Дослідники Єльського університету виявили нові кохлеарні режими слуху, які впливають на те, як вухо підсилює звук і обробляє частоти. Фізики Єльського університету виявили складний і раніше невідомий набір «режимів» у людському вусі, які накладають вирішальні обмеження на те, як вухо посилює слабкі звуки, витримує гучні звуки та розрізняє дивовижний діапазон звукових частот. Застосувавши існуючі математичні моделі до загального макету вушної раковини — спіралеподібного органу у внутрішньому вусі — дослідники виявили додатковий рівень складності кохлеї. Їхні висновки дозволяють по-новому зрозуміти надзвичайну здатність і точність людського слуху.
«Ми вирішили зрозуміти, як вухо може налаштуватися на виявлення слабких звуків, не стаючи нестабільним і реагуючи навіть за відсутності зовнішніх звуків», — сказав Бенджамін Махта, доцент кафедри фізики на факультеті мистецтв і науки Єльського університету та один із старших автор нового дослідження в журналі PRX Life . «Але, розбираючись у цьому, ми натрапили на новий набір низькочастотних механічних режимів, які, ймовірно, підтримує равлик».
У людини звук перетворюється в електричні сигнали в вушній раковині. Люди здатні виявляти звуки з частотою в три порядки величини та більш ніж у трильйон разів за потужністю, аж до крихітних коливань повітря.
Подвійна роль волоскових клітин у слуху
Коли звукові хвилі потрапляють у вушну раковину, вони стають поверхневими хвилями, які поширюються вздовж вкритої волосками базилярної мембрани вушної раковини.
«Кожен чистий тон звучить в одній точці вздовж цього спірального органу», — сказав Ашіш Момі, аспірант факультету фізики Вищої школи мистецтв і наук Єльського університету та перший автор дослідження. «Волоскові клітини в цьому місці повідомляють вашому мозку, який тон ви чуєте».
Ці волоски також роблять щось інше: вони діють як механічні підсилювачі, перекачуючи енергію в звукові хвилі, щоб протистояти тертю та допомагати їм досягти бажаного місця призначення. Накачування потрібної кількості енергії — і постійне коригування — має вирішальне значення для точного слуху, кажуть дослідники.
Але це лише один набір режимів слуху в вушній раковині, і це добре задокументовано. Єльська команда виявила другий, розширений набір режимів в органі.
У цих розширених режимах велика частина базилярної мембрани реагує і рухається разом, навіть для одного тону. Ця колективна реакція накладає обмеження на те, як волоскові клітини реагують на вхідний звук і як волоскові клітини перекачують енергію в базилярну мембрану.
Наслідки для дослідження низькочастотного слуху
«Оскільки ці нещодавно відкриті режими демонструють низькі частоти, ми вважаємо, що наші відкриття також можуть сприяти кращому розумінню низькочастотного слуху, який все ще є активною сферою досліджень», — сказала Ізабелла Граф, колишній дослідник Єльського університету, яка зараз працює в Європейська лабораторія молекулярної біології в Гейдельберзі, Німеччина.
Граф і Махта співпрацювали в серії досліджень протягом останніх років, які використовували математичні моделі та концепції статистичної фізики для кращого розуміння біологічних систем, таких як чутливість гадюки до зміни температури та взаємодія між фазами речовини, які вступають у контакт у клітинних мембранах.