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.

Доктор Говард Гликсмен

Ухо и слух

Успокаивающий звук журчащего ручейка; счастливый смех смеющегося ребенка; нарастающий звук отряда марширующих солдат. Все эти и другие звуки каждый день наполняют наши жизни и являются результатом нашей способности слышать их. Но что же такое на самом деле звук и, каким образом мы можем слышать его? Читайте эту статью, и вы получите ответы на эти вопросы и более того вы поймете, какие логические выводы можно сделать относительно теории макроэволюции.

Звук! О чем речь?

Звук – это ощущение, которое мы испытываем, когда колеблющиеся молекулы окружающей среды (обычно это воздух), ударяются о нашу барабанную перепонку. При нанесении на график этих изменений в давлении воздуха, которые определяются с помощью измерения давления на барабанную перепонку (среднее ухо) по отношению ко времени, образуется форма волны. В общем, чем громче звук, тем больше энергии требуется для его образования, и тем больше диапазон изменения давления воздуха.

Громкость измеряется в децибелах , используя в качестве отправной точки пороговый уровень слуха (то есть такой уровень громкости, который иногда может лишь едва быть услышан человеческим ухом). Шкала измерения громкости логарифмическая, что означает, что любой скачок от одного абсолютного числа к следующему, при условии, что он делиться на десять (и не забывайте, что децибел – это всего лишь одна десятая часть бела), означает увеличение порядка на десять раз. Например, пороговый уровень слуха обозначен как 0, и нормальный разговор происходит приблизительно при 50 децибелах, итак разница громкости составляет 10, возведенная до степени 50, и разделенная на 10, что равно 10 в пятой степени, или сто тысяч раз громкости порогового уровня слуха. Или возьмем, к примеру, звук, который вызывает у вас сильное ощущение боли в ушах и фактически может повредить ухо. Такой звук обычно происходит при амплитуде колебаний приблизительно в 140 децибел; такой звук, как например, взрыв или реактивный самолет, означает такое колебание силы звука, которое в 100 триллион раз превышает пороговый уровень слуха.

Чем меньше расстояние между волнами, то есть чем больше волн вмещается в одной секунде времени, тем больше высота или тем выше частота слышимого звука. Она обычно измеряется в циклах в секунду или герцах (Гц) . Человеческое ухо обычно способно слышать звуки, частота которых колеблется от 20 Гц до 20,000 Гц. Обычный человеческий разговор включает звуки из частотного диапазона от 120 Гц для мужчин, до около 250 Гц для женщин. Нота ‘до’ средней громкости, взятая на пианино, имеет частоту 256 Гц, а нота ‘ля’, взятая на гобое для оркестра, имеет частоту 440 Гц. Человеческое ухо наиболее чувствительно к звукам, которые имеют частоту между 1,000- 3,000 Гц.

Концерт в трех частях

Ухо состоит из трех основных отделов, которые называются внешнее, среднее и внутреннее ухо. Каждый из названных отделов выполняет свою уникальную функцию и является необходимым для того, чтобы мы могли слышать звуки.

Рисунок 2.

1. Наружная часть уха или ушная раковина внешнего уха действует, как ваша собственная антенна спутниковой связи, которая собирает и направляет звуковые волны в наружный слуховой проход (входящий в слуховой канал). Отсюда звуковые волны проходят дальше по каналу и достигают среднего уха, или барабанной перепонки, которая путем втягивания и выталкивания в ответ на эти изменения в давлении воздуха образует маршрут колебания источника звука.
2. Три косточки (слуховые косточки) среднего уха, называются молоточек , который непосредственно соединен с барабанной перепонкой, наковальня и стремя , которое соединено с овальным окном улитки внутреннего уха. Вместе эти косточки участвуют в передаче этих колебаний во внутренне ухо. Среднее ухо заполнено воздухом. С помощью евстахиевой трубы , которая находится сразу за носом, и открывается во время глотания, чтобы пропустить наружный воздух внутрь камеры среднего уха, оно способно поддерживать одинаковое давление воздуха с обеих сторон барабанной перепонки. Также, ухо имеет две скелетные мышцы: мышцы, напрягающие барабанную перепонку и стременные мышцы, которые предохраняют ухо от сильно громких звуков.
3. Во внутреннем ухе, которое состоит из улитки, эти передаваемые колебания проходят через овальное окно , что ведет к образованию волны во внутренних структурах улитки. Внутри улитки расположен Кортиев орган , который является основным органом уха, который способен преобразовывать эти колебания жидкости в нервный сигнал, который затем передается в мозг, где он и обрабатывается.

Итак, это общий обзор. А теперь давайте более подробно рассмотрим каждый из этих отделов.

Что вы говорите?

Очевидно, что механизм слуха начинается во внешнем ухе. Если бы в нашем черепе не было отверстия, которое позволяет звуковым волнам проходить далее к барабанной перепонке, мы бы не имели возможности говорить друг с другом. Может некоторые и хотели бы, чтобы это было именно так! Каким образом это отверстие в черепе, которое называется наружный слуховой проход, могло появиться в результате беспорядочной генетической мутации или случайного изменения? Этот вопрос остается без ответа.

Выявлено, что наружное ухо, или с вашего позволения ушная раковина, является важным отделом локализации звука. Лежащая в основе ткань, которая выстилает поверхность наружного уха и делает её такой эластичной, называется хрящевой и очень похожа на те хрящи, которые обнаруживаются в большинстве связок нашего организма. Если кто-то поддерживает макроэволюционную модель развития слуха, то для того, чтобы объяснить, каким образом клетки, которые способны образовывать хрящи приобрели эту способность, не говоря уже о том, как они после всего этого к несчастью для многих молодых девушек вытянулись из каждой стороны головы, требуется нечто вроде удовлетворительного объяснения.

Те из вас, у кого когда-нибудь была в ухе серная пробка могут оценить тот факт, что, несмотря на то, что они не знают какую пользу приносит эта ушная сера для ушного канала, они конечно рады, что это природное вещество не имеет консистенцию цемента. Более того, те, кто должны общаться с этими несчастными людьми ценят то, что имеют способность повышать громкость своего голоса для того, чтобы производить достаточную энергию звуковой волны, которая должна быть услышана.

Восковидный продукт, обычно называемая ушной серой , представляет собой смесь секретов из различных желез, и содержится во внешнем ушном канале и состоит из материала, в состав которого входят клетки, которые постоянно слущиваются. Этот материал простирается вдоль поверхности слухового канала и образует вещество белого, желтого или коричневого цвета. Ушная сера служит для смазывания наружного слухового прохода и в то же самое время защищает барабанную перепонку от пыли, грязи, насекомых, бактерий, грибков, и всего того, что может попасть в ухо из внешней среды.

Это очень интересно, что ухо имеет свой собственный механизм очищения. Клетки, которые выстилают наружный слуховой канал, расположены ближе к центру барабанной перепонки, далее простираются к стенкам слухового канала и выходят за пределы наружного слухового прохода. На всем пути своего расположения эти клетки покрыты ушным восковидным продуктом, количество которого уменьшается по мере продвижения к наружному каналу. Оказывается, движения челюсти усиливают этот процесс. В действительности вся эта схема похожа на одну большую конвейерную ленту, функцией которой является удаление ушной серы из слухового канала.

Очевидно, что для полного понимания процесса образования ушной серы, её консистенции, благодаря которой мы можем хорошо слышать, и которая одновременно выполняет достаточную защитную функцию, и того, как слуховой канал сам удаляет эту ушную серу, чтобы предотвратить потерю слуха, требуется некое логическое объяснение. Как могли простые постепенные эволюционные новообразования, появившиеся в результате генетической мутации или случайного изменения, быть причиной всех этих факторов и, несмотря на это обеспечить правильное функционирование этой системы на протяжении всего её существования?

Барабанная перепонка состоит из особой ткани, консистенция, форма, крепления, и точное расположение которой позволяют ей находиться в точном месте и выполнять точную функцию. Необходимо учитывать все эти факторы при объяснении того, каким образом барабанная перепонка способна резонировать в ответ на входящие звуковые волны, и таким образом запускать цепную реакцию, которая приводит к колебательной волне внутри улитки. И только потому, что другие организмы имеют отчасти подобные особенности строения, которые позволяют им слышать, само по себе не объясняет того, каким образом появились все эти особенности с помощью ненаправленных природных сил. Здесь мне вспоминается одно остроумное замечание, высказанное Г. K. Честертоном, где он сказал: “Для эволюциониста было бы абсурдно жаловаться и говорить, что для общепризнанно невообразимого Бога просто невероятно сотворить ‘все’ из ‘ничего’, а затем заявить, что то, что ‘ничто’ само превратилось во ‘все’ является более вероятным”. Впрочем, я отклонился от нашей темы.

Правильные колебания

Среднее ухо служит для передачи колебаний барабанной перепонки во внутреннее ухо, где , в которой находится Кортиев орган. Также как сетчатка является “органом глаза” Кортиев орган является настоящим “органом уха”. Поэтому среднее ухо на самом деле является “посредником”, который участвует в слуховом процессе. Как часто бывает в бизнесе, посредник всегда что-то имеет и таким образом уменьшает финансовую эффективность той сделки, которая заключается. Подобным образом, передача колебания барабанной перепонки через среднее ухо приводит к незначительной потере энергии, в результате чего через ухо проводится только 60 % энергии. Однако если бы не энергия, которая распространяется на более большую по размерам барабанную перепонку, которая установлена на более маленьком овальном окне с помощью трех слуховых косточек, вместе с их специфическим уравновешивающим действием, эта передача энергии была бы намного меньше, и нам было бы намного сложнее слышать.

Вырост части молоточка, (первая слуховая косточка), который называется рукоятка , прикреплен прямо к барабанной перепонке. Сам молоточек соединяется со второй слуховой косточкой, наковальней, которая в свою очередь прикреплена к стремечку. Стремечко имеет плоскую часть , которая прикреплена к овальному окну улитки. Как мы уже сказали, уравновешивающие действия этих трех соединенных между собой косточек позволяют передавать колебание в улитку среднего уха.

Обзор двух моих предыдущих разделов, а именно “Гамлет знаком с современной медициной, части I и II”, может позволить читателю увидеть, что необходимо понять относительно самого костеобразования. То, как эти три идеально образованные и взаимосвязанные косточки разместились в точном положении, благодаря которому происходит правильная передача колебания звуковой волны, требует еще одного “такого же” объяснения макроэволюции, на которую мы должны смотреть с недоверием.

Любопытно отметить, что внутри среднего уха расположены две скелетные мышцы, мышцы, напрягающие барабанную перепонку, и стременные мышцы. Мышца, напрягающая барабанную перепонку, прикреплена к рукоятке молоточка и при сокращении она оттягивает барабанную перепонку назад в среднее ухо, таким образом, ограничивая её способность резонировать. Связка стременной мышцы прикреплена к плоской части стремечка и при сокращении она оттягивается от овального окна, таким образом, снижая колебание, которое передается через улитку.

Вместе эти две мышцы рефлексивно пытаются защитить ухо от слишком громких звуков, которые могут вызывать боль и даже повредить его. Время, за которое нервно-мышечная система успевает отреагировать на громкий звук, составляет около 150 миллисекунд, что приблизительно равно 1/6 частям секунды. Поэтому ухо не настолько защищено от внезапных громких звуков, как например звуков артиллерийского огня или взрыва, по сравнению с длительными звуками или шумным окружением.

Опыт свидетельствует о том, что иногда звуки могут причинять боль, также как и слишком яркий свет. Функциональные составляющие части для слуха, такие как барабанная перепонка, слуховые косточки и Кортиев орган, выполняют свою функцию, приходя в движение в ответ на энергию звуковой волны. Слишком сильное движение может вызвать повреждение или боль, также как если вы перенапрягаете локтевые или коленные суставы. Поэтому создается такое впечатление, что ухо имеет своего рода защиту против самоповреждения, которое может произойти при длительных громких звуках.

Обзор трех моих предыдущих разделов, а именно “Не просто для проведения звука, части I, II и III”, в которых говорится о нервно-мышечной функции на бимолекулярном и электрофизиологическим уровнях, позволит читателю лучше понять специфическую сложность механизма, который является естественной защитой от потери слуха. Осталось лишь понять, как эти идеально расположенные мышцы оказались в среднем ухе и стали выполнять ту функцию, которую они выполняют и делают это рефлексивно. Что за генетическая мутация или случайные изменения произошли однажды во времени, которые привели к такому сложному развитию внутри височной кости черепа?

Те из вас, кто бывал на борту самолета и испытывал во время посадки чувство давления на уши, которое сопровождается снижением слуха и ощущением, что вы говорите в пустоту, на самом деле убедились в значимости Евстахиевой трубы (слуховой трубки), которая расположена между средним ухом и задней частью носа.

Среднее ухо представляет собой закрытую, заполненную воздухом камеру, в которой давление воздуха на все стороны барабанной перепонки должно быть равным для того, чтобы обеспечивать достаточную подвижность, которая называется растяжимостью барабанной перепонки . Растяжимость определяет, насколько легко двигается барабанная перепонка при раздражении звуковыми волнами. Чем выше растяжимость, тем легче барабанной перепонке резонировать в ответ на звук, и соответственно чем ниже растяжимость, тем труднее она движется назад и вперед и, следовательно, порог, при котором можно услышать звук повышается, то есть звуки должны быть громче для того, чтобы их можно было услышать.

Воздух в среднем ухе обычно поглощается телом, что приводит к снижению давления воздуха в среднем ухе и уменьшению растяжимости барабанной перепонки. Это происходит в результате того, что вместо того, чтобы оставаться в правильном положении, барабанная перепонка выталкивается в среднее ухо внешним давлением воздуха, которое действует на наружный слуховой канал. Все это является результатом того, что внешнее давление выше, чем давление в среднем ухе.

Евстахиева труба соединяет среднее ухо с задней частью носа и глоткой.

Во время глотания, зевания или жевания, усилиями действия связанных мышц Евстахиева труба открывается, благодаря чему внешний воздух входит и проходит в среднее ухо и замещает тот воздух, который был поглощен телом. Таким образом, барабанная перепонка может поддерживать свою оптимальную растяжимость, что обеспечивает нам достаточный слух.

Теперь давайте вернемся к самолету. Находясь на высоте 35,000 футов, давление воздуха с обеих сторон барабанной перепонки одинаковое, хотя абсолютный объем меньше, чем таковой был бы на уровне моря. Важным здесь является не само давление воздуха, которое действует на обе стороны барабанной перепонки, а то, что независимо от того, какое давление воздуха действует на барабанную перепонку, с обеих сторон оно одинаковое. Когда самолет начинает снижаться, внешнее давление воздуха в салоне начинает подниматься и сразу же действует на барабанную перепонку через внешний слуховой канал. Единственным способом исправить это неравновесие воздушного давления через барабанную перепонку является способность открывать Евстахиеву трубу для того, чтобы впустить новую порцию внешнего давления воздуха. Обычно это происходит при жевании жевательной резинки или сосании леденца, и глотании, именно тогда происходит действие усилия на трубу.

Скорость, при которой происходит снижение самолета, и быстро меняющиеся повышения давления воздуха, заставляют некоторых людей ощущать заложенность в ушах. Кроме того, если у пассажира простуда или он недавно переболел, если у него проблемы с горлом или насморк, их Евстахиева труба может не работать во время этих изменений давления и они могут ощущать сильную боль, длительную заложенность и изредка сильное кровоизлияние в среднее ухо!

Но на этом нарушение функционирования Евстахиевой трубы не заканчивается. Если кто-либо из пассажиров страдает хроническими заболеваниями, со временем эффект вакуума в среднем ухе может вывести жидкость из капилляров, что может привести (если не обратиться к врачу) к состоянию под названием экссудативный отит . Это заболевание можно предупредить и оно лечится с помощью миринготомии и введения трубок . Отоларинголог-хирург делает маленькую дырочку в барабанной перепонке и вставляет трубочки для того, чтобы жидкость, которая находиться в среднем ухе, могла вытекать наружу. Эти трубочки заменяют Евстахиеву трубу до тех пор, пока причина возникновения такого состояния не устранится. Таким образом, эта процедура сохраняет соответствующий слух и предотвращает повреждения внутренних структур среднего уха.

Это замечательно, что современная медицина способна решить некоторые из этих проблем при нарушении функционирования Евстахиевой трубы. Но сразу же всплывает вопрос: как изначально появилась эта труба, какие части среднего уха образовались первыми, и как эти части функционировали без всех остальных необходимых частей? Размышляя об этом разве можно думать о многоэтапном развитии на основе так доселе и не известных генетических мутаций или случайного изменения?

Внимательное рассмотрение составляющих частей среднего уха и их абсолютная необходимость для осуществления достаточно слуха, так необходимого для выживания, показывает, что перед нами система, которая представляет неснижаемую сложность. Но ничего из того, что мы до сих пор рассматривали, не может дать нам способность слышать. Во всей этой головоломке есть один основной компонент, который необходимо рассмотреть, и который сам по себе является примером неснижаемой сложности. Этот замечательный механизм берет колебания из среднего уха и преобразовывает их в нервный сигнал, который поступает в мозг, где затем и обрабатывается. Этим основным компонентом является сам звук.

Система проведения звука

Нервные клетки, которые отвечают за передачу сигнала к мозгу для слуха, расположены в “Кортиевом органе”, который находится в улитке. Улитка состоит из трех, связанных между собой трубчатых канала, которые приблизительно в два с половиной раза свернуты в катушку.

(смотрите рисунок 3). Верхние и нижние каналы улитки окружены костью и называются лестница преддверия (верхний канал) и соответственно барабанная лестница (нижний канал). В обоих этих каналах находится жидкость, называемая перилимфа. Состав ионов натрия (Na+) и калия (K+) этой жидкости очень напоминает состав других внеклеточных жидкостей (вне клеток), то есть они имеют высокую концентрацию ионов Na+ и низкую концентрацию ионов K+ в отличие от внутриклеточных жидкостей (внутри клеток).

Рисунок 3.

Каналы сообщаются между собой на верхушке улитки через маленькое отверстие, называемое геликотрема.

Средний канал, который входит в мембранную ткань, называется средняя лестница и состоит из жидкости, называемой эндолимфа. Эта жидкость имеет уникальное свойство, так как является единственной внеклеточной жидкостью организма с высокой концентрацией ионов K+ и низкой концентрацией ионов Na+. Средняя лестница не связана непосредственно с другими каналами и отделена от лестницы преддверия эластичной тканью, называемой мембрана Рейснера, и от барабанной лестницы эластичной базилярной мембраной (смотрите рисунок 4).

Кортиев орган находится в подвешенном состоянии, подобно мосту над Золотыми Воротами, на базилярной мембране, которая расположена между барабанной лестницей и средней лестницей. Нервные клетки, которые участвуют для образования слуха, называемые волосковые клетки (из-за своих выростов, похожих на волоски), расположены на базилярной мембране, что позволяет нижней части клеток соприкасаться с перилимфой барабанной лестницы (смотрите рисунок 4). Волосоподобные выросты волосковых клеток, известные как стереоцилия, располагаются на верхушке волосковых клеток и таким образом соприкасаются со средней лестницей и эндолимфой, которая содержится внутри ней. Важность этой структуры будет более понятна, когда мы будем обсуждать электрофизиологический механизм, который лежит в основе раздражения слухового нерва.

Рисунок 4.

Кортиев орган состоит примерно из 20,000 таких волосковых клеток, которые размещены на базилярной мембране, покрывающей всю закрученную улитку, и имеет длину 34 мм. Более того, толщина базилярной мембраны меняется от 0.1 мм в начале (в основании) приблизительно до 0.5 мм в конце (на верхушке) улитки. Мы поймем, насколько важна эта особенность, когда будем говорить о высоте или частоте звука.

Давайте вспомним: звуковые волны входят в наружный слуховой канал, где они вызывают резонирование барабанной перепонки при амплитуде и частоте, которые свойственны самому звуку. Внутреннее и внешнее движение барабанной перепонки позволяет колебательной энергии передаваться к молоточку, который соединен с наковальней, которая в свою очередь соединена со стремечком. В идеальных обстоятельствах, давление воздуха на любой стороне барабанной перепонки одинаковое. Благодаря этому, а также способности Евстахиевой трубы пропускать внешний воздух в среднее ухо из задней части носа и горла при зевании, жевании и глотании, барабанная перепонка имеет высокую растяжимость, которая так необходима для движения. Затем колебание передается через стремечко в улитку, проходя через овальное окно. И только после этого запускается слуховой механизм.

Передача колебательной энергии в улитку приводит к образованию волны жидкости, которая должна передаваться через перилимфу в лестницу преддверия улитки. Однако, вследствие того, что лестница преддверия защищена костью и отделена от средней лестницы, не плотной стенкой, а эластичной мембраной, эта колебательная волна также передается посредством мембраны Рейснера в эндолимфу средней лестницы. В результате волна жидкости средней лестницы также заставляет эластичную базилярную мембрану волнообразно колебаться. Эти волны быстро достигают своего максимума, а затем также быстро спадают в области базилярной мембраны в прямой зависимости от частоты звука, который мы слышим. Звуки более высокой частоты вызывают больше движения в основании или более толстой части базилярной мембраны, и более низкая частота звуков вызывает больше движения на вершине или более тонкой части базилярной мембраны, в геликтореме. В результате волна входит в барабанную лестницу через геликторему и рассеивается через круглое окно.

То есть сразу видно, что если базилярная мембрана качается в “бризе” эндолимфатического движения внутри средней лестницы, то подвешенный Кортиев орган, со своими волосковыми клетками, будет прыгать как на батуте в ответ на энергию этого движения волны. Итак, для того, чтобы оценить всю сложность и понять, что же на самом деле происходит для того, чтобы возник слух, читатель должен ознакомиться с функцией нейронов. Если вы еще не знаете, как функционируют нейроны, я рекомендую вам просмотреть мою статью “Не просто для проведения звука, части I и II”, где подробно говорится о функции нейронов.

В состоянии покоя волосковые клетки имеют мембранный потенциал приблизительно 60мВ. Из физиологии нейрона мы знаем, что мембранный потенциал в состоянии покоя существует благодаря тому, что когда клетка не возбуждается ионы K+ покидают клетку через каналы для ионов K+, а ионы Na+ не входят через Na+ ионные каналы. Однако это свойство основывается на том факте, что клеточная мембрана соприкасается с внеклеточной жидкостью, которая обычно имеет мало ионов K+ и насыщена ионами Na+, подобно перилимфе, с которой соприкасается основание волосковых клеток.

Когда действие волны вызывает движение стереоцилии, то есть волосоподобных выростов волосковых клеток, они начинают сгибаться. Движение стереоцилии приводит к тому, что определенные каналы , предназначенные для трансдукции сигналов , и которые очень хорошо пропускают ионы K+, начинают открываться. Поэтому когда на Кортиев орган оказывается скачкоподобное действие волны, которая возникает вследствие колебания при резонансе барабанной перепонки через три слуховые косточки, ионы K+ поступают в волосковую клетку, в результате чего она деполяризуется, то есть её мембранный потенциал становиться менее негативным.

“Но, подождите, – сказали бы вы. – Вы только что рассказали мне все о нейронах, и я понимаю так, что когда каналы для осуществления трансдукции открываются, ионы K+ должны выходить из клетки и вызывать гиперполяризацию, а не деполяризацию”. И вы были бы абсолютно правы, потому что при обычных обстоятельствах, когда определенные ионные каналы открываются для того, чтобы увеличить проходимость этого определенного иона через мембрану, ионы Na+ входят в клетку, а ионы K+ выходят. Это происходит благодаря градиентам относительной концентрации ионов Na+ и ионов K+ через мембрану.

Но нам следует помнить, что наши обстоятельства здесь несколько иные. Верхняя часть волосковой клетки соприкасается с эндолимфой средней лестницы улитки и не соприкасается с перилимфой барабанной лестницы. Перилимфа в свою очередь соприкасается с нижней частью волосковой клетки. Немного раньше в этой статье мы подчеркивали, что эндолимфа имеет уникальную особенность, которая заключается в том, что она является единственной жидкостью, которая находится за пределами клетки и имеет высокую концентрацию ионов K+. Эта концентрация настолько высокая, что когда каналы для осуществления трансдукции, которые пропускают ионы K+, открываются в ответ на движение сгибания стереоцилии, ионы K+ входят в клетку и, таким образом, вызывают её деполяризацию.

Деполяризация волосковой клетки приводит к тому, что в её нижней части потенциалозависимые каналы ионов кальция (Ca++) начинают открываться и пропускать ионы Ca++ в клетку. В результате этого выделяется нейромедиатор волосковой клетки (то есть химический передатчик импульсов между клетками) и раздражает близлежащий нейрон улитки, который в конечном итоге посылает сигнал в мозг.

Частота звука, при которой образуется волна в жидкости, определяет, где вдоль базилярной мембраны волна будет иметь наивысшие точки. Как мы уже говорили, это зависит от толщины базилярной мембраны, в которой более высокие звуки вызывают больше активности в более тонком основании мембраны, а звуки более низкой частоты вызывают больше активности в её более толстой верхней части.

Можно легко увидеть, что волосковые клетки, которые находятся ближе к основанию мембраны, будут максимально реагировать на очень высокие звуки верхней границы человеческого слуха (20,000 гц), а волосковые клетки, которые находятся на противоположной самой верхней части мембраны, будут максимально реагировать на звуки нижней границы человеческого слуха (20 гц).

Нервные волокна улитки иллюстрируют тонотопическую карту (то есть группирования нейронов с близкими частотными характеристиками) в том, что они более чувствительны к определенным частотам, которые в конечном итоге расшифровываются в мозгу. Это означает, что определенные нейроны улитки связаны с определенными волосковыми клетками, и их нервные сигналы в результате передаются в мозг, который затем определяет высоту звука в зависимости от того, на какие волосковые клетки оказывалось раздражение. Более того, было показано, что нервные волокна улитки имеют спонтанную активность, так что когда они раздражаются звуком определенной высоты с определенной амплитудой, это приводит к модуляции их активности, которая в конечном итоге анализируется мозгом и расшифровывается как определенный звук.

В заключение стоит отметить, что волосковые клетки, которые расположены в определенном месте базилярной мембраны, будут максимально сгибаться в ответ на определенную высоту звуковой волны, в результате чего это место на базилярной мембране получает гребень волны. Образовавшаяся в результате деполяризация этой волосковой клетки приводит к тому, что она выделяет нейромедиатор, которые в свою очередь раздражает близлежащий нейрон улитки. Затем нейрон посылает сигнал в мозг (где он расшифровывается) в виде звука, который был услышан при определенной амплитуде и частоте в зависимости от того, какой нейрон улитки послал сигнал.

Учеными было составлено много схем проводящих путей активности этих слуховых нейронов. Существует намного больше других нейронов, которые находятся в соединительных отделах, которые получают эти сигналы, а затем передают их к другим нейронам. В результате сигналы поступают в слуховую кору головного мозга для окончательного анализа. Но до сих пор не известно, каким образом мозг преобразовывает огромное количество этих нейрохимических сигналов в то, что известно нам, как слух.

Препятствия для решения этой проблемы могут быть такими же загадочными и таинственными, как и сама жизнь!

Представленный краткий обзор строения и функционирования улитки уха может помочь читателю подготовиться к вопросам, которые часто задают обожатели теории о том, что все живое на земле возникло в результате действия случайных сил природы без какого-либо разумного вмешательства. Но существуют ведущие факторы, развитие которых должно иметь какое-то правдоподобное объяснение, особенно если принять во внимание абсолютную необходимость этих факторов для функции слуха у людей.

Возможно ли, что эти факторы образовались поэтапно с помощью процессов генетической мутации или случайного изменения? А может быть, каждая из этих частей выполняла какую-то доселе не известную функцию у других многочисленных предков, которые позднее объединились и позволили человеку слышать?

И если предположить, что одно из этих объяснений верное, то, что именно представляли собой на самом деле эти изменения, и каким образом они позволили образоваться такой сложной системе, которая преобразовывает воздушные волны во что-то, что человеческий мозг воспринимает как звук?

1. Развитие трех трубчатых каналов, называемых: преддверие улитки, средняя лестница и барабанная лестница, которые вместе образуют улитку.
2. Наличие овального окна, через которое принимается колебание из стремечка, и круглого окна, которые позволяют действию волны рассеиваться.
3. Наличие мембраны Рейснера, благодаря которой колебательная волна передается в среднюю лестницу.
4. Базилярная мембрана, с её изменяемой толщиной и идеальным расположением между средней лестницей и барабанной лестницей, играет роль в функции слуха.
5. Кортиев орган имеет такое строение и положение на базилярной мембране, которое позволяет ему испытывать пружинный эффект, играющий очень важную роль для человеческого слуха.
6. Наличие волосковых клеток внутри Кортиевого органа, стереоцилия которого также очень важна для человеческого слуха и без которой его бы просто не существовало.
7. Наличие перилимфы в верхней и нижней лестнице и эндолимфы в средней лестнице.
8. Наличие нервных волокон улитки, которые располагаются близко к волосковым клеткам, находящимся в Кортиевом органе.

Заключительное слово

Перед тем, как приступить к написанию этой статьи я взглянул на тот учебник по медицинской физиологии, которым я пользовался ещё в медицинском колледже, 30 лет назад. В том учебнике авторы отмечали уникальное строение эндолимфы по сравнению со всеми другими внеклеточными жидкостями нашего организма. В то время ученые еще не “знали” точной причины этих необычных обстоятельств, и авторы свободно признавали, что хотя и известно, что потенциал действия, который образовывался слуховым нервом, был связан с движением волосковых клеток, как именно это происходило, так никто объяснить не мог. Итак, как же нам из всего этого лучше понять, как работает эта система? А очень просто:

Станет ли кто-нибудь думать во время прослушивания своего любимого музыкального произведения, что звучащие в определенном порядке звуки появились в результате случайного действия сил природы?

Конечно же, нет! Мы понимаем, что эта прекрасная музыка была написана композитором для того, чтобы слушатели смогли насладиться тем, что он создал и понять, какие чувства и эмоции он испытывал в тот момент. Для этого он подписывает авторские рукописи своего произведения, чтобы весь мир знал, кто именно написал его. Если кто-то думает по-другому он просто будет выставлен на посмешище.

Подобным образом, когда вы слушаете каденцию, которая исполняется на скрипках, придет ли кому-нибудь на ум, что звуки музыки, издаваемые на скрипке Страдивари, появились просто в результате случайных сил природы? Нет! Интуиция нам подсказывает, что перед нами талантливый виртуоз, который берет определенные ноты для того, чтобы создать звуки, которые должен услышать и которыми должен насладиться его слушатель. И его желание настолько велико, что его имя наносится на упаковки компакт-дисков, чтобы покупатели, которые знают этого музыканта, покупали их и наслаждались любимой музыкой.

Но как же мы вообще можем слышать музыку, которая исполняется? Неужели эта наша способность появилась с помощью ненаправленных сил природы, как полагают биологи-эволюционисты? А может быть однажды, один разумный Создатель решил явить Себя, и если так, то каким образом мы можем обнаружить Его? Подписал ли Он Свое творение и оставил ли в природе Свои имена, которые могут помочь обратить наше внимание на Него?

Существует множество примеров разумного дизайна внутри человеческого тела, которые были описаны мной за последний год в статьях. Но когда я начал понимать, что движение волосковой клетки приводит к открытию каналов для переноса ионов K+, в результате чего ионы K+ поступают в волосковую клетку и деполяризуют её, я был буквально ошеломлен. Я внезапно осознал, что это и есть такая “подпись”, которую оставил нам Создатель. Перед нами пример того, как разумный Творец открывает Себя людям. И когда человечество думает, что знает все тайны жизни и то, как все появилось, ему стоит остановиться и задуматься, так ли это на самом деле.

Помните, что почти универсальный механизм деполяризации нейронов происходит в результате поступления ионов Na+ из внеклеточной жидкости в нейрон через каналы ионов Na+ после того, как они были достаточно сильно раздражены. Биологи, которые придерживаются эволюционной теории, до сих пор не могут объяснить развитие этой системы. Однако вся система зависит от существования и раздражения каналов ионов Na+ в сочетании с тем, что концентрация ионов Na+ выше за пределами клетки, чем внутри. Так работают нейроны нашего организма.

Теперь мы должны понять, что существуют другие нейроны в нашем теле, которые работают с точностью до наоборот. Они требуют, чтобы в клетку для деполяризации входили не ионы Na+, а ионы K+. На первый взгляд может показаться, что это просто невозможно. Ведь все знают, что все внеклеточные жидкости нашего тела содержат небольшое количество ионов K+ по сравнению со внутренней средой нейрона, и поэтому для ионов K+ было бы физиологически невозможно входить в нейрон для того, чтобы вызвать деполяризацию так, как это делают ионы Na+.

То, что однажды считалось “неизвестным” теперь стало совершенно ясным и понятным. Теперь понятно, почему эндолимфа должна обладать таким уникальным свойством, являясь единственной внеклеточной жидкостью организма с высоким содержанием ионов K+ и низким содержанием ионов Na+. Более того она расположена именно в том месте, где и должна располагаться, так что когда канал, через который проходят ионы K+, открывается в мембрану волосковых клеток, происходит их деполяризация. Эволюционно настроенные биологи должны уметь объяснить, как могли появиться эти на вид противоположные условия, и как они могли появиться в определенном месте нашего организма, именно там, где они необходимы. Это также как композитор правильно располагает ноты, а затем музыкант правильно исполняет произведение из этих нот на скрипке. Для меня это – разумный Создатель, который говорит нам: “Видите ли вы ту красоту, которой Я наделил Свое творение?”

Несомненно, для человека, который смотрит на жизнь и на её функционирование через призму материализма и натурализма, идея существования разумного дизайнера является чем-то невозможным. Тот факт, что все вопросы, которые я задавал относительно макроэволюции в этой и других моих статьях, вряд ли будут иметь в будущем правдоподобные ответы, кажется, вовсе не пугает или даже не волнует защитников теории о том, что вся жизнь образовалась в результате естественного отбора, который влиял на случайные изменения.

Как искусно заметил Вильям Дембски в своей работе The Design Revolution : “Дарвинисты используют свое непонимание в работах о ‘невыявленном’ дизайнере не как поправимое заблуждение и не как доказательство того, что способности дизайнера намного превосходят наши способности, но как доказательство того, что нет никакого ‘невыявленного’ дизайнера” .

В следующий раз мы поговорим о том, как наше тело координирует свою мышечную деятельность для того, чтобы мы могли сидеть, стоять и оставаться подвижными: это будет последний выпуск, который посвящен нервно-мышечной функции.

1. Звукопроводящая и звуковоспринимающая части слухового аппарата.

2. Роль наружного уха.

3. Роль среднего уха.

4. Роль внутреннего уха.

5. Определение локализации источника звука в горизонтальной плоскости - бинауральный эффект.

6. Определение локализации источника звука в вертикальной плоскости.

7. Слуховые аппараты и протезы. Тимпанометрия.

8. Задачи.

Слух - восприятие звуковых колебаний, которое осуществляется органами слуха.

4.1. Звукопроводящая и звуковоспринимающая части слухового аппарата

Орган слуха человека представляет собой сложную систему, состоящую из следующих элементов:

1 - ушная раковина; 2 - наружный слуховой проход; 3 - барабанная перепонка; 4 - молоточек; 5 - наковальня; 6 - стремечко; 7 - овальное окно; 8 - вестибулярная лестница; 9 - круглое окно; 10 - барабанная лестница; 11 - улитковый канал; 12 - основная (базилярная) мембрана.

Строение слухового аппарата показано на рис. 4.1.

По анатомическому признаку в слуховом аппарате человека выделяют наружное ухо (1-3), среднее ухо (3-7) и внутреннее ухо (7-13). По выполняемым функциям в слуховом аппарате человека выделяют звукопроводящую и звуковоспринимающую части. Такое деление представлено на рис. 4.2.

Рис. 4.1. Строение слухового аппарата (а) и элементы органа слуха (б)

Рис. 4.2. Схематическое представление основных элементов слухового аппарата человека

4.2. Роль наружного уха

Функционирование наружного уха

Наружное ухо состоит из ушной раковины, слухового прохода (в виде узкой трубки), барабанной перепонки. Ушная раковина играет роль звукоулавливателя, концентрирующего звуковые

волны на слуховом проходе, в результате чего звуковое давление на барабанную перепонку увеличивается по сравнению со звуковым давлением в падающей волне примерно в 3 раза. Наружный слуховой проход вместе с ушной раковиной можно сравнить с резонатором типа трубы. Барабанная перепонка, отделяющая наружное ухо от среднего уха, представляет собой пластинку, состоящую из двух слоев коллагеновых волокон, ориентированных по-разному. Толщина перепонки около 0,1 мм.

Причина наибольшей чувствительности уха в области 3 кГц

Звук поступает в систему через наружный слуховой канал, который является закрытой с одной стороны акустической трубой длиной L = 2,5 см. Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично отражается от барабанной перепонки. В результате происходит интерференция падающей и отраженной волн и образуется стоячая волна. Возникает акустический резонанс. Условия его проявления: длина волны в 4 раза больше длины воздушного столба в слуховом проходе. При этом столб воздуха внутри канала будет резонировать на звук с длиной волны, равной четырем его длинам. В слуховом канале, как в трубе, будет резонировать волна длиной λ = 4L = 4x0,025 = 0,1 м. Частота, на которой возникает акустический резонанс, определяется так: ν = v/λ = 340/(4x0,025) = 3,4 кГц. Этот резонансный эффект объясняет тот факт, что человеческое ухо имеет наибольшую чувствительность на частоте около 3 кГц (см. кривые равной громкости в лекции 3).

4.3. Роль среднего уха

Строение среднего уха

Среднее ухо является устройством, предназначенным для передачи звуковых колебаний из воздушной среды наружного уха в жидкую среду внутреннего уха. Среднее ухо (см. рис. 4.1) содержит барабанную перепонку, овальное и круглое окна, а также слуховые косточки (молоточек, наковальню, стремечко). Оно представляет собой своеобразный барабан (объемом 0,8 см 3), который отделяется от наружного уха барабанной перепонкой, а от внутреннего уха - овальным и круглым окнами. Среднее ухо заполнено воздухом. Любая разность

давлений между наружным и средним ухом приводит к деформации барабанной перепонки. Барабанная перепонка - это воронкообразная мембрана, вдавленная внутрь среднего уха. От нее звуковая информация передается косточкам среднего уха (форма барабанной перепонки обеспечивает отсутствие собственных колебаний, что весьма существенно, так как собственные колебания перепонки создавали бы шумовой фон).

Проникновение звуковой волны через границу «воздух-жидкость»

Для того чтобы понять назначение среднего уха, рассмотрим непосредственный переход звука из воздушной среды в жидкую. На границе раздела двух сред одна часть падающей волны отражается, а другая часть переходит во вторую среду. Доля энергии, перешедшей из одной среды в другую, зависит от величины коэффициента пропускания β (см. формулу 3.10).

То есть при переходе из воздуха в воду уровень интенсивности звука уменьшается на 29 дБ. С энергетической точки зрения такой переход абсолютно неэффективен. По этой причине существует специальный передаточный механизм - система слуховых косточек, которые выполняют функцию согласования волновых сопротивлений воздушной и жидкой сред для уменьшения энергетических потерь.

Физические основы функционирования системы слуховых косточек

Система косточек представляет собой последовательное звено, начало которого (молоточек) связано с барабанной перепонкой внешнего уха, а конец (стремечко) - с овальным окном внутреннего уха (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема распространения звуковой волны от наружного уха через среднее ухо во внутреннее ухо:

1 - барабанная перепонка; 2 - молоточек; 3 - наковальня; 4 - стремечко; 5 - овальное окно; 6 - круглое окно; 7 - барабанный ход; 8 - улиточный ход; 9 - вестибулярный ход

Рис. 4.4. Схематическое представление расположения барабанной перепонки и овального окна: S бп - площадь барабанной перепонки; S оо - площадь овального окна

Площадь барабанной перепонки равна Б бп = 64 мм 2 , а площадь овального окна S оо = 3 мм 2 . Схематически их

взаимное расположение представлено на рис. 4.4.

На барабанную перепонку действует звуковое давление Р 1 , создающее силу

Система косточек работает как рычаг с соотношением плеч

L 1 /L 2 = 1,3, который дает выигрыш в силе со стороны внутреннего уха в 1,3 раза (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Схематическое представление работы системы косточек как рычага

Поэтому на овальное окно действует сила F 2 = 1,3F 1 , создающая в жидкой среде внутреннего уха звуковое давление Р 2 , которое равно

Выполненные расчеты показывают, что при прохождении звука через среднее ухо происходит увеличение уровня его интенсивности на 28 дБ. Потери уровня интенсивности звука при переходе из воздушной среды в жидкую составляют 29 дБ. Общая потеря интенсивности составляет лишь 1 дБ вместо 29 дБ, что имело бы место при отсутствии среднего уха.

Еще одна функция среднего уха - ослабление передачи колебаний в случае звука большой интенсивности. С помощью мышц рефлекторно может быть ослаблена связь между косточками при слишком больших интенсивностях звука.

Сильное изменение давления в окружающей среде (например, связанное с изменением высоты) может вызвать растяжение барабанной перепонки, сопровождающееся болевыми ощущениями, или даже ее разрыв. Для защиты от таких перепадов давления служит небольшая евстахиева труба, которая соединяет полость среднего уха с верхней частью глотки (с атмосферой).

4.4. Роль внутреннего уха

Звуковоспринимающей системой слухового аппарата являются внутреннее ухо и входящая в него улитка.

Внутреннее ухо представляет собой замкнутую полость. Эта полость, называемая лабиринтом, имеет сложную форму и заполнена жидкостью - перилимфой. Она состоит из двух основных частей: улитки, преобразующей механические колебания в электрический сигнал, и полукружия вестибулярного аппарата, обеспечивающего равновесие тела в поле силы тяжести.

Строение улитки

Улитка является полым костным образованием длиной 35 мм и имеет форму конусообразной спирали, содержащей 2,5 завитка.

Сечение улитки показано на рис. 4.6.

По всей длине улитки вдоль нее проходят две перепончатые перегородки, одна из которых называется вестибулярной мембраной, а другая - основной мембраной. Пространство между

Рис. 4.6. Схематическое строение улитки, содержащей каналы: В - вестибулярный; Б - барабанный; У - улитковый; РМ - вестибулярная (рейснерова) мембрана; ПМ - покровная пластина; ОМ - основная (базилярная) мембрана; КО - кортиев орган

ними - улитковый ход - заполнено жидкостью, называемой эндолимфой.

Вестибулярный и барабанный каналы заполнены особой жидкостью - перилимфой. В верхней части улитки они соединяются между собой. Колебания стремечка передаются мембране овального окна, от нее перилимфе вестибулярного хода, а затем через тонкую вестибулярную мембрану - эндолимфе улиточного хода. Колебания эндолимфы передаются основной мембране, на которой находится кортиев орган, содержащий чувствительные волосковые клетки (около 24 000), в которых возникают электрические потенциалы, передаваемые по слуховому нерву в мозг.

Барабанный ход заканчивается мембраной круглого окна, которая компенсирует перемещения перелимфы.

Длина основной мембраны приблизительно равна 32 мм. Она очень неоднородна по своей форме: расширяется и утончается в направлении от овального окна к верхушке улитки. Вследствие этого модуль упругости основной мембраны вблизи основания улитки примерно в 100 раз больше, чем у вершины.

Частотно-избирательные свойства основной мембраны улитки

Основная мембрана является неоднородной линией передачи механического возбуждения. При действии акустического раздражителя по основной мембране распространяется волна, степень затухания которой зависит от частоты: чем меньше частота раздражения, тем дальше от овального окна распространится волна по основной мембране. Так, например, волна с частотой 300 Гц до затухания распространится приблизительно на 25 мм от овального окна, а волна с частотой 100 Гц - приблизительно на 30 мм.

В настоящее время считается, что восприятие высоты тона определяется положением максимума колебаний основной мембраны.

Колебания основной мембраны стимулируют рецепторные клетки, расположенные в кортиевом органе, в результате чего возникают потенциалы действия, передаваемые слуховым нервом в кору головного мозга.

4.5. Определение локализации источника звука в горизонтальной плоскости - бинауральный эффект

Бинауральный эффект - способность устанавливать направление на источник звука в горизонтальной плоскости. Суть эффекта поясняется на рис. 4.7.

Пусть источник звука поочередно располагают в точках А, В и С. Из точки А, находящейся прямо перед лицом, звуковая волна попадает одинаково в оба уха, при этом путь звуковой волны до ушных раковин один и тот же, т.е. для обоих ушей разность хода δ и разность фаз Δφ звуковых волн равны нулю: δ = 0, Δφ = 0. Поэтому приходящие волны имеют одинаковую фазу и интенсивность.

Из точки В звуковая волна приходит в левую и правую ушные раковины в разных фазах и с отличающимися интенсивностями, так как проходит до ушей разное расстояние.

Если источник расположен в точке С, против одной из ушных раковин, то в этом случае разность хода δ можно принять равной расстоянию между ушными раковинами: δ ≈ L ≈ 17 см = 0,17 м. При этом разность фаз Δφ можно рассчитать по формуле: Δφ = (2π/λ) δ. Для частоты ν = 1000 Гц и v « 340 м/с λ = v/ν = 0,34 м. Отсюда получим: Δφ = (2π/λ) δ = (2π/0,340)*0,17 = π. В данном примере волны приходят в противофазе.

Всем реальным направлениям на источник звука в горизонтальной плоскости будут соответствовать разности фаз от 0 до π (от 0

Таким образом, разность фаз и неодинаковость интенсивностей звуковых волн, попадающих в разные уши, обеспечивают бинауральный эффект. Человек с нор-

Рис. 4.7. Различная локализация источника звука (А, В, С) в горизонтальной плоскости: L - расстояние между ушными раковинами

мальным слухом может фиксировать направление на источник звука при разности фаз 6°, что соответствует фиксированию направления на источник звука с точностью до 3°.

4.6. Определение локализации источника звука в вертикальной плоскости

Рассмотрим теперь случай, когда источник звука расположен в вертикальной плоскости, ориентированной перпендикулярно прямой, соединяющей оба уха. В этом случае он одинаково удален от обоих ушей и разности фаз не возникает. Значения интенсивности звука, попадающего в правое и левое ухо, при этом совпадают. На рисунке 4.8 показаны два таких источника (А и С). Различит ли слуховой аппарат эти источники? Да. В данном случае это произойдет благодаря особой форме ушной раковины, которая (форма) способствует определению локализации источника звука.

Звук, исходящий от этих источников, падает на ушные раковины под различными углами. Это приводит к тому, что дифракция звуковых волн на ушных раковинах происходит по-разному. В результате на спектр звукового сигнала, попадающего в наружный слуховой проход, накладываются дифракционные максимумы и минимумы, зависящие от положения источника звука. Эти различия и позволяют определять положение источника звука в вертикальной плоскости. По всей видимости, в результате огромного опыта слушания люди научились ассоциировать различные спектральные характеристики с соответствующими направлениями. Это подтверждается опытными данными. В частности, установлено, что специальным подбором спектрального состава звука ухо можно «обмануть». Так, человек воспринимает звуковые волны, содержащие основную часть энергии в области 1 кГц,

Рис. 4.8. Различная локализация источника звука в вертикальной плоскости

локализованными «сзади» независимо от действительного направления. Звуковая волна с частотами ниже 500 Гц и в области 3 кГц воспринимается локализованной «спереди». Звуковые источники, содержащие большую часть энергии в области 8 кГц, распознаются локализованными «сверху».

4.7. Слуховые аппараты и протезы. Тимпанометрия

Потеря слуха в результате нарушения проведения звука или частичного поражения звуковосприятия может быть компенсирована с помощью слуховых аппаратов-усилителей. В последние годы в этой области происходит большой прогресс, связанный с развитием аудиологии и быстрым внедрением достижений электроакустической аппаратуры на основе микроэлектроники. Созданы миниатюрные слуховые аппараты, работающие в широком частотном диапазоне.

Однако при некоторых тяжелых формах тугоухости и глухоты слуховые аппараты не помогают больным. Это имеет место, например, когда глухота связана с поражением рецепторного аппарата улитки. В этом случае улитка не генерирует электрические сигналы при воздействии механических колебаний. Такие поражения могут быть вызваны неправильной дозировкой лекарственных препаратов, применяемых для лечения заболеваний, совсем не связанных с лор-болезнями. В настоящее время возможна частичная реабилитация слуха и у таких больных. Для этого необходимо имплантировать электроды в улитку и подавать на них электрические сигналы, соответствующие тем, которые возникают при воздействии механического стимула. Такое протезирование основной функции улитки осуществляется с помощью кохлеарных протезов.

Тимпанометрия - метод измерения податливости звукопроводящего аппарата слуховой системы под влиянием аппаратного изменения воздушного давления в слуховом проходе.

Данный метод позволяет оценить функциональное состояние барабанной перепонки, подвижность цепи слуховых косточек, давление в среднем ухе и функцию слуховой трубы.

Рис. 4.9. Определение податливости звукопроводящего аппарата методом тимпанометрии

Исследование начинается с установки зонда с надетым на него ушным вкладышем, который герметично перекрывает слуховой проход в начале наружного слухового прохода. Через зонд в слуховом проходе создается избыточное (+) или недостаточное (-) давление, а затем подается звуковая волна определенной интенсивности. Дойдя до барабанной перепонки, волна частично отражается и возвращается к зонду (рис. 4.9).

Измерение интенсивности отраженной волны позволяет судить о звукопроводящих возможностях среднего уха. Чем больше интенсивность отраженной звуковой волны, тем меньше подвижность звукопроводящей системы. Мерой механической податливости среднего уха является параметр подвижности, измеряемый в условных единицах.

В процессе исследования давление в среднем ухе изменяют от +200 до -200 дПа. При каждом значении давления определяется параметр подвижности. Результатом исследования является тимпанограмма, отражающая зависимость параметра подвижности от величины избыточного давления в слуховом проходе. При отсутствии патологии среднего уха максимум подвижности наблюдается при отсутствии избыточного давления (Р = 0) (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Тимпанограммы при различной степени подвижности системы

Повышенная подвижность свидетельствует о недостаточной упругости барабанной перепонки или о вывихе слуховых косточек. Пониженная подвижность указывает на избыточную жесткость среднего уха, связанную, например, с наличием жидкости.

При патологии среднего уха вид тимпанограммы изменяется

4.8. Задачи

1. Размер ушной раковины равен d = 3,4 см. При какой частоте будут наблюдаться дифракционные явления на ушной раковине? Решение

Явление дифракции становится заметным, когда длина волны сравнима с размерами препятствия или щели: λ ≤ d. При меньших длинах волн или больших частотах дифракция становится незначительной.

λ = v/ν = 3,34, ν = v/d = 334/3,34*10 -2 = 10 4 Гц. Ответ: менее 10 4 Гц.

Рис. 4.11. Основные типы тимпанограмм при патологиях среднего уха: А - отсутствие патологии; В - экссудативный средний отит; С - нарушение проходимости слуховой трубы; D - атрофические изменения барабанной перепонки; Е - разрыв слуховых косточек

2. Определить максимальную силу, действующую на барабанную перепонку уха человека (площадь S = 64 мм 2) для двух случаев: а) порог слышимости; б) порог болевого ощущения. Частоту звука принять равной 1 кГц.

Решение

Звуковые давления, соответствующие порогам слышимости и болевого ощущения равны ΔΡ 0 = 3?10 -5 Па и ΔP m = 100 Па, соответственно. F = ΔΡ*S. Подставив пороговые значения получим: F 0 = 310 -5 ?64?10 -6 = 1,9-10 -9 H; F m = 100? 64-10 -6 = 6,410 -3 H.

Ответ: а) F 0 = 1,9 нН; б) F m = 6,4 мН.

3. Разность хода звуковых волн, приходящих в левое и правое ухо человека, составляет χ = 1 см. Определить сдвиг фаз между обоими звуковыми ощущениями для тона с частотой 1000 Гц.

Решение

Разность фаз, возникающая вследствие разности хода, равна: Δφ = 2πνχ/ν = 6,28x1000x0,01/340 = 0,18. Ответ: Δφ = 0,18.

Представляет собой сложный специализированный орган, состоящий из трех отделов: наружного, среднего и внутреннего уха.

Наружное ухо является звукоулавливающим аппаратом. Звуковые колебания улавливаются ушными раковинами и передаются по наружному слуховому проходу к барабанной перепонке, которая отделяет наружное ухо от среднего. Улавливание звука и весь процесс слушания двумя ушами, так называемый биниуральный слух, имеют значение для определения направления звука. Звуковые колебания, идущие сбоку, доходят до ближайшего уха на несколько десятичных долей секунды (0,0006 с) раньше, чем до другого. Этой предельно малой разницы во времени прихода звука к обоим ушам достаточно, чтобы определить его направление.

Среднее ухо представляет собой воздушную полость, которая через евстахиеву трубу соединяется с полостью носоглотки. Колебания от барабанной перепонки через среднее ухо передают 3 слуховые косточки, соединенные друг с другом, - молоточек, наковальня и стремечко, а последнее через перепонку овального окна передает эти колебания жидкости, находящейся во внутреннем ухе - перилимфе. Благодаря слуховым косточкам амплитуда колебаний уменьшается, а сила их увеличивается, что позволяет приводить в движение столб жидкости во внутреннем ухе. В среднем ухе имеется особый механизм адаптации к изменениям интенсивности звука. При сильных звуках специальные мышцы увеличивают натяжение барабанной перепонки и уменьшают подвижность стремечка. Тем самым снижается амплитуда колебаний, и внутреннее ухо предохраняется от повреждений.

Внутреннее ухо с расположенной в нем улиткой находится в пирамидке височной кости. Улитка у человека образует 2,5 спиральных витка. Улитковый канал разделен двумя перегородками (основной мембраной и вестибулярной мембраной) на 3 узких хода: верхний (вестибулярная лестница), средний (перепончатый канал) и нижний (барабанная лестница). На вершине улитки имеется отверстие, соединяющее верхний и нижний каналы в единый, идущий от овального окна к вершине улитки и далее к круглому окну. Полость их заполнена жидкостью - перилимфой, а полость среднего перепончатого канала заполнена жидкостью иного состава - эндолимфой. В среднем канале расположен звуковоспринимающий аппарат - кортиев орган, в котором находятся рецепторы звуковых колебаний - волосковые клетки.

Механизм восприятия звука. Физиологический механизм восприятия звука основан на двух процессах, происходящих в улитке: 1) разделение звуков различной частоты по месту их наибольшего воздействия на основную мембрану улитки и 2) преобразование рецепторными клетками механических колебаний в нервное возбуждение. Звуковые колебания, поступающие во внутреннее ухо через овальное окно, передаются перилимфе, а колебания этой жидкости приводят к смещениям основной мембраны. От высоты звука зависит высота столба колеблющейся жидкости и, соответственно, место наибольшего смещения основной мембраны. Таким образом, при различных по высоте звуках возбуждаются разные волосковые клетки и разные нервные волокна. Увеличение силы звука приводит к увеличению числа возбужденных волосковых клеток и нервных волокон, что позволяет различать интенсивность звуковых колебаний.
Преобразование колебаний в процесс возбуждения осуществляется специальными рецепторами - волосковыми клетками. Волоски этих клеток погружены в покровную мембрану. Механические колебания при действии звука приводят к смещению покровной мембраны относительно рецепторных клеток и изгибанию волосков. В рецепторных клетках механическое смещение волосков вызывает процесс возбуждений.

Проводимость звука. Различают воздушную и костную проводимость. В обычных условиях у человека преобладает воздушная проводимость: звуковые волны улавливаются наружным ухом, и воздушные колебания передаются через наружный слуховой проход в среднее и внутреннее ухо. В случае костной проводимости звуковые колебания передаются через кости черепа непосредственно улитке. Этот механизм передачи звуковых колебаний имеет значение при погружениях человека под воду.
Человек обычно воспринимает звуки с частотой от 15 до 20 000 Гц (в диапазоне 10-11 октав). У детей верхний предел достигает 22 000 Гц, с возрастом он понижается. Наиболее высокая чувствительность обнаружена в области частот от 1000 до 3000 Гц. Эта область соответствует наиболее часто встречающимся частотам человеческой речи и музыки.

Органы слуха

Процесс включает в себя восприятие, передачу и интерпретацию звука. Ухо улавливает и превращает слуховые волны в нервные импульсы, которые получает и интерпретирует мозг.

В ухе есть много такого, что не видно глазу. То, что мы наблюдаем, только часть внешнего уха - мясисто-хрящевой вырост, иначе говоря, ушная раковина. Внешнее ухо состоит из раковины и ушного канала, заканчивающегося у барабанной перепонки, которая обеспечивает связь между наружным и средним ухом, где располагается слуховой механизм.

Ушная раковина направляет звуковые волны в слуховой канал, наподобие того, как старинная слуховая труба направляла звук в ушную раковину. Канал усиливает звуковые волны и направляет их на барабанную перепонку. Звуковые волны, ударяясь о барабанную перепонку, вызывают вибрацию, передающуюся дальше через три маленькие слуховые косточки: молоточек, наковальню и стремечко. Они вибрируют по очереди, предавая звуковые волны через среднее ухо. Самая внутренняя из этих косточек, стремечко, - самая маленькая кость в организме.

Стремечко, вибрируя, ударяет мембрану, называемую овальным окном. Звуковые волны через нее идут во внутреннее ухо.

Что происходит во внутреннем ухе?

Там идет сенсорная часть слухового процесса. Внутреннее ухо состоит их двух основных частей: лабиринта и улитки. Часть, начинающаяся у овального окна и изгибающаяся наподобие настоящей улитки, действует как переводчик, превращая звуковые колебания в электрические импульсы, которые можно передать в мозг.

Как устроена улитка?

Она заполнена жидкостью, в которой как бы подвешена базилярная (основная) мембрана, напоминающая резиновую ленту, прикрепленную концами к стенкам. Мембрана покрыта тысячами крошечных волосков. У основания этих волосков расположены маленькие нервные клетки. Когда вибрации стремечка задевают овальное окно, жидкость и волоски приходят в движение. Движение волосков стимулирует нервные клетки, которые посылают сообщение, уже в виде электроимпульса, в мозг через слуховой, или акустический, нерв.

Лабиринт - это группа трех взаимосвязанных полукружных каналов, контролирующих чувство равновесия. Каждый канал заполнен жидкостью и расположен под прямым углом к остальным двум. Так что, как бы вы ни двигали головой, один или больше каналов фиксируют это движение и передают информацию в мозг.

Если вам случалось застудить ухо или сильно высморкаться, так что в ухе "щелкает", то появляется догадка - ухо каким-то образом связано с горлом и носом. И это верно. Евстахиева труба напрямую соединяет среднее ухо с ротовой полостью. Ее роль - пропускать воздух внутрь среднего уха, уравновешивая давление по обе стороны барабанной перепонки.

Нарушения и расстройства в любой части уха могут ухудшить слух, если они влияют на прохождение и интерпретацию звуковых колебаний.

Давайте проследим путь звуковой волны. Она попадает в ухо через ушную раковину и направляется по слуховому каналу. Если раковина деформирована или канал перекрыт, затрудняется путь звука к барабанной перепонке и снижается слуховая способность. Если звуковая волна благополучно добралась до барабанной перепонки, а она повреждена, звук может не достичь слуховых косточек. Любое расстройство, не дающее косточкам вибрировать, помешает звуку попасть во внутреннее ухо. Во внутреннем ухе звуковые волны вызывают пульсацию жидкости, приводящую в движение крошечные волоски в улитке. Повреждение волосков или нервных клеток, с которыми они соединены, помешает превращению звуковых колебаний в электрические. Но, когда звук благополучно превратился в электрический импульс, он еще должен достичь мозга. Понятно, что повреждение слухового нерва или мозга скажется на способности слышать.

Отчего же случаются такие расстройства и повреждения?

Причин много, мы еще обсудим их. Но чаще всего виноваты посторонние предметы в ухе, инфекции, болезни ушей, другие болезни, дающие осложнения на уши, травмы головы, ототоксичные (т.е. ядовитые для уха) вещества, изменения атмосферного давления, шум, возрастная дегенерация. Все это вызывает два основных типа потери слуха.

Потеря слуха, причины, лечение, подробнее... http://www.medeffect.ru/lor/#hear

Как мы слышим

Итак, мы рассказали Вам о строении органов речи человека. Вы узнали, как с помощью голосовых связок речь наполняется звуком, а также познакомились с фонемной и дифонной моделями речи.

Наибольший объем информации об окружающем мире человек (и животные) получает через глаза и уши. Наличие пары ушей обеспечивает «стереофонический слух», с помощью которого человек может быстро определять направление на источник звука.

Уши воспринимают колебания воздуха и превращают их в электрические сигналы, поступающие в мозг. В результате обработки по неизвестным нам пока алгоритмам эти сигналы превращаются в образы. Создание таких алгоритмов для компьютеров и есть научная задача, решение которой необходимо для разработки по-настоящему хорошо работающих систем распознавания речи.

В оставшейся части первой главы нам предстоит узнать, как работают органы слуха человека, позволяющие ему слышать речь и различные звуки. Изучение внутреннего уха помогает исследователям понять механизмы, с помощью которых человек способен распознавать речь, хотя это и не так просто. Как мы уже говорили, многие изобретения человек подсматривает у природы. Такие попытки предпринимаются и специалистами в области синтеза и распознавания речи.

Читателей, интересующихся деталями анатомии, мы отправляем к . Там Вы найдете полное описание устройства уха и всевозможные медицинские подробности, далеко выходящие за рамки нашей книги.

Строение уха

Чтобы увидеть внутреннее строение человеческого уха, нужно обратиться к анатомическому атласу. На рис. рис. 1-6 мы показали в разрезе наиболее важные части человеческого уха.

Рис. 1-6. Внутренняя структура уха

Студенты-медики, изучавшие анатомию, хорошо знают, что анатомическое ухо делится на три части:

· наружное ухо;

· среднее ухо;

· внутреннее ухо.

Наружное ухо

Наружное ухо Вы можете изучить самостоятельно при помощи зеркала. Оно состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода.

Функционально наружное ухо предназначено, во-первых, для улавливания и фокусировки звуковых волн (что нужно для улучшения слуха), и, во-вторых, для защиты среднего и внутреннего уха от механических повреждений. Что же касается преобразования звуковых колебаний воздуха в электрические импульсы, то наружное ухо не имеет к этому процессу никакого отношения.

Среднее ухо

Внутреннее строение среднего уха показано на рис. 1-7. Среднее ухо герметично отделено от наружного уха барабанной перепонкой. Таким образом, когда вода попадает к Вам в ухо, она может залить только наружное ухо, но дальше она не пройдет.

Толщина барабанной перепонки всего 0.1 мм, и ее легко повредить. Поэтому относитесь серьезно к советам врачей, и никогда не вставляйте в уши посторонние предметы.

Рис. 1-7. Среднее ухо

Внутренняя область среднего уха, называемая барабанной полостью, соединена при помощи евстахиевой трубы с носоглоткой. Это позволяет поддерживать давление внутри барабанной полости, равному внешнему атмосферному давлению.

Воздух попадает в барабанную полость через евстахиеву трубу, когда человек глотает. Пре резком изменении внешнего давления (например, в самолете) появляется давящее ощущение в ушах. Однако стоит сделать несколько глотков - и проблем исчезнет, так как давление уровняется через евстахиеву трубу.

В барабанной полости находится система так называемых слуховых косточек, состоящая из молоточка, наковальни и стремени. Эти косточки связаны между собой в единую подвижную цепь, состоящую из рычагов.

Задача системы слуховых косточек заключается в передаче звуковых колебаний от барабанной перепонки в область внутреннего уха.

Внутреннее ухо

Внутреннее ухо представляет наибольший интерес для специалистов по распознаванию речи, так как именно оно ответственно за преобразование звуковых колебаний в электрические импульсы.

Внутреннее ухо заполнено жидкостью. Оно состоит из двух частей: вестибулярного аппарата и улитки. Свое название улитка получила из-за своей формы - улитка свернута спирально, наподобие раковины обычной улитки.

Механизм функционирования внутреннего уха достаточно сложен и описан в . Важно, что внутри улитки имеются чувствительные волоски, «подключенные» при помощи нервов к головному мозгу (рис. 1-8).

Рис. 1-8. Чувствительные волоски внутри улитки

Улитка разделена эластичной перегородкой на два канала, заполненных жидкостью. В этой перегородке и находятся упомянутые выше чувствительные волоски и нервы.

Частотный диапазон звуковых колебаний

Согласно , человеческое ухо воспринимает звуковые волны длиной примерно от 1,6 см до 20 м, что соответствует частотному диапазону 16-20 000 Гц. Животные могут слышать звуки более низкой или более высокой частоты. Так, например, дельфинам и летучим мышам доступно общение при помощи ультразвука, а китам - инфразвука. Поэтому человек не слышит весь частотный диапазон звуков, издаваемых этими и некоторыми другими животными.

Что же касается человеческой речи, то ее частотный диапазон 300-4000 Гц. Надо заметить, что разборчивость речи останется вполне удовлетворительной при ограничении этого диапазона до 300-2400 Гц. Когда мы занимались любительской радиосвязью, то добавляли в приемники соответствующие полосовые фильтры, улучшающие прием в условиях помех. Надо сказать, что частотный диапазон обычных телефонных каналов тоже не слишком широкий, однако это не сказывается заметным образом на разборчивость речи.

Сказанное означает, что для улучшения качества распознавания речи компьютерные системы могут исключить из анализа частоты, лежащие вне диапазона 300-4000 Гц или даже вне диапазона 300-2400 Гц.

В ЗДОРОВОЙ КОЖЕ - ЗДОРОВЫЙ СЛУХ.
"Слышал звон - да не знает где он..."