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.
Hallod a hullámok lágy zúgását, egy sirály sivítását a távolban. Aztán egy idegesítő hang a nyugalmat megzavarja, egyre közelebb, közelebb és közelebb ér. Mígnem...csatt! Lecsapod a tettes szúnyogot, és helyreáll a csend.
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.
Hogyan érzékelted a távolból jövő hangot, és találtad el forrását ily pontossággal? A hangok felismerését és távolságuk meghatározását a hallás szervrendszere teszi lehetővé. Ez két fő részből áll: a fülből és az agyból. A fül feladata a hangenergia idegi jelekké alakítása; az agyé pedig ezen informatív jelek fogadása és feldolgozása.
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.
Hogy megértsük, ez hogy működik, kövessük a hang útját a fülbe! A hangforrás rezgéseket hoz létre, melyeket a levegő, folyadékok vagy szilárd anyagok részecskéi nyomáshullámként visznek tovább. De a belső fül, amelyet csigának hívnak, valójában tengervízhez hasonló folyadékokkal van tele. Az első megoldandó feladat tehát a hanghullámok átalakítása folyadékhullámokká, bárhonnan is származnak. Választ ad erre a dobhártya, vagy membrana tympani, és a középfül apró csontjai. Ezek alakítják át a dobhártya nagy mozgásait nyomáshullámokká a csigafolyadékban.
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.
Mikor a hang belép a külső hallójáratba, megüti és megrezegteti a dobhártyát, úgy, mint az ütő a dobot. A rezgő dobhártya meglök egy csontot, amit kalapácsnak hívnak, ami pedig megüti az üllőt, és elmozdítja a harmadik csontot, a kengyelt. A mozgás tovább tolja a folyadékot a csiga hosszú üregeiben. Mire odaérnek, a hanghullámok sikeren átalakítódnak folyadékrezgésekké, és hullámként utaznak a csiga egyik végétől a másik felé. Az ún. bazális membrán az egész csigán végigfutó felszín. Szőrsejtek találhatók rajta, különleges részekkel: ezek a sztereociliumok, melyek együtt mozognak a csigafolyadék és a bazális membrán rezgéseivel. E mozgás jelet vált ki, ami eljut a szőrsejteken keresztül a hallóidegbe, majd onnan az agyba, ami adott hangként érzékeli.
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.
Mikor egy hang megrezegteti a bazális membránt, nem mindegyik szőrsejt mozog – hangfrekvenciától függően csak bizonyos szőrsejtek. Ez mérnöki pontossággal működik. A bazális membrán egyik vége merev; csak kis hullámhosszú, nagy frekvenciájú hangok rezegtetik meg. A másik vége rugalmasabb; csak nagyobb hullámhosszú, kisebb frekvenciájú hangok jelenlétében rezeg. A sirály és a szúnyog által keltett hangok tehát a bazális membrán különböző részein rezegnek, mint a különböző billentyűk a zongorán.
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.
De ez nem minden. Az agynak egy másik fontos feladata, hogy felmérje, honnan jön a hang. Ehhez össze kell hasonlítania a két fülbe érkező hangokat, hogy megállapítsa a hang térbeli forrását.
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.
Egy közvetlenül veled szemből jövő hang mindkét füledet ugyanakkor éri el. Illetve, ugyanolyan erősnek hallod mindkét fülben. Azonban az egy oldalról érkező, alacsony frekvenciájú hang mikroszekundumokkal előbb éri el a közelebbi fület, mint a távolit. És a magas frekvenciájú hangok hangosabbnak tűnnek a közelebbi fülben, mert a távolabbi fület eltakarja a fejed.
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.
Ezek az információmorzsák az agytörzs speciális részeit érik el, melyek a fülek közti különbséget vizsgálják időben és hangintenzitásban. A vizsgálatuk eredményeit a hallókéregbe küldik fel. Most már minden szükséges információval rendelkezik az agy: az aktivitás-mintázat közli velünk, milyen a hang, és információt ad arról, hogy térben hol van.
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.
Nem mindenkinek van rendes hallása. A hallásvesztés a harmadik leggyakoribb krónikus betegség a világon. Hangos zajok és bizonyos gyógyszerek elpusztíthatják a szőrsejteket, megakadályozva a jelek terjedését a fültől az agyig. Olyan betegségek, mint az oszteoszklerózis megbénítják a fül apró csontjait, ezért nem tudnak rezegni. A fülzúgás azt jelenti, hogy az agy különös módon úgy viselkedik, mintha hangot hallanánk, mikor valójában nincs.
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.
De ha működik, hallószervrendszerünk hihetetlen, elegáns szerkezet. A füleink finomra hangolt biológiai gépezetet rejtenek, melyek a minket körülvevő levegő rezgéseinek hangzavarját precízen hangolt elektromos jelekké alakítja át, különbséget téve taps, vízfolyás, sóhaj, vagy légyzümmögés között.