Физики объяснили, как внутреннее ухо улавливает слабые звуки
Представьте себе водителя, стоящего в пробке. Он испытывает сильное раздражение — не только из-за потери времени и возможного опоздания. Нервозность усиливает какофония шумов, раздающихся вокруг. Двигатель гудит на низких частотах, клаксоны оглашают окрестности высокочастотными звуками, пронзительно верещат сирены экстренных служб, гулко рокочут фуры.
Слух большинства людей легко справляется с восприятием и обработкой всего этого звукового многообразия. Однако ученые до сих пор не до конца понимают, как это происходит, поскольку механизмы работы внутреннего уха до сих пор остаются не вполне ясными.
Тайны уха
«Слух — это довольно загадочная штука», — признает биофизик Бенджамин Матча из Йельского университета.
У физиков есть общее представление о работе уха и его взаимодействии с мозгом, но полной картины пока нет. Для сравнения, устройство зрения физики понимают гораздо лучше — особенно в части преобразований, которые происходят со световым лучом в глазах.
«Физика слуха на самом деле довольно плохо изучена по сравнению со зрением, — сравнивает Матча. — В зрении много сложной биохимии, которую мы не очень хорошо понимаем, но физическая часть достаточно изучена».
Физика слуха
Точно известно, что когда звук достигает внутреннего уха, он преобразуется в электрические импульсы. Слуховые волоски в улитке передают эти сигналы в мозг, чтобы тот понял, что слышит ухо.
Как это происходит в случае громких звуков (например, когда водитель в пробке неистово сигналит, сообщая стоящему впереди недотепе, что светофор не может стать еще зеленее) — понятно: волоски гнутся, и электрические сигналы отправляются в мозг.
Матча и его исследовательская команда рассмотрели как физическую задачу восприятие тихих звуков.
«Физика полезна для понимания слуха на базовом уровне, потому что улитка может разделять звуки на разные типы частот — и это связано со многими концепциями в физике», — говорит Изабелла Граф, главный исследователь Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге, Германия.
На низкой частоте
Для этого ученые математическую модель к визуализации улитки. Результатами они поделились в журнале PRX Life.
Эти результаты оказались несколько неожиданными для исследователей. Выяснилось, что у базилярной мембраны улитки есть два режима работы: местный, когда ее локальный участок откликается на определенный звук (например, писк или гудение), и общий, когда вибрирует она вся.
Местные режимы усиливают звук для более четкого восприятия, но для общего такое усиление может выйти боком — для лучшей чувствительности волоски работают на пределе стабильности, и если оно будет чрезмерным, улитка сама зашумит, как усилитель, свалившийся в самовозбуждение. Меняя режимы независимо друг от друга, волосковые клетки не допускают перехода улитки от стабильности к колебаниям (бифуркация Хопфа).
«Люди изучали различные модели уха, почему никто раньше не заметил разные типы режимов?» — удивлена Граф.
Зачем все это нужно
Результаты применимы только к нормальному слуху. Однако известны такие его нарушения, когда люди не могут различить определенные звуки, например, тихий низкочастотный шум автомобильного двигателя на холостом ходу.
«Это фундаментальное научное исследование, которое помогает нам разобраться, как работает здоровое ухо — и оно полезно для понимания, как помочь при нарушениях», — подытожил биофизик Ашиш Моми из Йельского университета.