Artykuły pogłębiające wiedzę

Poznaj swój słuch

Poznaj swój słuch — jak działa narząd słuchu.

 

Arkadiusz Stankiewicz

ucho.jpg, 18kBMożna zamknąć oczy, gdy się nie chce czegoś widzieć. Można zatrzymać oddech, gdy się nie chce czegoś wąchać. Ale nie można zamknąć ucha, gdy się nie chce czegoś słyszeć. Powiedzenie "słuchać jednym uchem" to tylko przenośnia. Zmysł słuchu podobnie jak serce, funkcjonuje nawet wtedy, gdy śpimy.
Nasze uszy bezustannie pracują, zapewniając nam łączność ze światem zewnętrznym. Odbierają i analizują sygnały dźwiękowe, a po przetworzeniu wysyłają je do mózgu. Wszystko to dzieje się w zamkniętej przestrzeni zajmującej około 16 cm3 dzięki wykorzystaniu zasad akustyki, mechaniki, hydrodynamiki, elektroniki i matematyki wyższej. Zastanów się nad tym, czego potrafi dokonać para uszu u osoby mającej prawidłowy słuch.

 

 

  • Nasze uszy słyszą zarówno cichutki szept, jak i 10 bilionów razy głośniejszy huk startującego odrzutowca. Naukowcy nazywają taką różnicę natężenia dźwięku zakresem około 130 dB.
  • Ucho potrafi wyłowić i śledzić rozmowę prowadzoną w gwarnym pomieszczeniu albo rozpoznać fałszywy dźwięk jednego instrumentu w stuosobowej orkiestrze.
  • Uszy ludzkie są w stanie z dokładnością do dwóch stopni określić przemieszczenie się źródła dźwięku. Zorientują się, że dociera on do każdego z nich w innym czasie i z niejednakowym natężeniem. Opóźnienie może wynosic nawet jedną dziesięciomilionową sekundy, ale uszy potrafią to wykryć i powiadomić mózg.
  • Nasze uszy rozpoznają około 400 000 dźwięków. Same dokonują analizy fali akustycznej i porównują wyniki z danymi znajdującymi się w naszej pamięci. Dzięki temu potrafimy odróżnić brzmienie fletu od dźwięku skrzypiec oraz poznać głos znajomego przez telefon.

 

przekrojucha.jpg, 37kB

 

"Ucho", które mamy z boku głowy, to tylko jedna, najlepiej widoczna część narządu słuchu. Większość z nas zapewne pamięta ze szkoły, że organ ten można podzielić na trzy odciniki: ucho zewnętrzne, środkowe i wewnętrzne. Na ucho składa się małżowina uszna, zbudowana głównie ze skóry i chrząstki sprężystej, oraz przewód słuchowy zewnętrzny kończący się błoną bębenkową. W uchu środkowym znajdują się trzy najmniejsze kosteczki ciała ludzkiego - młoteczek, kowadełko i strzemiączko; stanowią one pomost między błoną bębenkową, a okienkiem owalnym, prowadzącym do ucha wewnetrznego. Z kolei w uchu wewnętrznym mieszczą się dwa osobliwe twory: zespół trzech kanałów półkolistych oraz tak zwany ślimak.

 

Ucho zewnętrzne — rezonator akustyczny

 

Zadaniem ucha zewnętrznego jest zbieranie fal dźwiękowych z powietrza i kierowanie ich do wnętrza narządu słuchu. Ale to jeszcze nie wszystko. Może zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego małżowina uszna ma tak skomplikowany kształt. Naukowcy doszli do wniosku, że znajdujące się pośrodku niej zgłębienie (tak zwana muszla)oraz profil przewodu słuchowego umożliwiają wzmocnienie lub rezonans dźwięków zawartch w określonym paśmie częstotliwości. Czy ma to jakieś znaczenie? Większość dźwięków, które odgrywaja rolę w mowie, leży w tym samym paśmie. Kiedy wpadają do małżowiny usznej, a potem wędrują przez przewód słuchowy, ich natężenie rośnie prawie dwukrotnie. Jest to naprawdę arcydzieło w dziedzinie akustyki! Ucho zewnętrzne spełnia też ważną rolę w lokalizowaniu źródła dźwięku. Jak już wspomniano, rozpoznanie czy dźwięki powstają z prawej czy z lewej strony, jest możliwe dzięki temu, że do obojga uszu docieraja one w różnym czasie i z niejednakowym natężeniem. A jak się orientujemy, że dźwięki powstają za nami? Również o tym decyduje kształt małżowiny. Jej krawędź jest tak uformowana, że powoduje ich zanikanie w paśmie od 3000 do 6000 herców. Zmieniają wtedy swój charakter, a mózg interpretuje je jako wytwarzane z tyłu. Dźwięki dochodzące znad głowy ulegają podobnej zmianie, tylko w innym zakresie częstotliwości.

 

Ucho środkowe — cud mechaniki

 

Ucho środkowe przetwarza drgania akustyczne na mechaniczne i przekazuje je do ucha wewnętrznego. W tej komorze wielkości ziarnka grochu dokonuje się coś, co naprawdę można nazwać cudem mechaniki. Wbrew przekonaniu, że głośne dźwięki powodują silne drgania błony bębenkowej, jej wychylenia pod wpływem fali akustycznej są bardzo nieznaczne. Nie zdołałyby wywołać żadnej reakcji w wypełnionym płynem uchu wewnętrznym. Trudność ta zostaje pokonana w sposób będący kolejnym świadectwem genialnej konstrukcji narządu słuchu. Trzy kosteczki w uchu środkowym tworzą bardzo czuły, a zarazem sprawny mechanizm, złożony z dźwigni i łączników. Wzmacnia on przyłożoną siłę o jakieś 30%. Prócz tego powierzchnia błony bębenkowej jest około 20 razy większa od powierzchni podstawy strzemiączka, toteż gdy siła działająca na błonę bębenkową zostaje przeniesiona na okienko owalne, skupia się na dużo mniejszym obszarze. Obydwa wspomniane czynniki powodują, że nacisk wywołany drganiami błony bębenkowej przybiera na okienku owalnym wartości od 25 do 30 razy większe, co wystarcza, by wprawić w ruch płyn wewnątrz ślimaka. Czy zdarzyło ci się gorzej słyszeć, gdy byłeś przeziębiony? Dzieje się tak dlatego, że warunkiem prawidłowego funkcjonowania błony bębenkowej jest zachowanie po dbu jej stronach jednakowego ciśnienia. Umożliwia to niewielki wentyl zwany trąbką słuchową, który łączy jamę bębenkową z jamą gardła. Otwiera się on, gdy coś przełykamy, i przywraca prawidłowe ciśnienie w uchu środkowym.

 

Ucho wewnętrzne — dyspozytornia narządu słuchu

 

Okieno owalne prowadzi do ucha wewnętrznego. Trzy prostopadle do siebie ustawione pętle, tak zwane kanały półkoliste, umożliwiają koordynację ruchów i zachowanie równowagi. Jednakże bodźce słuchowe powstają w ślimaku. Ślimak to w zasadzie trzy przewody wypełnione płynem i zwinięte spiralnie na kształt muszli. Dwa z nich łączą się ze sobą u szczytu spirali. Kiedy strzemiączko u jej podstawy zostaje wprawione w drgania, porusza się w okienku owalnym jak tłok - do wewnątrz i z powrotem, powodując tym zmiany ciśnienia w płynie wypełniającym ślimak. Zmiany te rozchodzą się falowo do szczytu ślimaka i z powrotem w postaci drgań, które zostają przeniesione na ściany oddzielające przewody. Wzdłuż jednej z tych ścian, inaczej błony podstawnej, mieści się bardzo czuły narząd Cortiego, nazwany tak od Alfonsa Cortiego, który odkrył go w roku 1851. Zasadniczą częścią tego organu jest około 15 000 komórek rzęsatych, ułożonych rzędami. Od komórek tych odchodzą tysiące włókien nerwowych, przekazujących dane o częstotliwości, natężeniu i barwie dźwięku do mózgu, gdzie powstają wrażenia słuchowe.

 

Rozwiązanie zagadki

 

Kwestia, jak narząd Cortiego przesyła te skomplikowane informacje, długo pozostawała tajemnicą. Naukowcy wiedzieli tylko tyle, że mózg nie reaguje na drgania, lecz na zmiany elektrochemiczne. Toteż narząd Cortiego musiał zamieniać ruchy błony podstawnej w impulsy elektryczne, a te z kolei wysyłać dalej. Uczony węgierski George von Békésky rozwiązywał zagadkę tego malutkiego narządu przez 25 lat. Odkrył między innymi, że zmiany ciśnienia płynu, które przybierają postać fali wędrującej w przewodach ślimaka, w pewnym miejscu osiągają maksimum i powodują dragnie błony podstawnej. W wypadku fal wywołanych przez dźwięki o wysokiej częstotliwości następuje to u podstawy ślimaka, a w wypadku dźwięków o niskiej częstotliwości- jego szczytu. Békésky wyciągnął stąd wniosek, że dźwięk o danej częstotliwości powoduje powstanie fali, która wprawia w drgania odpowiedni odcinek błony i pobudza leżące tam komórki rzęsate do wytworzenia impulsu elektrycznego i przekazania go do mózgu. Położenie pobudzonych komórek odpowiadałoby częstotliwości dźwięku, a ich liczba - jego natężeniu. Wyjaśnienie to byłoby zadowalające, gdyby chodziło tylko o tony proste. Jednakże dźwięki spotykane w przyrodzie rzadko kiedy mają taki charakter. Na przykład głos pewnego gatunku żab może mieć tę samą częstotliwość, co dudnienie bębna, ale brzmi zupełnie inaczej. Jest tak dlatego, że każdy dźwięk składa się z tonu podstawowego i wielu tonów harmonicznych (składowych). Ich liczba i natężenie nadają dźwiękom charakterystyczną barwę, po której je rozpoznajemy. Błona podstawna potrafi reagować jednocześnie na wszystkie tony składowe danego dźwięku oraz wykryć ich ilość i częstotliwość, czyli po prostu go zidentyfikować. Matematycy nazywają taką operację analizą fourierowską, od nazwiska utalentowanego matematyka francuskiego Jeana Baptiste Josepha Fouriera, żyjącego na przełomie XVIII i XIX wieku. Tymczasem ucho stale dokonuje tych skomplikowanych obliczeń, analizując odbierane dźwięki i przekazując informacje o nich do ośrodków wyższych. Mimo to naukowcy w dalszym ciągu nie są pewni, jakiego rodzaju sygnały ucho wewnętrzne wysyła do mózgu. Z badań wynika, że mają one jednakowy czas trwania i natężenie, niezależnie od położenia komórek rzęsatych. Toteż uczeni uważają, że mózg czerpie informacje nie z treści sygnału, lecz z samego faktu, że go otrzymał. Aby to lepiej zrozumieć, przypomnij sobie zabawę w głuchy telefon, podczas której każde dziecko powtarza następnemu to samo zdanie. Wersja końcowa rzadko kiedy przypomina pierwotną. Gdyby jednak dzieci przekazywały sobie po prostu jakiś znak, na przykład liczbę, zapewne nie uległby on zniekształceniu. Chyba podobnie funkcjonuje ucho wewnętrzne. Warto wspomnieć, że na tej samej zasadzie opiera się działanie nowoczesnych systemów telekomunikacyjnych, w których stosuje się tak zwaną impulsową modulację kodową. Zamiast opisywać szczegóły jakiegoś zjawiska, przesyła się odpowiedni znak. W taki sposób przy użyciu znaków dwójkowych przekazano zdjęcia Marsa; można też za pomocą tego kodu zapisywać dźwięki, a potem je odtwarzać.