Общее представление о работе органа слуха

Звуковые колебания, попадая в ухо, воздействуют на барабанную перепонку, замыкающую наружный слуховой проход. Колебания барабанной перепонки через систему косточек (молоточек, наковальня и стремечко) передаются в заполненную жидкостью полость улитки. Вдоль этой полости расположена перепонка из соединительной ткани – базилярная мембрана. На ней располагается рецепторный аппарат уха – Кортиев орган. Он состоит из рецепторных клеток, которые принято называть волосковыми клетками, потому что на их верхнем конце мембрана образует тонкие выросты, напоминающие волоски. К основаниям волосковых клеток подходят нервные волокна, образующие с клетками синапсы.

Когда под воздействием звука жидкость в улитке колеблется, волоски рецепторных клеток изгибаются. Это механическое воздействие открывает находящиеся в мембране натриевые каналы. Ионы натрия идут в клетку, и на мембране волосковой клетки возникает положительный сдвиг потенциала (рецепторный потенциал). Сдвиг потенциала передаётся через синапс на нервное волокно, в котором возникает уже потенциал действия; этот потенциал действия (нервный импульс) через несколько промежуточных синапсов поступает в слуховой центр коры головного мозга.

Надо заметить, что характер преобразования звуковых сигналов в потенциалы действия несколько отличается для громких и тихих звуков. Волосковые клетки на базальной мембране сгруппированы в двух полосках – внешней и внутренней. Во внутренней полоске рецепторных клеток меньше, и к каждой из них подходит своё нервное волокно. В наружной полоске волосковых клеток во много раз больше, но они объединены в группы по несколько тысяч клеток (рецептивные поля); к каждой группе подходит только одно общее нервное волокно. Такое устройство наружной полоски способствует восприятию очень слабых звуков. Дело в том, что при слабых звуках энергия звуковых колебаний сравнима с энергией беспорядочных тепловых флуктуаций («теплового шума»), и на фоне этого шума слабый звуковой сигнал может потеряться. Однако, между сигналом и шумом есть принципиальная разница. Звуковые колебания, поступающие в орган служа, исходят от одного источника, поэтому они когерентны, то есть попадают во все рецепторы в одинаковой фазе. Шум – это хаотические некогерентные колебания, которые приходят в разные рецепторные клетки в разных (случайных) фазах. В теории колебаний доказывается, что если складываются N одинаковых когерентных колебаний с амплитудой А, то общая амплитуда А_общ равна: А_общ = N.А, а в том случае, когда складываются некогерентные колебания, А_общ = .А

Возьмём для примера приближённые, но вполне реальные значения. Пусть амплитуда рецепторного потенциала от одной клетки 1 мкВ, амплитуда шумового потенциала (тоже от одной клетки) 10 мкВ, и в группе соединено 2 500 волосковых клеток. Для одной клетки шум в 10 раз больше фона; в таких условиях различение звукового сигнала на фоне шума практически невозможно. Для всей группы общий потенциал звукового сигнала будет равен1 мкВ·2500 = 2 500 мкВ = 2,5 мВ, а общий потенциал шума - 10 мкВ· 500 мкВ = 0,5 мВ. Теперь потенциал сигнала в пять раз больше потенциала шума, и такой звук будет уверенно воспринят.

В случае звуков средней и большой громкости амплитуда сигнала много больше амплитуды шума, поэтому нет надобности в объединении рецепторов. В этом случае работают только клетки внутренней полоски.