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.
До вас доносится слабый шум прибоя, отдалённые крики чайки. Но вдруг умиротворение нарушает противный писк: всё ближе и ближе, и ближе... Пока не... хлоп! Вы избавились от надоедливого комара, и покой восстановлен.
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.
Как вы различили этот звук издалека и с точностью определили его источник? За способность узнавать звуки и определять нахождение их источника отвечает слуховая сенсорная система. Она состоит из двух основных частей: уха и мозга. Задача уха превращать энергию звука в нервные импульсы, а мозга — получать и обрабатывать информацию, содержащуюся в импульсах.
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.
Чтобы понять, как работает эта система, мы проследим за звуком на пути прямо в ухо. Источник звука создаёт колебания, которые передаются в виде упругих волн колеблющихся частиц в воздухе, жидкости или твёрдых веществах. Но часть нашего внутреннего уха, или ушная улитка, заполнена солоноватой жидкостью. Поэтому первая проблема, которую предстоит решить, это как превратить звуковые волны, откуда бы они ни доносились, в колебания жидкости. Решается проблема благодаря барабанной перепонке и тончайшим косточкам среднего уха. Они превращают большие колебания барабанной перепонки в волны жидкости в ушной улитке.
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.
Когда звук входит в слуховой канал, он сталкивается с барабанной перепонкой и заставляет её вибрировать, как мембрану барабана. Вибрирующая перепонка даёт толчок косточке под названием молоточек, который ударяет по наковальне и двигает третьей косточкой, стремечком. Её движения надавливают на жидкость в длинных каналах ушной улитки. Попав в улитку, звуковые колебания наконец-то передадутся колебаниям жидкости и затем как волна распространяются в улитке из одного конца в другой. Сквозь всю улитку проходит поверхность базальной мембраны. Она покрыта волосковыми клетками, у которых есть особые нитьевые отростки, называемые стереоцилии, которые двигаются вместе с вибрациями жидкости в улитке и базальной мембраны. От этого движения образуется сигнал, который передаётся через волосковые клетки в слуховой нерв и далее — в головной мозг, который интерпретирует поступающие сигналы и выявляет определённый звук.
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.
Когда от звука вибрирует базальная мембрана, двигаются не все волосковые клетки, а только отдельные их группы в зависимости от частоты звука. Это можно сравнить с тонкой механикой. С одного конца базальная мембрана жёсткая и вибрирует, только реагируя на коротковолновые высокочастотные звуки. С другого конца мембрана более гибкая и вибрирует только от длинноволновых низкочастотных звуков. Поэтому звуки, издаваемые чайками или комарами, заставляют вибрировать различные участки базальной мембраны, это как нажимать различные клавиши на фортепьяно.
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.
Но это не всё. Мозгу предстоит выполнить ещё одно важное задание: определить, откуда исходит звук. Для этого он сравнивает звуки, приходящие в оба уха, и локализует источник звука в пространстве.
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.
Звук, направленный прямо на вас, достигнет обоих ушей в одно и то же время. Вы также будете слышать его каждым ухом с одинаковой интенсивностью. Однако низкочастотный звук, исходящий с одной стороны от вас, достигнет ближнего по отношению к нему уха на микросекунды быстрее, чем второго. А высокочастотные звуки будут слышны с большей интенсивностью ближним ухом, потому что их звучанию для дальнего уха мешает голова.
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.
Разрозненные сигналы достигают определённых частей мозгового ствола, где происходит анализ разницы по времени и интенсивности звучания между ушами. Результаты этого анализа поступают в слуховую зону коры головного мозга. Таким образом у мозга появляется вся необходимая ему информация: карты активности, из которых понятно, что это за звук, и данные об источнике звука в пространстве.
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.
Но нормальным слухом обладают не все люди. Потеря слуха является третьим в мире распространённым хроническим заболеванием. Воздействие сильных шумов и некоторых лекарств повреждают волосковые клетки, что не даёт сигналам передаваться из уха в мозг. А в результате таких заболеваний, как остеосклероз, прекращают работать и больше не могут вибрировать крохотные косточки уха. А при появлении тиннитуса, или звона в ушах, мозг вытворяет странные вещи, заставляя нас поверить, что мы слышим звук, хотя никаких звуков нет.
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.
Однако при нормальной работе слух — это необычная и очень тонко работающая система. Наши уши заключают в себе усовершенствованный биологический прибор, превращающий какофонию окружающих нас воздушных колебаний в электрические импульсы точнейшей настройки, что позволяет различать хлопки, стук, вздохи и жужжание мухи.