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.
Bạn đang nghe tiếng vỗ dịu êm của những con sóng biển, tiếng mòng biển kêu từ xa. Bỗng nhiên, một tiếng vo ve phá vỡ sự yên bình và ngày càng gần hơn. Và rồi...bộp! Bạn kết liễu con muỗi phiền phức và sự yên lặng trở lại.
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.
Làm thế nào bạn có thể nghe âm thanh từ xa và xác định chính xác mục tiêu? Khả năng nhận biết âm thanh và xác định vị trí là nhờ hệ thống thính giác, gồm hai phần chính: tai và não. Nhiệm vụ của tai là chuyển âm năng thành những tín hiệu thần kinh; não nhận và xử lí thông tin mà tín hiệu chuyển tải.
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.
Để hiểu cách thức nó hoạt động, hãy theo dõi chặng đường một âm thanh đến tai. Nguồn âm thanh tạo rung động sóng âm truyền qua các phân tử khí, chất lỏng, hay chất rắn. Nhưng ốc tai bên trong tai của chúng ta, được bao phủ bởi dịch dạng nước muối. Vậy, điều đầu tiên cần giải quyết là chuyển sóng âm, đến từ mọi hướng, thành dao động trong dung dịch lỏng. Đó là nhờ màng nhĩ và các xương nhỏ ở tai giữa. Chúng biến những rung động lớn của màng nhĩ thành những sóng áp suất đến dung dịch trong ốc tai. Đến ống tai,
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.
âm thanh chạm vào màng nhĩ, làm màng nhĩ rung như mặt trống. Màng nhĩ rung động làm giật xương búa, xương búa chạm vào xương đe và dịch chuyển xương bàn đạp. Dao động này đẩy dung dịch trong các ngăn dài của ốc tai. Tại đây, rung động âm thanh, cuối cùng, đã được chuyển thành rung động của dung dịch, và di chuyển như một đợt sóng từ đầu này tới đầu kia của ốc tai. Một mặt phẳng gọi là màng đáy trải dài theo ốc tai, được lót bởi nhiều tế bào lông có thành phần đặc biệt. được gọi là vi tiếp điểm, di chuyển cùng với rung động của dịch ốc tai và màng đáy. Dịch chuyển này tạo ra một tín hiệu di chuyển qua các tế bào lông, đến thần kinh thính giác, rồi về phía não, giải mã thành một âm thanh cụ thể.
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.
Một âm thanh làm màng đáy rung động, không làm dịch chuyển tất cả mà chỉ một vài tế bào lông nhất định dựa trên tần số của âm thanh. Đó là nhờ một số cấu tạo tuyệt vời. Ở một đầu, màng đáy cứng chỉ rung động với âm thanh có bước sóng ngắn, tần số cao. Phần còn lại linh động hơn, sẽ rung động với âm thanh có bước sóng dài, tần số thấp. Do đó, tiếng kêu của mòng biển và con muỗi làm rung động những phần khác nhau của màng đáy, giống như chơi những phím khác nhau trên piano.
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.
Đó chưa phải là tất cả những gì xảy ra. Não cũng có một nhiệm vụ quan trọng khác: là xác định vị trí của âm thanh từ đâu đến. Để làm điều này, nó so sánh âm thanh đến từ hai bên tai để xác định nguồn âm thanh trong không gian.
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.
Một âm thanh từ trước mặt sẽ đến cả hai tai cùng một lúc và có cùng cường độ. Một âm thanh tần số thấp đến từ một phía sẽ đến tai gần hơn trước vài micro giây so với tai còn lại. Và âm thanh có tần số cao sẽ nghe có vẻ dữ dội hơn ở tai gần hơn vì bị đầu của bạn chặn giữa tai kia.
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.
Những dải thông tin này đến những phần đặc biệt của thân não thân não phân tích sự khác biệt thời gian và cường độ giữa hai tai. Chúng gửi kết quả của quá trình phân tích đến vỏ não thính giác. Giờ, não có tất cả những thông tin cần thiết: những đặc điểm hoạt động cho ta biết đó là âm thanh gì và vị trí ở đâu trong không gian.
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.
Không phải ai cũng có thể nghe bình thường. Mất khả năng nghe là bệnh kinh niên phổ biển thứ ba trên thế giới. Tiếp xúc với những âm thanh lớn và một số loại thuốc có thể làm chết các tế bào lông, ngăn những tín hiệu truyền từ tai đến não. Những bệnh như xơ cứng xương làm đông cứng những xương nhỏ trong tai làm chúng không thể rung động. Với chứng ù tai, não bộ hoạt động kì quặc khiến chúng ta nghe thấy một âm thanh vốn dĩ không tồn tại.
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.
Nhưng trên hết, thính giác vẫn là hệ thống kì diệu và thông thái. Tai là một phần tinh chỉnh của bộ máy sinh học giải mã những rung động hỗn tạp từ môi trường xung quanh thành những xung điện chính xác để phân biệt tiếng vỗ tay, nước chảy, tiếng thở dài và tiếng ruồi kêu.