Человеческий мозг

Для того, чтобы попять, как именно улитка воспринимает высоту тона, надо в деталях рассмотреть ее строение. Звуковые волны, поступающие в улитку через овальное окно, распространяются в жидкой среде поверх основной пластинки. В некоторых точках звуковая волна передается на противоположную сторону основной пластинки и возвращается назад, к овальному окну, к его нижней части. Здесь, непосредственно под овальным окном, расположена упругая мембрана, которая называется круглым окном. Присутствие этого окна необходимо по той простой причине, что жидкости, в отличие от воздуха, несжимаемы. Если бы жидкость находилась в жестком контейнере, то звуковые волны бы гасли в ней, потому что у молекул воды не было бы места для смещения. Но в действительности дело обстоит так, что, когда подножие стремечка, под действием звуковой волны, вдвигается в улитку, круглое окно выпячивается наружу, освобождая место для смещения жидкости. Когда же стремечко отходит от овального окна, мембрана круглого окна впячивается внутрь.

Согласно одной из теорий, ученые предполагают, что суть дела заключается в том, в какой именно точке происходит передача колебания звуковой волны с верхней части улиткового хода, расположенного над основной пластинкой, в нижнюю часть - барабанную лестницу, расположенную под основной пластинкой. Основная пластинка состоит из приблизительно 24 000 параллельных волокон, расположенных вдоль улитки, занимая всю ее ширину. По мере удаления от подножия стремечка и овального окна пластинка становится шире. В непосредственной близости от овального окна волокна имеют ширину 0,1 мм, а к концу улитки достигают ширины 0,4 мм. Каждое волокно имеет свою естественную частоту колебаний.

Конечно, можно приложить к волокнам колебания любой частоты, но если предоставить волокнам полную свободу, то они с большей амплитудой будут отвечать на колебания своей естественной частоты. В физике это явление называется резонансом. Из двух объектов одинаковой формы больший обладает более низкой естественной частотой колебаний. Следовательно, при продвижении вдоль базальной пластинки она будет отвечать па все более низкие звуки.

Было бы очень соблазнительно думать, что каждый тип f звуковой волны пересекает базальную пластинку в точке, соответствующей наибольшему резонансу. Высокочастотные звуки имеют короткую волну и пересекают основную пластинку вблизи овального окна. Более низкие звуки имеют большую длину волны и более низкую частоту, а следовательно, пересекают базальную пластинку на большем расстоянии от овального окна, более низкие звуки еще дальше и так далее.

В точках, где волны пересекают базальную пластинку, происходит стимуляция волосковых клеток и мозг получает возможность интерпретировать высоту звука по локализации тех волокон, стимуляция которых произошла в ответ на звук той или иной тональности.

Эта теория до того проста, что от нее было очень трудно отказаться. Но накопленные данные все же заставили это сделать. Венгерский физик Георг фон Бекеши провел тонкий эксперимент с искусственной системой, имитирующей все свойства улитки, и нашел, что звуковые волны, пересекающие базальную пластинку, вызывают колебания в ее веществе.

Локализация максимального колебания базальной пластинки - пик волны - зависит от частоты звуковой волны. Чем ниже частота, тем дальше от овального окна располагается пик волны. Стимуляция волосковых клеток происходит именно в месте расположения пика волны. Форма смещения базальной пластинки не очень сильно зависит от высоты тона. Но это очень важно, потому что нервные волокна могут, очевидно, отвечать при этом только на нужную частоту, не реагируя на колебания жидкости в соседних участках улиткового хода. Таким образом, регистрация изменения локализации пика волны происходит с замечательной надежностью. (Кстати, это очень похоже на нашу способность слушать, то есть воспринимать только тот звук, который мы ходим слышать, не обращая внимания на все посторонние звуки. Так, мы можем поддерживать разговор среди общего гомона толпы или на улице, несмотря на шум уличного движения.)

Естественно, любой данный звук составлен из множества звуковых волн различной частоты, и форма общего смещения базальной пластинки может оказаться весьма сложной. Волосковые клетки подвергаются стимуляции в различных участках улитки одновременно, но в разной степени. Сочетание множества стимулов интерпретируется головным мозгом как разнообразие множества тонов разной высоты, которые в совокупности придают звуку определенное «качество». Так, фортепиано и скрипка, звучащие в одной тональности, производят совершенно разное впечатление на слушателя. Звук каждого инструмента состоит из индивидуального набора разнообразных колебаний, хотя доминирующая тональность может быть одинаковой. Скрипка и фортепиано имеют разную форму и поэтому резонируют на разные составляющие звука, при этом скрипка может усиливать частоту А, а фортепиано частоту В или наоборот.