Прохождение звуковой волны в органе слуха. Слуховой анализатор

Чувство слуха - одно из главных в жизни человека. Слух и речь вместе составляют важное средство общения между людьми, служат основой взаимоотношений людей в обществе. Потеря слуха может привести к нарушениям в поведении человека. Глухие дети не могут научиться полноценной речи.

С помощью слуха человек улавливает различные звуки, сигнализирующие о том, что происходит во внешнем мире, звуки окружающей нас природы - шорохи леса, пение птиц, звуки моря, а также различные музыкальные произведения. С помощью слуха восприятие мира становится ярче и богаче.

Ухо и его функция. Звук, или звуковая волна, - это чередующее еся разрежение и сгущение воздуха, распространяющееся во все стороны от источника звука. А источником звука может быть любое колеблющееся тело. Звуковые колебания воспринимаются нашим органом слуха.

Орган слуха построен очень сложно и состоит из наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо состоит из ушной раковины и слухового прохода. Ушные раковины многих животных могут двигаться. Это помогает животному улавливать, откуда раздается даже самый тихий звук. Ушные раковины человека также служат для определения направления звука, хотя они и лишены подвижности. Слуховой проход соединяет наружное ухо со следующим отделом - средним ухом.

Слуховой проход перегорожен на внутреннем конце туго натянутой барабанной перепонкой. Звуковая волна, ударяя в барабанную перепонку, заставляет ее колебаться, вибрировать. Частота вибрации барабанной перепонки тем больше, чем выше звук. Чем сильнее звук, тем сильнее колеблется перепонка. Но если звук совсем слабый, еле слышимый, то эти колебания очень малы. Минимальная слышимость натренированного уха находится почти на границе тех колебаний, которые создаются беспорядочным движением молекул воздуха. Значит, человеческое ухо - уникальный по чувствительности слуховой прибор.

За барабанной перепонкой лежит заполненная воздухом полость среднего уха. Эта полость соединена с носоглоткой узким проходом - слуховой трубой. При глотании происходит обмен воздухом между глоткой и средним ухом. Изменение давления наружного воздуха, например в самолете, вызывает неприятное ощущение - "закладывает уши". Оно объясняется прогибом барабанной перепонки из-за разницы между атмосферным давлением и давлением в полости среднего уха. При глотании слуховая труба открывается и давление по обе стороны барабанной перепонки выравнивается.

В среднем ухе расположены три маленькие, последовательно связанные между собой косточки: молоточек, наковальня и стремя. Молоточек, соединенный с барабанной перепонкой, передает ее колебания сначала на наковальню, а затем усиленные колебания передаются на стремя. В пластинке, отделяющей полость среднего уха от полости внутреннего уха, два окна, затянутые тонкими перепонками. Одно окно овальное, в него "стучится" стремя, другое - круглое.

За средним ухом начинается внутреннее ухо. Оно расположено в глубине височной кости черепа. Внутреннее ухо представляет собой систему лабиринта и извитых каналов, заполненных жидкостью. В лабиринте находится сразу два органа: орган слуха - улитка и орган равновесия - вестибулярный аппарат. Улитка - эта спирально закрученный костный канал, имеющий у человека два с половиной оборота. Колебания перепонки овального окна передаются жидкости, заполняющей внутреннее ухо. И она, в свою очередь, начинает колебаться с той же частотой. Вибрируя, жидкость раздражает слуховые рецепторы, расположенные в улитке. Канал улитки по всей длине разделен пополам перепончатой перегородкой. Часть этой перегородки состоит из тонкой перепонки - мембраны. На мембране находятся воспринимающие клетки - слуховые рецепторы. Колебания жидкости, заполняющей улитку, раздражают отдельные слуховые рецепторы. В них возникают импульсы, которые передаются по слуховому нерву в головной мозг. На схеме показаны все последовательные процессы превращения звуковой волны в нервную сигнализацию. Слуховое восприятие. В головном мозге происходит различение силы, высоты и характера звука, его местоположения в пространстве. Мы слышим двумя ушами, и это имеет большое значение для определения направления звука. Если звуковые волны приходят одновременно в оба уха, то мы воспринимаем звук посередине (спереди и сзади). Если звуковые волны чуть раньше придут в одно ухо, чем в другое, то мы воспринимаем звук либо справа, либо слева.

Звуковой сигнал любой природы может быть описан определенным набором физических характеристик: частота, интенсивность, длительность, временная структура, спектр и др. (Рис. 1). Им соответствуют определенные субъективные ощущения, возникающие при восприятии звуков слуховой системой: громкость, высота, тембр, биения, консонансы-диссонансы, маскировка, локализация-стереоэффект и т.п.

Слуховые ощущения связаны с физическими характеристиками неоднозначно и нелинейно, например, громкость зависит от интенсивности звука, от его частоты, от спектра и т.п.

Еще в прошлом веке был установлен закон Фехнера, подтвердивший, что эта связь нелинейна: "Ощущения пропорциональны отношению логарифмов стимула". Например, ощущения изменения громкости в первую очередь связаны с изменением логарифма интенсивности, высоты - с изменением логарифма частоты и т.д.

Всю звуковую информацию, которую человек получает из внешнего мира (она составляет примерно 25% от общей), он распознает с помощью слуховой системы и работы высших отделов мозга, переводит в мир своих ощущений, и принимает решения, как надо на нее реагировать.

Прежде чем приступить к изучению проблемы, как слуховая система воспринимает высоту тона, коротко остановимся на механизме работы слуховой системы. В этом направлении сейчас получено много новых и очень интересных результатов.

Слуховая система является своеобразным приемником информации и состоит из периферической части и высших отделов слуховой системы. Наиболее изучены процессы преобразования звуковых сигналов в периферической части слухового анализатора.

Периферическая часть

Это акустическая антенна, принимающая, локализующая, фокусирующая и усиливающая звуковой сигнал; - микрофон; - частотный и временной анализатор; - аналого-цифровой преобразователь, преобразующий аналоговый сигнал в двоичные нервные импульсы - электрические разряды.

Общий вид периферической слуховой системы показан на рисунке 2. Обычно периферическую слуховую систему делят на три части: внешнее, среднее, и внутреннее ухо.

Внешнее ухо состоит из ушной раковины и слухового канала, заканчивающегося тонкой мембраной, называемой барабанной перепонкой. Внешние уши и голова - это компоненты внешней акустической антенны, которая соединяет (согласовывает) барабанную перепонку с внешним звуковым полем. Основные функции внешних ушей - бинауральное (пространственное) восприятие, локализация звукового источника и усиление звуковой энергии, особенно в области средних и высоких частот. Слуховой канал представляет собой изогнутую цилиндрическую трубку длиной 22,5 мм, которая имеет первую резонансную частоту порядка 2,6 кГц, поэтому в этой области частот он существенно усиливает звуковой сигнал, и именно здесь находится область максимальной чувствительности слуха. Барабанная перепонка - тонкая пленка толщиной 74 мкм, имеет вид конуса, обращенного острием в сторону среднего уха. На низких частотах она движется как поршень, на более высоких - на ней образуется сложная система узловых линий, что также имеет значение для усиления звука.

Среднее ухо - заполненная воздухом полость, соединенная с носоглоткой евстахиевой трубой для выравнивания атмосферного давления. При изменении атмосферного давления воздух может входить или выходить из среднего уха, поэтому барабанная перепонка не реагирует на медленные изменения статического давления - спуск-подъем и т.п. В среднем ухе находятся три маленькие слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко. Молоточек прикреплен к барабанной перепонке одним концом, вторым он соприкасается с наковальней, которая при помощи маленькой связки соединена со стремечком. Основание стремечка соединено с овальным окном во внутреннее ухо.

Среднее ухо выполняет следующие функции: согласование импеданса воздушной среды с жидкой средой улитки внутреннего уха; защита от громких звуков (акустический рефлекс); усиление (рычаговый механизм), за счет которого звуковое давление передаваемое во внутреннее ухо, усиливается почти на 38 дБ по сравнению с тем, которое попадает на барабанную перепонку.

Внутреннее ухо находится в лабиринте каналов в височной кости, и включает в себя орган равновесия (вестибулярный аппарат) и улитку.

Улитка (cochlea) играет основную роль в слуховом восприятии. Она представляет собой трубку переменного сечения, свернутую три раза подобно хвосту змеи. В развернутом состоянии она имеет длину 3,5 см. Внутри улитка имеет чрезвычайно сложную структуру. По всей длине она разделена двумя мембранами на три полости: лестница преддверия, срединная полость и барабанная лестница (Рис. 3). Сверху срединная полость закрыта мембраной Рейсснера, снизу - базилярной мембраной. Все полости заполнены жидкостью. Верхняя и нижняя полости соединены через отверстие у вершины улитки (геликотрему). В верхней полости находится овальное окно, через которое стремечко передает колебания во внутреннее ухо, в нижней полости находится круглое окно, выходящее обратно в среднее ухо. Базилярная мембрана состоит из нескольких тысяч поперечных волокон: длина 32 мм, ширина у стремечка - 0,05 мм (этот конец узкий, легкий и жесткий), у геликотремы - ширина 0,5 мм (этот конец толще и мягче). На внутренней стороне базилярной мембраны находится орган Корти, а в нем - специализированные слуховые рецепторы - волосковые клетки. В поперечном направлении орган Корти состоит из одного ряда внутренних волосковых клеток и трех рядов наружных волосковых клеток. Между ними образуется тоннель. Волокна слухового нерва пересекают тоннель и контактируют с волосковыми клетками.

Слуховой нерв представляет собой перекрученный ствол, сердцевина которого состоит из волокон, отходящих от верхушки улитки, а наружные слои - от нижних ее участков. Войдя в ствол мозга, нейроны взаимодействуют с клетками различных уровней, поднимаясь к коре и перекрещиваясь по пути так, что слуховая информация от левого уха поступает в основном в правое полушарие, где происходит главным образом обработка эмоциональной информации, а от правого уха в левое полушарие, где в основном обрабатывается смысловая информация. В коре основные зоны слуха находятся в височной области, между обоими полушариями имеется постоянное взаимодействие.

Общий механизм передачи звука упрощенно может быть представлен следующим образом: звуковые волны проходят звуковой канал и возбуждают колебания барабанной перепонки. Эти колебания через систему косточек среднего уха передаются овальному окну, которое толкает жидкость в верхнем отделе улитки (лестнице преддверия), в ней возникает импульс давления, который заставляет жидкость переливаться из верхней половины в нижнюю через барабанную лестницу и геликотрему и оказывает давление на перепонку круглого окна, вызывая при этом его смещение в сторону, противоположную движению стремечка. Движение жидкости вызывает колебания базилярной мембраны (бегущая волна) (Рис. 4). Преобразование механических колебаний мембраны в дискретные электрические импульсы нервных волокон происходят в органе Корти. Когда базилярная мембрана вибрирует, реснички на волосковых клетках изгибаются, и это генерирует электрический потенциал, что вызывает поток электрических нервных импульсов, несущих всю необходимую информацию о поступившем звуковом сигнале в мозг для дальнейшей переработки и реагирования.

Высшие отделы слуховой системы (включая слуховые зоны коры), можно рассматривать как логический процессор, который выделяет (декодирует) полезные звуковые сигналы на фоне шумов, группирует их по определенным признакам, сравнивает с имеющимися в памяти образами, определяет их информационную ценность и принимает решение об ответных действиях.

Для нашей ориентации в окружающем мире слух играет такую же роль, как и зрение. Ухо позволяет нам общаться друг с другом при помощи звуков оно имеет специальную чувствительность к звуковым частотам речи. С помощью уха человек улавливает различные звуковые колебания воздуха. Вибрации, которые идут от предмета (источник звука), передаются через воздух играющий роль передатчика звука, улавливаются ухом. Человеческое ухо воспринимает колебания воздуха с частотой от 16 до 20 000 Гц. Вибрации с большей частотой относятся к ультразвуковым, но человеческое ухо их не воспринимает. Способность различать высокие тона с возрастом уменьшается. Способность улавливать звук двумя ушами даёт возможность определять, где он находится. В ухе колебания воздуха преобразуются в электрические импульсы, которые воспринимаются мозгом как звук.

В ухе расположен и орган восприятия движения и положения тела в пространстве - вестибулярный аппарат . Вестибулярная система играет большую роль в пространственной ориентации человека, анализирует и передаёт информацию об ускорениях и замедлениях прямолинейного и вращательного движения, а также при изменении положения головы в пространстве.

Строение уха

Исходя из внешнего строения ухо делится на три части. Первые две части уха, наружное (внешнее) и среднее, проводят звук. Третья часть - внутреннее ухо - содержит слуховые клетки, механизмы для восприятия всех трёх особенностей звука: высоты, силы и тембра.

Наружное ухо - выступающая часть наружного уха называется ушной раковиной , её основу составляет полужёсткая опорная ткань - хрящ. Передняя поверхность ушной раковины имеет сложное строение и непостоянную форму. Она состоит из хряща и фиброзной ткани, за исключением нижней части - дольки (ушной мочки) образованной жировой клетчаткой. В основании ушной раковины имеется передняя, верхняя и задняя ушные мышцы, движения которой ограничены.

Кроме акустической (звукоулавливающей) функции, ушная раковина выполняет защитную роль, предохраняя слуховой проход в барабанную перепонку от вредного воздействия окружающей среды (попадания воды, пыли, сильных воздушных потоков). Как форма, так и величина ушных раковин индивидуальны. Длина ушной раковины у мужчин 50–82 мм и ширина 32–52 мм, у женщин размеры несколько меньше. На маленькой площади ушной раковины представлена вся чувствительность тела и внутренних органов. Поэтому можно использовать её для получения биологически важной информации о состоянии любого органа. Ушная раковина концентрирует звуковые колебания и направляет их в наружное слуховое отверстие.

Наружный слуховой проход служит для проведения звуковых колебаний воздуха от ушной раковины к барабанной перепонке. Наружный слуховой проход имеет длину от 2 до 5 см. его наружная треть образована хрящевой тканью, а внутренние 2/3 - костной. Наружный слуховой проход дугообразно изогнут в верхнее-заднем направлении, и легко выпрямляется при оттягивании ушной раковины вверх и назад. В коже слухового прохода находятся особые железы, выделяющие секрет желтоватого цвета (ушная сера), функция которой: защита кожи от бактериальной инфекции и инородных частиц (попадание насекомых).

Наружный слуховой проход отделяется от среднего уха барабанной перепонкой, всегда втянутой внутрь. Это тонкая соединительно-тканная пластинка, покрытая снаружи многослойным эпителием, а изнутри - слизистой оболочкой. Наружный слуховой проход служит для проведения звуковых колебаний к барабанной перепонке, которая отделяет наружное ухо от барабанной полости (среднего уха).

Среднее ухо , или барабанная полость, представляет собой небольшую заполненную воздухом камеру, которая расположена в пирамиде височной кости и отделена от наружного слухового прохода барабанной перепонкой. Эта полость имеет костные и перепончатую (барабанная перепонка) стенки.

Барабанная перепонка - это малоподвижная мембрана толщиной 0,1 мкм, сплетённая из волокон, которые идут в различных направлениях и неравномерно натянуты в разных участках. Благодаря такому строению барабанная перепонка не имеет собственного периода колебаний, что приводило бы к усилению звуковых сигналов, совпадающих с частотой собственных колебаний. Она начинает колебаться при действии звуковых колебаний, проходящих через наружный слуховой проход. Через отверстие на задней стенке барабанная перепонка сообщается с сосцевидной пещерой.

Отверстие слуховой (евстахиевой) трубы расположено в передней стенке барабанной полости и ведёт в носовую часть глотки. Благодаря этому атмосферный воздух может попадать в барабанную полость. В норме отверстие евстахиевой трубы закрыто. Оно открывается во время глотательных движений или зевания, способствуя выравниванию давления воздуха на барабанную перепонку со стороны полости среднего уха и наружного слухового отверстия, тем самым она предохраняется от разрывов, приводящих к нарушению слуха.

В барабанной полости лежат слуховые косточки . Они имеют очень маленькие размеры и соединяются в цепочку, которая простирается от барабанной перепонки до внутренней стенки барабанной полости.

Самая наружная косточка - молоточек - своей рукояткой соединена с барабанной перепонкой. Головка молоточка соединяется с наковальней, которая подвижно сочленяется с головкой стремени .

Слуховые косточки получили такие названия из-за своей формы. Косточки покрыты слизистой оболочкой. Две мышцы регулируют движение косточек. Соединение косточек такое, что способствует усилению давления звуковых волн на мембрану овального окна в 22 раза, что даёт слабым звуковым волнам приводить в движение жидкость в улитке .

Внутреннее ухо заключено в височной кости и представляет собой систему полостей и каналов, расположенных в костном веществе каменистой части височной кости. В совокупности они формируют костный лабиринт, внутри которого находится перепончатый лабиринт. Костный лабиринт представляет собой костные полости различной формы и состоит из преддверия, трёх полукружных каналов и улитки. Перепончатый лабиринт состоит из сложной системы тончайших перепончатых образований, находящихся в костном лабиринте.

Все полости внутреннего уха заполнены жидкостью. Внутри перепончатого лабиринта - эндолимфа, а жидкость, омывающая перепончатый лабиринт снаружи - перелимфа и по составу схожа со спинно-мозговой жидкостью. Эндолимфа отличается от перелимфы (в ней больше ионов калия и меньше ионов натрия) - несёт положительный заряд по отношению к перелимфе.

Предверие - центральная часть костного лабиринта, которая сообщается со всеми его частями. Сзади от преддверия расположены три костных полукружных канала: верхний, задний и латеральный. Латеральный полукружный канал лежит горизонтально, два других - под прямым углом к нему. Каждый канал имеет расширенную часть - ампулу. Внутри его содержится перепончатая ампула, заполненная эндолимфой. При движении эндолимфы во время изменения положения головы в пространстве раздражаются нервные окончания. По волокнам нерва возбуждение передаётся в головной мозг.

Улитка представляет собой спиральную трубку, образующую два с половиной оборота вокруг конусовидного костного стержня. Она является центральной частью органа слуха. Внутри костного канала улитки располагается перепончатый лабиринт, или улитковый проток, к которому подходят окончания улитковой части восьмого черепного нерва Колебания перилимфы передаются эндолимфе улиткового протока и активизирует нервные окончания слуховой части восьмого черепного нерва.

Преддверно-улитковый нерв состоит из двух частей. Преддверная часть проводит нервные импульсы от преддверия и полукружных каналов к вестибулярным ядрам моста и продолговатого мозга и далее - к мозжечку. Улитковая часть передаёт информацию по волокнам, следующим от спирального (кортиева) органа к слуховым ядрам ствола и далее - через ряд переключений в подкорковых центрах - к коре верхнего отдела височной доли полушария большого мозга.

Механизм восприятия звуковых колебаний

Звуки возникают благодаря колебаниям воздуха и усиливаются в ушной раковиной. Затем звуковая волна проводится по наружному слуховому проходу к барабанной перепонке, вызывая её колебания. Вибрация барабанной перепонки передаётся на цепь слуховых косточек: молоточек, наковальню и стремя. Основание стремени при помощи эластичной связки фиксировано к окну преддверия, благодаря чему колебания передаются на перилимфу. В свою очередь, через перепончатую стенку улиткового протока эти колебания переходят на эндолимфу, перемещение которой вызывает раздражение рецепторных клеток спирального органа. Возникающий при этом нервный импульс следует по волокнам улитковой части преддверно-улиткового нерва в головной мозг.

Перевод воспринимаемых органом слуха звуков как приятных и неприятных ощущений осуществляется в головном мозге. Нерегулярные звуковые волны формируют ощущения шума, а регулярные, ритмичные волны воспринимаются как музыкальные тоны. Звуки распространяются со скоростью 343 км/с при температуре воздуха 15–16ºС.

Улитка является гибкой трубкой, сформированной из трех наполненных жидкостью камер. Жидкость практически несжимаема, так что любое движение подножной пластинки стремени в овальном окне должно сопровождаться движением жидкости в другом месте. На слуховых частотах улитка, наполненная жидкостью, водопровод преддверья, и другие связующие пути между улиткой и спинномозговой жидкостью фактически закрыты, и это отражается на мембране круглого окна, которая обеспечивает подвижность подножной пластинки.

Когда подножная пластинка стремени двигается внутрь, круглое окно отклоняется кнаружи. (Подножная пластинка и круглое окно имеют приблизительно одинаковую объемную скорость, но двигаются в противоположных направлениях). Именно это взаимодействие круглого и овального окон, а также несжимаемость жидкостей улитки определяет важную для стимуляции внутреннего уха роль разницы звукового давления, оказываемого на два улитковых окна.

Улитка разделяется на камеры посредством базилярной мембраны, органа Корти, улиткового протока и мембраны Рейсснера. Механические свойства камер улитки во многом зависят от механических свойств базиллярной мембраны; последняя является узкой, жесткой, толстой у основания и более широкой, подвижной и тонкой на верхушке. По причине того, что жидкость, по сути, несжимаема, движение стремени внутрь вызывает мгновенную передачу движения через жидкости улитки, в результате чего происходит выпячивание круглого окна.

Таким образом, с движением жидкостей , происходит почти мгновенное распределение давления по различным отделам улитки. Реакция разных отделов улитки с их различными механическими свойствами по отношению к распределению давления, приводит к появлению бегущей волны и смещению камер улитки. Максимальное смещение этой волны зависит от тональности и соответствуют определенным участкам, где наблюдается разница в механических свойствах. Высокочастотные звуки продуцируют максимальное смещение вблизи жесткого и толстого основания, в то время как звуки низкой частоты провоцируют максимальное смещение на податливой и тонкой верхушке.

Поскольку волна начинает свой путь от основания к вершине, а также останавливается сразу после места максимального смещения, существует асимметрия в движении разных отделов улитки. Все звуки производят некоторое смещение базальной мембраны, в то время как звуки низких частот провоцируют преимущественное смещение на верхушке. Эта асимметрия влияет на наше восприятие сложных звуков (где низкочастотные звуки могут влиять на возможность нашего восприятия высокочастотных звуков, но не наоборот) и как считается, влияет на чувствительность основания улитки, ответственного за звуки высокой частоты при звуковой травме или пресбиакузисе. Движение внутренних структур улитки стимулирует волосковые клетки кортиева органа, обеспечивая больший стимул при сильном движении.

а) Разность фаз звувковой волны улитковых окон . Как отмечалось ранее, улитка реагирует на разницу звукового давления между окнами улитки, где звуковое давление, оказываемое на овальное окно, является суммой давления, создаваемого системой слуховых косточек и акустического давления в полости среднего уха. Важно понимать каким образом эта разница (важнейший стимул для внутреннего уха) зависит от относительной амплитуды и фазы отдельных звуковых давлений в двух окнах.

При значительной разнице амплитуд звукового давления между овальным и круглым окном (как в здоровом ухе, так и в ухе после успешной тимпанопластики, когда система слуховых косточек усиливает давление, воздействующее на овальное окно) разница фаз имеет незначительный эффект в определении разницы давления в окнах.

Снижение важности фазы при различии магнитуд показано на рисунке ниже, демонстрирующем гипотетическую ситуацию, при которой магнитуда звукового давления овального окна в десять раз (20 дБ) больше чем звуковое давление круглого окна. Диапазон возможных разностей давлений в окнах показан двумя кривыми, одна из которых с амплитудой 9 представляет собой разницу в то время, когда давления окон находятся в фазе (разность фаз 0°) и другой кривой (с амплитудой 11), показывающей разницу давления, когда окно полностью вне фазы (разность фаз 180°). Даже при максимальном эффекте изменения разности фаз две кривые, показанные на рисунке ниже аналогичны по магнитуде, в пределах 2 дБ.

При значительной разнице в магнитуде, около 100 и 1000 (40-60 дБ), возникающей в нормальном ухе и в ушах, которые подверглись успешной тимпанопла-стике, разница в фазе имеет незначительный эффект.

Тем не менее, разность фаз может быть значимой в условиях, когда магнитуды звукового давления в области овального и круглого окон похожи (например, при поражении цепи слуховых косточек). При сходной амплитуде и фазе давления окон возникает тенденция взаимной нейтрализации и создания лишь небольшой разницы давления. С другой стороны, если давления окон имеют схожую амплитуду, но противоположные фазы, они будут потенцировать друг друга, в результате будет возникать разница давления окон, аналогичная магнитуде приложенного давления.

б) Пути звуковой стимуляции внутреннего уха . Вклад среднего уха в разницу давления окон, которая стимулирует внутреннее ухо, может быть разделена на несколько стимулирующих путей. В предыдущем разделе было описано, каким образом система слуховых косточек трансформирует звуковое давление в наружном слуховом проходе, передавая его на овальное окно. Этот путь был назван передачей слуховых косточек, Существует другой механизм, названный акустической передачей, посредством которой среднее ухо может стимулировать внутреннее.

Движение барабанной перепонки в ответ на звук, возникающий в , создает звуковое давление в полости среднего уха. Несколько миллиметров расстояния между окнами улитки служат причинной того, что акустическое звуковое давление на овальном и круглом окнах схожи, но не идентичны. Небольшие различия между магнитудами и фазами звуковых давлений с наружной стороны двух окон приводят к малой, но измеримой разнице звукового давления между ними. В нормальном ухе магнитуда разницы давления, которая обеспечивается акустической передачей, мала и составляет около 60 дБ, что меньше, чем передача через слуховые косточки. Следовательно, передача слуховых косточек доминирует в здоровом среднем ухе, и акустическую передачу можно игнорировать.

Однако, ниже будет показано , что акустическая передача может иметь большое значение в случае дефекта цепи слуховых косточек, возникающего при определенных заболеваниях, а также в ухе, подвергшемся реконструкции.

Звук окружающей среды может также достигать внутреннего уха, посредством вибрации всего тела или головы, так называемой звуковой проводимости тела. Это более общий процесс, чем костная проводимость, при которой вибрация воздействует лишь на сосцевидный отросток. Вызываемые звуком вибрации всего тела и головы могут стимулировать внутреннее ухо:
(1) генерируя давление в наружном слуховом проходе или среднем ухе, посредством оказания давления на их стенки,
(2) продуцируя взаимные движения между слуховыми косточками и внутренним ухом и
(3) непосредственным сдавлением внутреннего уха и его содержимого через сжатие окружающей жидкости и кости.

О роли звукопроводности тела в нормальной слуховой функции известно немногое. Однако измерения потери слуха по причине таких патологических состояний, как врожденная атрезия слухового прохода, предполагают, что все тело может обеспечивать стимулирование внутреннего уха, которое будет на 60 дБ меньше, чем при нормальной работе слуховых косточек.

в) Аудиология костной проводимости . Передаваемая черепу при вибрации кости акустическая энергия (камертон или электромагнитная вибрация аудиометра), приводит в движение базальную мембрану и воспринимается как звук. Клинические тесты костной проводимости проводят для диагностики функции улитки. Механизмы, посредством которых костная вибрация стимулирует внутреннее ухо, были описаны Tonndorf и другими и аналогичны тем, которые ранее описывали проведение звука всем телом. Важно понимать, что все гипотетические механизмы звукопроведения учитывают относительную подвижность между слуховыми косточками и внутренним ухом, а также то, что слышимость при костной проводимости зависит от патологического состояния наружного слухового прохода и среднего уха.

Пение птиц, приятная мелодия, счастливый смех веселого ребенка… Какой была бы наша жизнь без звуков? Не многие задумываются о том, какие сложные механизмы мы носим в своем теле. Наша способность слышать зависит от чрезвычайно сложной, взаимосвязанной и детально спроектированной системы. «Ухо слышащее и глаз видящий - и то и другое создал Господь» (Притчи 20:12). Он не желает, чтобы по поводу авторства этой системы у нас были какие-либо сомнения. Совсем наоборот, Бог хочет, чтобы человек твердо ходил в осознании истинности Сотворения: «Познайте, что Господь есть Бог, и что Он сотворил нас, и мы принадлежим Ему» (Псалом 99:3).

Слух человека устроен так, чтобы улавливать широкий диапазон звуковых волн, превращать их в миллионы электрических импульсов, направляя их далее в мозг для глубокого и быстрого анализа. Все звуки на самом деле "слушаются" мозгом и потом представляются нам как поступающие от внешнего источника. Как же работает система слуха?

Процесс начинается со звука - колебательного движения воздуха - вибрации, при которой к слушателю распространяются импульсы давления воздуха, достигающие, в конце концов, барабанной перепонки. Наше ухо чрезвычайно чувствительно и способно воспринимать изменения давления всего в 0,0000000001 атмосфер.

Ухо состоит из 3-х частей: наружное, среднее и внутреннее. Звук достигает вначале внешнее ухо через воздух, ударяя потом барабанную перепонку. Перепонка передает вибрацию косточкам. Здесь происходит смена способа проведения звука - от воздуха к косточкам. Потом звук переходит к внутреннему уху, где он передается с помощью жидкости. Таким образом, в процессе слуха задействуются 3 способа передачи звука: воздух, кость, жидкость. Давайте детальней их рассмотрим.

Слух человека: путешествие звука

Вначале звук достигает ушных раковин, которые действуют как спутниковые тарелки. (Рис.1) Ушная раковина человека имеет свой неповторимый рельеф из выпуклостей, вогнутостей и канавок, благодаря чему звук поступает от ушной раковины к слуховому каналу по двум путям. Это необходимо для тончайшего акустического и трехмерного анализа, позволяя распознавать направление и источник звука, что важно для языкового общения.

Рис.1 Источник: APP, www.apologeticspress.org

Ушная раковина также усиливает звуковые волны, которые далее входят в слуховой канал - пространство от раковины к барабанной перепонке длиной около 2,5 см и диаметром около 0,7 см. Здесь уже напрямую виден дизайн Господа - наш палец толще слухового канала! В противном случае мы повредили бы слух еще в младенчестве. Этот проход имеет такую форму, что создает резонанс оптимального диапазона.

Еще одной его интересной характеристикой является наличие воска (ушной серы), который постоянно выделяется из 4000 желез. Он имеет антисептические свойства, защищая ухо от бактерий и насекомых. Но как же тогда этот узкий проход постоянно очищается? Господь побеспокоился и об этой детали, создав очистительный механизм.

Оказывается, внутри прохода любые частички двигаются спиралевидно, так как клетки на поверхности слухового канала выстраиваются в форме спирали, направленной наружу. Кроме этого эпидермис (верхний слой кожи) растет там в стороны, а не вверх, как обычно это происходит на коже. Отпадая, он движется спиралевидно наружу к ушной раковине, постоянно унося с собой воск. Без такой системы очистки наше ухо быстро забилось бы.

Слух человека: среднее ухо мастерски решает сложнейшую задачу физики

Вы пытались когда-либо докричаться до человека, находящегося под водой? Это практически невозможно, так как 99,9% звука, идущего по воздуху, отражается водой. Но в нашем ухе звук движется к чувствительным клеткам улитки через жидкость, так как эти клетки не могут находиться в воздухе. Как же решается в нашем ухе эта сложнейшая задача перехода звука от воздуха к жидкости? Нам необходимо согласующее устройство. Эту роль у нас выполняет среднее ухо, состоящее из мембраны, специальных косточек, мышц и нервов. (См. Рис. 2)

Достигнув барабанной перепонки, звук заставляет ее колебаться. Покачиваясь, она приводит в движение молоточек, чья рукоятка прикреплена к перепонке. Молоточек, в свою очередь, вынуждает двигаться следующую косточку, которая называется наковальней. Между ними находится хрящевой сустав, который, как и все остальные суставы, для поддержания работы должен постоянно смазываться. Господь позаботился и об этом - все делается автоматически без нашего участия, так что нам нечего беспокоиться.

Нижняя часть наковальни, выглядящая как ось, передает движение следующей косточке, называемой стремечко (по форме она напоминает стремя). В результате передачи движения, стремечко постоянно толкается. Нижнее овальное основание стремечка напоминает поршень и входит в овальное окно улитки. Этот поршень соединен с овальным окном специальным креплением, прочным, но при этом подвижным, так что поршень двигается взад и вперед в овальном окне.

Барабанная перепонка поразительно чувствительна. Она способна реагировать на вибрацию диаметром всего в один атом водорода! Еще удивительней есть то, что перепонка при этом является живой тканью с кровяными сосудами и нервами. Кровяные клетки в тысячи раз больше атома водорода и при движении в сосудах постоянно колеблют перепонку, но при этом она все равно способна уловить звуковое колебание размером в один атом водорода. Это возможно благодаря чрезвычайно эффективной системе фильтрации шума. После определения даже самого слабого колебания перепонка может вернуться в исходное положение за 5 тысячных секунды. Если бы она не смогла возвращаться в регулярное состояние так быстро, то каждый звук, попадающий в ухо, отдавался бы эхом.

Молоточек, наковальня и стремечко - самые крошечные косточки в нашем теле. И у этих косточек есть мышцы и нервы! Одна мышца прикрепляется сухожилием к рукоятке молоточка, другая - к стремечку. Что же они делают? При громком звуке нужно понижать чувствительность всей системы, чтобы ее не повредить. При резком громком звуке мозг реагирует гораздо быстрее, чем мы успеваем осознать услышанное, при этом он мгновенно вынуждает мышцы сокращаться и притуплять чувствительность. Время реагирования на громкий звук составляет всего лишь около 0,15 секунды.

Определенно, генетические мутации или случайные пошаговые изменения, предлагаемые эволюционистами, не могут быть ответственны за развитие такого сложного механизма. Давление воздуха внутри среднего уха должно быть таким же, как и давление вне барабанной перепонки. Проблема в том, что воздух внутри поглощается телом. Это приводит к понижению давления в среднем ухе и снижению чувствительности перепонки из-за того, что она вдавливается внутрь более высоким внешним давлением воздуха.

Для решения этой проблемы ухо оснащено специальным каналом, известным как евстахиева труба. Это пустая трубочка длиной в 3,5 см, идущая от внутреннего уха к задней части носа и глотки. Она обеспечивает обмен воздуха между средним ухом и окружающей средой. При глотании, зевании и жевании специальные мышцы открывают Евстихееву трубку, впуская внешний воздух. Так обеспечивается равновесие давлений. Нарушения работы трубки приводит к болям, затянувшейся закупорке и даже к кровотечению в ухе. Но как же она возникла изначально, и какие части среднего уха появились первыми? Как они функционировали один без другого? Анализ всех частей уха и важность каждого из них для слуха человека демонстрирует присутствие неснижаемой сложности (весь орган должен был возникнуть как одно целое, иначе он не смог бы функционировать), что мощно свидетельствует о сотворении.

Слух человека: внутреннее ухо: система невероятной сложности

Итак, звук прошел через воздух к барабанной перепонке, и в виде вибрации передался косточкам. Что же дальше? А дальше эти механические движения должны превратиться в электрические сигналы. Это чудо превращения происходит во внутреннем ухе. Внутреннее ухо состоит из улитки и присоединенных к ней нервов. Здесь мы так же наблюдаем очень сложную конструкцию.

Обладание двумя ушами помогает нам вычислять месторасположение звука. Разница во времени достижения звуком ушей может быть всего 20 миллионных секунды, но этого запаздывания достаточно для определения источника звука.

Улитка - это специальный орган внутреннего уха, который устроен в виде лабиринта и наполнен специальной жидкостью (перилимфой). Смотрите Рис.1 и Рис.3. тройное покрытие, которое обеспечивает прочность и герметичность. Это необходимо для тонких процессов, происходящих в ней. Мы помним, что последняя косточка (стремечко) входит в овальное окно улитки (Рис.2 и Рис.3). Получив вибрацию от барабанной перепонки, стремечко двигается в этом окне своим поршнем взад и вперед, создавая колебания давления внутри жидкости. Другими словами, стремечко передает звуковую вибрацию улитке.

Эта вибрация распространяется в жидкости улитки и достигает там специального органа слуха, Кортиева органа. Он и превращает вибрации жидкости в электрические сигналы, которые через нервы идут в мозг. Так как улитка полностью наполнена жидкостью, как же поршню удается входить в нее? Вспомните, как практически невозможно засунуть пробку в полностью наполненную бутылку. Из-за большой плотности жидкости ее трудно сжать.

Оказалось, что внизу улитки есть круглое окно (как задний выход), покрытое гибкой мембраной. Когда поршень стремечка входит в овальное окно, мембрана круглого окна внизу выпячивается под давлением в жидкости. Это похоже на то, если бы у бутылки было резиновое дно, прогибающееся каждый раз при вталкивании пробки. Благодаря такому гениальному устройству облегчения давления стремечко может передавать вибрацию звука к жидкости улитки.

Однако импульсы давления распространяются в жидкости не простым образом. Чтобы понять, как они распространяются, заглянем внутрь лабиринта улитки (См. Рис 3 и Рис. 4). Канал лабиринта состоит из трех каналов - верхний (вестибулярная лестница), нижний (барабанная лестница) и канал посередине (улитковый проток). Они не соединены между собой и идут в лабиринте параллельно.

От поршня давление идет вверх в лабиринте к вершине улитки только по верхнему каналу (а не по всем трем). Там, через специальное соединительное отверстие, давление переходит в нижний канал, который идет по лабиринту обратно вниз и выходит в круглом окне. На рисунке 3 красной стрелкой обозначен путь давления от овального окна вверх по кругу в лабиринте. На вершине давление переходит в другой канал, обозначенный синей стрелкой, и направляется по нему вниз к круглому окну. Но зачем все это? Как это помогает нам слышать?

Дело в том, что посередине двух каналов лабиринта есть третий канал (улитковый проток), также наполненный жидкостью, но отличающейся от жидкости в двух других каналах. Этот средний канал не соединен с двумя другими. Он отделен от верхнего гибкой пластинкой (Рейснерова мембрана), а от нижнего канала - эластичной пластинкой (базилярная мембрана). Проходя по верхнему каналу вверх лабиринта, звук в жидкости колеблет верхнюю пластинку. Идя обратно вниз улитки по нижнему каналу, звук в жидкости колеблет нижнюю пластинку. Таким образом, когда звук идет через жидкость лабиринта вверх улитки и обратно вниз, пластины среднего канала колеблются. После прохода звука их колебание постепенно угасает. Как же колебание пластинок среднего канала обеспечивает нам слух?

Между ними находится наиболее важная часть слуховой системы - Кортиев орган. Он чрезвычайно меленький, но без него мы были бы глухими. Нервные клетки Кортиевого органа превращают колебательные движения пластинок в электрические сигналы. Они называются волосковыми клетками и играют огромную роль. Как же волосковым клеткам Кортиевого органа удается превратить колебание пластинок в электрические сигналы?

Посмотрите на рисунок 4 и 5. Дело в том, что эти клетки находятся в контакте сверху со специальной покровной мембраной Кортиевого органа, которая похожа на твердое желе. На вершине волосковых клеток расположено от 50 до 200 ресничек, называемых стереоцилиями. Они входят в покровную мембрану.

Рис.7

Когда звук идет через лабиринт улитки, пластинки среднего канала колеблются, и это вызывает колебание желеподобной покровной мембраны. А ее движение вызывает колебание стериоцилий волосковых клеток. Колыхание стериоцилий вынуждает волосковые клетки производить электрические сигналы, которые посылаются далее в мозг. Потрясающе, не так ли? Кортиев орган имеет около 20 000 волосковых клеток, которые делятся на внутренние и внешние (Рис.5 и Рис.6). Но как колебание ресничек производит электрические сигналы?

Оказывается, движение стериоцилий вызывает открытие и закрытие специальных ионных каналов на их поверхности (Рис.7). Каналы, открываясь, впускают ионы во внутрь, что изменяет электрический заряд внутри волосковой клетки. Изменения электрического заряда дают возможность волосковой клетке посылать электрические сигналы в мозг. Эти сигналы трактуются мозгом как звук. Проблема в том, что мы должны открывать канал для ионов и закрывать его со скоростью вплоть до самой высокой улавливаемой нами частоты звука - до 20 000 раз в секунду. Что-то должно открывать и закрывать миллионы этих каналов на поверхности ресничек со скоростью до 20 000 раз в секунду. Ученые обнаружили, что для этого к поверхностям стериоцилий прикреплена молекулярная пружина!!! (Рис.7.) Быстро растягиваясь и сжимаясь при колебании ресничек, она и обеспечивает такую высокую скорость открытия и закрытия каналов. Гениальный дизайн!

Слух человека: слушаем на самом деле мозгом

Улитка способна уловить каждый инструмент в оркестре и заметить пропущенную ноту, слышать каждый вздох и разобрать шепот - все с поразительной скоростью дискретизации до 20 000 раз за секунду. Мозг интерпретирует сигналы и определяет частоту, силу и значение сигналов. В то время как большое фортепиано имеет 240 струн и 88 клавиш, внутренне ухо имеет 24 000 "струн" и 20 000 "клавиш", которые позволяют нам слышать невероятное количество и разнообразие звуков.

Описанное выше - это только половина пути, так как самое сложное происходит в мозге, которым мы в действительности и "слышим". Наши уши достаточно чувствительны, чтобы услышать, как перо скользит по одежде, но при этом мы не слышим, как кровь идет через капилляры в нескольких миллиметрах от ушей. Если бы мы постоянно слышали наше дыхание, глотание слюны, каждое сердцебиение, движение суставов и т.д., мы никогда не смогли бы ни на чем сфокусироваться. Наш мозг автоматически приглушает некоторые звуки, в некоторых случаях он их вообще блокирует. Вдохните воздух и посмотрите, сможете ли вы его услышать. Конечно же, сможете, но вы обычно не слышите. За последние 24 часа вы вдохнули примерно 21 000 раз. Слуховая часть мозга человека работает как служба безопасности, слушая каждый звук и говоря, что нам нужно слышать, а что нет. Звуки могут также вызывать воспоминания.

Вывод

Очевидным есть тот факт, что все части уха необходимы для обеспечения слуха человека. Например, если все компоненты будут на месте, но не будет барабанной перепонки, то как звук перейдет к косточкам и улитке? Какой смысл тогда в наличии лабиринта, Кортиевого органа и нервных клеток, если звук к ним даже не дойдет? Если будет все на месте, включая перепонку, но будет отсутствовать "всего лишь" овальное окно или, скажем, жидкость в улитке, то слуха не будет, так как звук не сможет дойти до нервных клеток.

Отсутствие малейшей детали сделает нас глухими, а наличие всей остальной системы - бесполезной. Мало того, каждая "малейшая деталь" в этой цепочка в действительности сама является системой из множества составляющих. Барабанная перепонка, например, состоит из специальной живой ткани, креплений к молоточку, нервов, сосудов и т.д. Улитка - это лабиринт, тройное покрытие, три отдельных канала, разные жидкости, гибкие пластины протока и т.д.

Глупо верить, что такая удивительная сложность произошла случайно в результате пошаговой эволюции. Наблюдаемая сложность системы слуха у человека указывает на историческую реальность сотворения Адама Богом, как об этом и говорит Слово Божье. «Ухо слышащее и глаз видящий - и то и другое создал Господь» (Притчи 20:12).

В следующих выпусках мы продолжим исследование Божьего дизайна человеческого тела. Надеюсь, данная статья помогла вам глубже осознать Его мудрость и Его любовь к вам. «Славлю Тебя, ибо я чудно устроен, и душа моя вполне осознает это» (Псалом 138:13). Воздайте Богу хвалу и благодарность, ведь Он достоин!