Почему улитка вашего уха закручена?

Исследование учёных из Пекинского университета (КНР) показывает, что долгое время остававшаяся загадочной спиралевидная форма улитки внутреннего уха всё же имеет практический смысл. Согласно проведённому моделированию, именно в закрученной улитке звук распространяется с вариациями в зависимости от высоты его источника.

 

Улитка - это заполненный жидкостью перепончатый канал, образующий два с половиной витка спирали; внутри она делится на три параллельных канала. Это отвечающая за слух часть перепончатого лабиринта, однако длительное время смысл её спиралевидной формы оставался загадкой. Многократно отражаясь от стенок в извилистом канале, звук гасится, и теоретически такая форма слегка ухудшает слух человека.

 

В 1980-е в попытке объяснить странную форму улитки внутреннего уха учёные предполагали, что закручена она для экономии места внутри черепа. На что тут же был приведён контраргумент: а зачем улитка вообще должна быть длинной? Тем более что многие животные с очень хорошим слухом имеют гораздо меньшую длину улитки.

 

В зависимости от угла, под которым находится источник звука выше или ниже уха, интенсивность его восприятия спиралевидной улиткой резко меняется, а будь она прямой, таких колебаний не могло бы быть. (Иллюстрация Xun Huang et al. / EPLA.)



Исследование китайских учёных демонстрирует, что проблемой при предшествующем моделировании улитки было то, что для упрощения вычислений её форму «развёртывали» в прямую, поскольку, как показывали предварительные расчёты, прямая и спиралевидная улитки имеют очень близкую амплитуду механических колебаний, которые являются результатом вибраций, порождённых входящим звуком.

Предыдущие работы приходили к неверным выводам, ибо сосредоточивались на «низкоуровневой», механической реакции улитки на звук. Исследователи обратили внимание на то, что человеческие уши позволяют носителю понять, откуда идёт звук — слева, справа, сверху или снизу. И это очень странно. Ясно, что, когда звук идёт в горизонтальной плоскости, он сначала поступает к одному уху, а затем — к другому. Временной разрыв позволяет выявить сторону, с которой пришёл звук.

Но как быть с идентификацией источника звука в смысле верха-низа? Уши находятся в одной плоскости, и звук прямо сверху или прямо снизу должен быть одинаков. Считается, что эту проблему решают козелок, противокозелок и ушная раковина млекопитающих. Однако проведённые эксперименты с летучей мышью Eptesicus fuscus показали, что сей механизм сомнителен. После удаления у животного козелка (у летучих мышей он развит более, чем у кого бы то ни было) оно сначала снизило свою способность к вертикальной локализации источника звука, но вскоре вновь преспокойно понимало, откуда он исходит — снизу или сверху (и даже с какой высоты), как будто козелок был на месте.

Но как? По мнению китайских исследователей, улитка использует технику, сходную с применяемой в фазированных антенных решётках (ФАР) и позволяющую уловить направление приходящего сигнала. В модели тысячи волосковых сенсорных клеток внутреннего уха внутри 3,5-сантиметровой улитки расценивались как массив датчиков в ФАР. Затем рассматривалось, как этот массив воспринимает звуковое давление в прямой (теоретической) и спиральной (человеческой) улитке.

Оказалось, что диаграммы направленности в прямом и спиральном варианте улитки формируются разные. В прямой улитке вертикальное звуковое давление распространялось свободно, а в спиралевидной на каждом витке ослабевало и давало резко различающиеся величины, что должно обеспечивать довольно эффективную вертикальную локализацию источника звука.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Europhysics Letters, могут быть полезны при проектировании имплантатов уха, пока далёких по эффективности от естественных человеческих ушей, а также для систем эхолокации, анализом перспективных схем которых первоначально и занимались китайские учёные.

Подготовлено по материалам Phys.Org. 

Компьюлента