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.
Słyszysz delikatny szum fal, odległe krzyki mewy. Nagle spokój zakłóca denerwujące bzyczenie, jest coraz bliżej, i bliżej, i bliżej. I nagle... plask! Pozbywasz się uciążliwego komara i spokój wraca.
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.
Jak namierzyłeś hałas i jego źródło z taką dokładnością? Zdolność rozpoznawania dźwięków i ich lokalizacji jest możliwa dzięki układowi słuchowemu. Jego dwie główne składowe to ucho i mózg. Rolą ucha jest przełożenie energii fali dźwiękowej na impuls nerwowy. Mózgu - odebranie i przetworzenie informacji zawartych w impulsie.
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.
Żeby zrozumieć jak ten proces działa, prześledzimy drogę dźwięku do ucha. Wytworzone u źródła wibracje niosące dźwięk podróżują jako fale dźwiękowe w powietrzu, cieczach lub ciałach stałych. Nasze ucho wewnętrzne, nazywane ślimakiem, wypełnia płyn przypominający słoną wodę. Pierwszym wyzwaniem jest zamiana fal dźwiękowych, niezależnie od ich źródła, na ruchy płynu. Z pomocą przychodzi błona bębenkowa, czyli membrana tympani, i małe kosteczki ucha środkowego. Przenoszą one ruchy z błony bębenkowej na płyn w ślimaku, tworząc fale.
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.
Kiedy dźwięk dostaje się do kanału słuchowego, uderza membranę jak w bęben, wprawiając ją w wibracje. Wibrująca błona wprawia w ruch kostkę nazywaną młoteczkiem, która porusza kowadełko, a ta trzecią kość - strzemiączko. Wprawia ona w ruch płyn w długich kanałach ślimaka. Fala dźwiękowa jest przekształcana na ruch płynu, dzięki czemu impuls dociera na drugi koniec ślimaka. Całą powierzchnię ślimaka pokrywa błona podstawowa. Zawiera ona komórki włoskowate ze specjalnymi wypustkami, zwanymi stereocilia, które są poruszane przez płyn w ślimaku i błonę podstawową. Ruch ten generuje sygnał przekazywany przez komórki włoskowate do nerwu słuchowego, a następnie do mózgu, który interpretuje go jako dźwięk.
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.
Kiedy dźwięk wprawia membranę podstawową w wibracje, nie każda komórka włosowa się porusza. Aktywne są tylko wybrane komórki w zależności od częstotliwości dźwięku. To piękny przykład inżynierii. Na jednym końcu membrana podstawowa jest sztywna, wibruje tylko pod wpływem krótkich fal wysokich dźwięków. Na drugim końcu jest elastyczna, wibruje tylko pod wpływem długich fal o niskiej częstotliwości. Także dźwięki wydawane przez mewy i komary odbierane są przez inne rejony błony podstawowej. Jak granie na różnych klawiszach pianina.
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.
Ale to nie wszystko. Mózg ma inne ważne zadanie do wykonania: identyfikację kierunku, z którego dociera dźwięk. W tym celu zestawia dźwięki dochodzące z obojga uszu, by zlokalizować źródło.
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.
Dźwięk wprost przed nami będzie dochodził do obojga uszu jednocześnie, z takim samym natężeniem w każdym uchu. Dźwięk o niskiej częstotliwości dochodzący z boku dotrze do bliższego ucha o mikrosekundy wcześniej niż do dalszego. Dźwięki o wysokiej częstotliwości będą głośniejsze w bliższym uchu, ponieważ głowa blokuje ich dostęp do drugiego ucha.
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.
Te informacje docierają do specjalnych części mózgu, które analizują różnice w intensywności dźwięku z każdego ucha. Rezultaty analizy przesyłają do kory słuchowej. Teraz mózg ma wszystkie informacje, których potrzebuje: wzorzec aktywności mówiący, co to za rodzaj dźwięku, oraz informacje, skąd dochodzi.
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.
Nie każdy słyszy w takim samym stopniu. Utrata słuchu jest trzecią najczęstszą chorobą przewlekłą na świecie. Ekspozycja na głośne dźwięki oraz niektóre narkotyki mogą zabić komórki włoskowate dostarczające sygnały z ucha do mózgu. Choroby, jak stwardnienie kości, unieruchamiają kostki w uchu, przez co nie mogą więcej wibrować. Gdy pojawi się szum w uszach, mózg podaje nam błędną informację, sugerując dźwięk tam, gdzie go nie ma.
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.
Gdy wszystko działa sprawnie, nasz słuch jest niesamowity. Uszy to niezwykle dopracowana biologiczna struktura, która przekształca chaos wibracji otaczającego nas powietrza w precyzyjne impulsy elektryczne, dzięki którym rozróżniamy klaśnięcia, kapanie, westchnienia czy bzyczenie much.