הם פוגעים בעור התוף וגורמים לו לרטוט כמו ראש של תוף. עור התוף הרוטט מניע את העצם שנקראת הפטיש, שפוגעת בסדן ומזיזה את העצם השלישית שנקראת הארכוף. התנועה שלה דוחפת את הנוזל בתוך התא המוארך של השבלול. ברגע שהן שם, רטיטות הקול הומרו סוף סוף לרטיטות בנוזל, והן נעות כמו גל מצד אחד של השבלול לאחר. משטח שנקרא הממברנה הבסילרית עוברת לאורך השבלול. היא מצופה בתאי שיער שיש להם רכיב מותאם שנקרא סטריאוסליה, שנע עם הרטיטות של נוזל השבלול והממברנה הבסילארית. התנועה הזו מפעילה אות שנע דרך תא השיער, לתוך עצב השמע, ואז הלאה אל המוח, שמפרש אותו כצליל מסויים.
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.
כשהצליל גורם לממברנה הבסילארית לרטוט, לא כל תא שערה נע - רק תאים נבחרים, כתלות בתדירות של הצליל. זו תוצאה של הנדסה מעולה. בקצה אחד, הממברנה הבסילארית קשיחה, ורוטטת רק בתגובה לאורכי גל קצרים, צלילים גבוהים. הצד השני גמיש, ורוטט רק בנוכחות של גלים ארוכים יותר, צלילים בתדירות נמוכה. אז, הצלילים של השחף והיתוש רוטטים במיקומים שונים על הממברנה הבסילארית, כמו לנגן תוים שונים בפסנתר.
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.
אבל זה לא כל מה שמתרחש. למוח עדיין יש תפקיד חשוב למלא: לזהות מהיכן הצלילים מגיעים. לצורך כך, הוא משווה את הצלילים שמגיעים משתי האוזניים כדי למקם את המקור בחלל.
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.
צליל ממש מולכם יגיע לשתי האוזניים באותו זמן. אתם תשמעו אותו באותה עוצמה בכל אוזן. עם זאת, צליל בתדירות נמוכה שמגיע מצד אחד יגיע לאוזן הקרובה מיקרו שניות לפני הרחוקה. וצליל בתדירות גבוהה ישמע חזק יותר לאוזן הקרובה בגלל שהוא נחסם מהאוזן הרחוקה על ידי הראש.
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.
פיסות המידע האלו מגיעות לחלקים מיוחדים של גזע המוח שמנתחים הבדלי זמן ועוצמה בין האוזניים שלכם. הם שולחים את התוצאות של הניתוח שלהם לקליפת המוח. עכשיו, למוח יש את כל המידע שהוא צריך: תבניות הפעילות שאומרות לנו מה הצליל, ומידע על היכן הוא בחלל.
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.
לא לכולם יש שמיעה נורמלית. איבוד שמיעה הוא המחלה הכרונית השלישית בשכיחותה בעולם. חשיפה לצלילים חזקים ומספר תרופות יכולים להרוג תאי שיער, מה שמונע מהצלילים לנוע מהאוזן למוח. מחלות כמו אוסטאוסקלורוזיס מקפיאות את העצמות הזעירות באוזן כך שהן לא רוטטות יותר. ועם טיניטוס, המוח עושה דברים מוזרים לגרום לנו לחשוב שיש צלילים כשהם לא קיימים.
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.
אבל כשהיא עושה את העבודה, השמיעה שלנו היא מערכת מדהימה ואלגנטית. האוזניים שלנו הם מכונה ביולוגית מעודנת שממירה את הקקפוניה של הרטיטות באויר סביבנו לאותות חשמליים מדוייקים שמבדילים בין מחיאות, טיפוף, אנחות וזבובים.