Человеческий мозг. От аксона до нейрона. - Айзек Азимов

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.

В музыкальных звуках составляющие частоты находятся между собой в простых числовых соотношениях. В немузыкальных звуках различные частоты распределены случайным образом. Базальная пластинка улитки может смещаться в ответ на любой звук, независимо от того, музыкальный он или немузыкальный. Однако если составляющие частоты соотносятся друг с другом как простые числа, то мы воспринимаем их как благозвучные гармоничные аккорды и находим такие звуки приятными. Если же частоты не относятся друг к другу как простые целые числа, то мы воспринимаем звук как дисгармоничный и часто находим его неприятным.

Точность, с какой мы различаем между собой звуки разной частоты, и диапазон высот, который мы можем слышать, зависит от числа волосковых клеток улитки и, следовательно, от длины кортиева органа. Ясно, что очень выгодно иметь максимально длинную улитку. Улитка человека имеет в длину полтора дюйма. Во всяком случае, она имела бы такую длину, если ее распрямить. В действительности она свернута в спираль (два с половиной оборота), чтобы занимать меньше места в полости внутреннего уха без ущерба для длины.

Ухо человека может воспринимать звуки в диапазоне частот от 16 циклов в секунду (что соответствует длине волны около 70 футов) до звуков с частотой 25 000 циклов в секунду (что соответствует длине волны около половины дюйма). Г музыке каждое удвоение частоты считают диапазоном, соответствующим одной октаве (от латинского слова ос to — «восемь»), так как в диатонической шкале каждая октава разделяется на семь различных тонов, восьмой тон считают началом следующей октавы). По этой шкале диапазон частот, воспринимаемый человеческим ухом, охватывает десять октав. Широту такого диапазона можно лучше оценить, если вспомнить, что звуковые возможности фортепиано охватывают диапазон в семь с половиной октав.

Ухо не одинаково чувствительно к звукам разной высоты. Наибольшую чувствительность наш слух проявляет в диапазоне от 1000 до 4000 Гц. Этот диапазон соответствует промежутку от си двумя октавами выше средней до си, расположенной еще двумя октавами выше. С возрастом диапазон воспринимаемых звуков уменьшается, особенно на отрезке высоких частот. Дети очень хорошо слышат звуки, которые абсолютно не воспринимает взрослый человек. Установлено, что в возрасте старше сорока лет верхний предел слышимых тонов становится каждый месяц ниже на 13 Гц.

Существуют, конечно, звуки, частоты которых расположены вне пределов восприятия человеческого уха. Ультразвук — это звуковые колебания с частотами выше пределов восприятия, а инфразвук — это колебания с частотами ниже пределов восприятия. Вообще же, чем крупнее животное и чем крупнее его производящие и воспринимающие звук органы, тем более низкие частоты оно производит и слышит по сравнению с более мелкими животными. Трубный рев слона и писк мыши находятся на полюсах этого диапазона частот.

Хотя некоторые животные воспринимают тот широкий диапазон частот, который слышим мы, человек все же является относительно крупным существом. Среди мелких животных легко найти таких, которые легко воспринимают частоты ультразвуковой области. В песнях многих птиц содержатся ультразвуковые составляющие, которые недоступны нашему слуху, и мы не в состоянии в полной мере насладиться пением таких птиц. В писке мышей и летучих мышей тоже есть ультразвуковая составляющая, в последнем случае испускание ультразвуковых колебаний играет очень важную роль, о чем я скажу ниже. Собаки и кошки тоже воспринимают звуки недоступной нам высоты. Например, кошка явственно слышит мышиный писк, который мы едва различаем или даже вовсе не слышим. Собаки же отчетливо слышат поскуливание представителей своего вида, которое представляется нам молчаливой собачьей мимикой.

Воспринимая звук, мы не только слышим его в той или иной мере, но можем также определить направление, откуда он слышен. Мы способны делать это благодаря тому, что располагаем парой ушей. То, что их два, служит не только для эстетики и симметрии. Звук, пришедший с какой-либо стороны, достигает уха, расположенного ближе к источнику этого звука, немного раньше, чем второго уха. Более того, сама голова представляет собой препятствие, которое звук должен преодолеть, прежде чем попасть в «дальнее» ухо. Мозг способен анализировать такую минимальную разницу между временем поступления звуковых волн в разные уши и разницу между интенсивностями этих, по существу, двух различных звуков и па основании анализа дает нам возможность судить о направления, с какого пришел звук. (Жизненный опыт и годы попыток локализовать таким образом источник звука, оттачивают мастерство такого рода и доводят его до подлинного совершенства.)

Наша способность судить о положении источника звука не одинакова для всего диапазона воспринимаемых нами звуковых частот. Волны разной формы по-разному реагируют на встречающиеся на их пути препятствия в зависимости от того, больше это препятствие длины волны звука или меньше ее. Большой предмет, встречаясь с фронтом звуковой волны, стремится отразить ее. Предметы, мелкие в сравнении с длиной звуковой волны, отражают звук в меньшей степени, волна стремится их обогнуть. Чем меньше предмет в сравнении с длиной волны, тем меньшее препятствие этот предмет представляет для распространяющегося звука.

Длина волны большинства звуков, окружающих нас в обыденной жизни, имеет длину около одного ярда, что означает, что такие волны могут легко обходить углы и обычные предметы домашней обстановки. (Такие звуки отражаются только широкими стенами и потолками, а также, что общеизвестно, склонами гор, где мы слышим совершенно замечательное эхо, то есть отраженный звук.) Чем ниже звук, тем легче он обходит такое препятствие, как человеческая голова, и тем меньше он ослабевает, прежде чем достигнуть «дальнего» уха. Таким образом, один из способов локализовать предметы по производимому ими шуму, для нас закрыт. Крайний случай такого эффекта — это величественные звуки органа в нижнем регистре. Эти звуки впечатляют тем, что буквально «охватывают нас со всех сторон». Кажется, что божественная музыка льется на слушателя отовсюду. С другой стороны, для очень высоких звуков наша голова представляет собой почти непреодолимое препятствие, и они угасают, не успев достигнуть «дальнего» уха, что опять-таки лишает нас возможности судить о местоположении источника звука. Действительно, очень трудно определить, в каком углу комнаты поет сверчок.

Использование обоих ушей, бинауральный слух («двумя ушами», лат.) ,не только помогает локализовать источник звука, но и повышает чувствительность к звукам. Уши дополняют друг друга, звук, слышимый обоими ушами, представляется более громким, чем когда его воспринимают одним ухом. Разницу в тональностях двух звуков тоже легче уловить, когда открыты оба уха, чем когда одно из них закрыто.

Эхо тоже можно использовать для локализации препятствия. Так, когда мы проезжаем на машине мимо автомобильной стоянки, то по звуку двигателя машины можем, если внимательно прислушаемся, определить, занято данное место или свободно. В первом случае к шуму нашего двигателя присоединяется эхо, и по контрасту легко можно определить пустое место, где эха, отраженного от стоящего автомобиля, нет. Свободное место можно определить даже с закрытыми глазами. К сожалению, этого нельзя делать, потому на свободном месте может оказаться, допустим, пожарный кран, от которого эхо не отражается. Дело в том, что автомобиль достаточно велик, чтобы отразить звуки, производимые двигателем, а пожарный кран для этого слишком мал. Для того чтобы определить местонахождение предметов меньших, чем автомашина, нужны звуки с меньшей длиной волны и большей частотой. Чем короче волна и выше частота, тем меньший предмет мы можем обнаружить с помощью эха. Очевидно, что в этом отношении ультразвук будет намного эффективнее обычных звуков.