Как звук проходит через ухо
Как звук проходит через ухо
Ухо и различные его части выполняют следующие функции:
• Наружное и среднее ухо участвуют в проведении звука.
• В улитке происходит распределение стимулов.
• Наружные волосковые клетки усиливают сигналы от слабых звуковых колебаний.
• Функция волосковых клеток внутреннего ряда заключается в преобразовании механических колебаний в электрические сигналы.
а) Передача стимула. В наружном слуховом проходе в результате эффекта резонанса порог восприятия звуковых колебаний в диапазоне частот 2000-3000 Гц (основной частотный диапазон человеческой речи) снижается.
Барабанная перепонка воспринимает давление звуковых волн и передает ее на слуховые косточки.
Цепь слуховых косточек ответственна за адаптацию импеданса между средним ухом, которое заполнено воздухом, и внутренним ухом, заполненным жидкостью, и за преобразование давления, которое усиливается в 17 раз. Это связано с тем, что площадь поверхности барабанной перепонки во много раз больше площади основания стремени. Усиление, связанное с несоответствием размеров наковальни и молоточка, образующих наковальне-молоточковый сустав, составляет 1:1,3. Поэтому давление в целом усиливается в 22 раза.
Физическое движение молекул, которое мы воспринимаем как звук, приводит в движение барабанную перепонку. Движение это происходит с той же частотой, что и вибрация воздуха, и с соразмерной амплитудой.
Для нормального проведения звука к внутреннему уху необходимо, чтобы барабанная перепонка имела нормальное расположение и нормальную подвижность, а давление в наружном слуховом проходе и барабанной полости было одинаковым.
Ось, вдоль которой осуществляется движение слуховых косточек.
Наковальне-молоточковый сустав может быть расположен под углом 90° соответственно расположению основания стремени (1).
Само основание стремени может двигаться спереди назад (2) и в латеральном направлении (3).
Наковальне-стременной сустав (4) движется лишь незначительно в латеральном направлении.
Измерение импеданса на уровне барабанной перепонки дает представление о функции звукопроводящего аппарата, и этот метод, известный как импедансная аудиометрия, используется в клинической практике.
Энергия звука достигает улитки как через звукопроводящий аппарат (воздушное проведение), так и через кости черепа, которые начинают вибрировать в акустическом поле. В последнем случае энергия звука передается непосредственно на улитку через капсулу лабиринта (костное проведение).
Для измерения слухового порога при воздушном и костном проведении звука выполняют аудиометрию.
б) Распределение стимулов. Основная функция улитки состоит в механическом частотном анализе, который зависит от гидродинамики улитки. Периодические колебания стремени преобразуются в непериодические колебания, вызывающие движущуюся волну на базилярной мембране.
Поскольку жидкость, содержащаяся во внутреннем ухе, несжимаема, смещение объема на уровне основания стремени приводит к равному смещению объема на уровне круглого окна, которое выпячивается настолько, насколько вдавливается основание стремени. Такое смещение объема, вызываемое периодическими колебаниями основания стремени приводит к смещению улиткового протока (scala media, лестница Левенберга, пространство, ограниченное базилярной мембраной и мембраной Рейсснера и расположенное между лестницей преддверия и барабанной лестницей).
Это начальное смещение приводит к образованию волны, которая движется в направлении отверстия улитки. Это непериодическое колебание, или бегущая волна.
По мере приближения волны к отверстию улитки длина волны уменьшается, но амплитуда возрастает. В какой-то определенной точке амплитуда достигает максимума и затем начинает резко уменьшаться, и, не достигнув отверстия улитки, волна гаснет. Бегущая волна в месте, где она достигает максимальной амплитуды, вызывает колебание покровной и базилярной мембран, влекущее за собой отклонение стереоцилий волосковых клеток, которое служит стимулом для этих механорецепторов.
Частотно-зависимое увеличение амплитуды до максимума вызывает образование соответствующего частотно-зависимого локализованного стимула в сенсорных клетках кортиева органа, расположенных на базилярной мембране в том месте, где волна достигает максимальной амплитуды. Таким образом происходит первичный анализ звука в виде определенных частотных стимулов (дисперсия Бекеши, или теория бегущей волны).
Тонотопическое распределение частоты колебаний улиткового протока означает, что каждой частоте колебаний соответствует определенная точка на базилярной мембране.
Поскольку место, где волна достигает максимальной амплитуды, соответствует месту, в котором кортиев орган возбуждается и тем самым активируются афферентные волокна улиткового нерва, теория бегущей волны является по существу теорией одной точки, предложенной Гельмгольцем. Следовательно, каждая точка базилярной мембраны соответствует определенной частоте колебаний.
в) Усиление механического стимула. Наибольшее отклонение стереоцилий наружных волосковых клеток происходит в том случае, когда колебание достигает максимальной амплитуды.
Под действием силы, давящей на верхушечные связующие микрофиламенты, открываются ионные каналы и изменяется потенциал рецепторов. Наружные волосковые клетки активно вытягиваются и тем самым локально усиливают бегущую волну.
г) Преобразование механического стимула в электрический сигнал. В результате усиление колебаний отклоняются также стереоцилии на внутренних волосковых клетках и открываются их ионные каналы.
Входной кальциевый ток вызывает высвобождение нейромедиатора глутамата, под действием которого афферентные волокна преддверно-улиткового нерва активируются.
г) Отоакустическан эмиссия. Активные сокращения наружных волосковых клеток сопровождаются естественными колебаниями и могут подвергаться искажению. В процессе нормального слухового восприятия улитка испускает слабые звуковые волны определенной частоты. Этот феномен известен как спонтанная отоакустическая эмиссия.
После наружной акустической стимуляции в наружном слуховом проходе можно зарегистрировать вызванную отоакустическую эмиссию.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Строение органа слуха
Ухо человека — один из самых важных органов, который не только позволяет слышать звуки, которые нас окружают, но и помогает сохранять равновесие.
Прежде чем окунуться в строение слуховой системы, посмотрите познавательное видео о том, как работает наш слух, как мы слышим, принимаем и обрабатываем звуковые сигналы.
Из каких частей состоит орган слуха человека
Наружное ухо
Наружное ухо – единственная внешне видимая часть органа слуха. Оно состоит из:
Среднее ухо
Среднее ухо – это заполненная воздухом полость за барабанной перепонкой. Она связана с носоглоткой с помощью евстахиевой трубы, которая выравнивает давление по обе стороны барабанной перепонки. Именно поэтому, если у человека закладывает уши, он рефлекторно начинает зевать или совершать глотательные движения. Так же в среднем ухе находятся самые маленькие кости скелета человека: молоточек, наковальня и стремечко. Они не только отвечают за передачу звуковых колебаний из наружного ухо во внутреннее, но и усиливают их.
Внутреннее ухо
Внутреннее ухо – наиболее сложный отдел слуха, который, в связи с его замысловатой формой, называют так же лабиринтом. Оно состоит из:
Слуховые проводящие пути
Слуховые проводящие пути – это совокупность нервных волокон, отвечающих за передачу нервных импульсов от улитки к слуховым центрам, которые расположены в височных долях головного мозга. Именно там происходит обработка и анализ комплексных звуков, к примеру, речи. Скорость передачи слухового сигнала от наружного уха к центрам мозга примерно 10 милисекунд.
Восприятие звука
Ухо последовательно преобразует звуки в механические колебания барабанной перепонки и слуховых косточек, затем в колебания жидкости в улитке и, наконец, в электрические импульсы, которые по проводящим путям центральной слуховой системы передаются в височные доли мозга для распознавания и обработки.
Получая нервные импульсы, мозг не только преобразует их в звук, но и получает дополнительную, важную для нас информацию. Так мы различаем высоту и громкость звука и интервал времени между моментами улавливания звука правым и левым ухом, что позволяет нам определять направление, по которому приходит звук. При этом мозг анализирует не только информацию, полученную от каждого уха в отдельности, но и объединяет ее в единое ощущение. Кроме того в нашем мозгу хранятся так называемые «шаблоны» знакомых нам звуков, что помогает мозгу быстрее отличить их от незнакомых. При снижении слуха мозг получает искаженную информацию, звуки становятся более тихими и это приводит к ошибкам в их интерпретации. Такие же проблемы могут возникать в результате старения, травм головы и неврологических болезнях. Это доказывает лишь одно: для хорошего слуха важна работа не только органа слуха, но и мозга!
Строение, функции и особенности органа слуха человека
Полезные статьи и актуальная информация от специалистов по слуху «Аудионика»
Ухо человека – сложный орган, который помогает поддерживать связь с внешним миром и дает человеку информацию о его расположении и перемещении в пространстве. Оно состоит из трех отделов: наружного, среднего и внутреннего. Уникальное строение органа слуха обеспечивает: прием, передачу звука и преобразование энергии колебания в нервный импульс.
Строение органа слуха
Звуки окружают человека с самого рождения. Выделяются 3 отдела органа слуха:
Наружное ухо – видимая часть органа. Оно представлено ушной раковиной и наружным слуховым проходом. Раковина – хрящ воронковидной формы, покрытый кожей. На ее поверхности находятся разные образования: ямки, завитки, возвышенности. Они помогают улучшать качество звука, делают его более громким и направляют в слуховой проход.
К раковине присоединяются волокна ушных мышц. В процессе эволюции человек утратил возможность «шевелить ушами», чтобы точнее локализовать звуки, эти мышцы работают у редких «счастливчиков». Кожный покров раковины имеет сальные и потовые железы.
Описывая строение органа слуха, анатомы указывают, что наружная часть канала имеет хрящевые стенки, а контактирующая со средним ухом – костные. Структуры среднего и внутреннего уха располагаются в теле височной кости.
Среднее ухо представлено полостью, объем которой составляет чуть более 1 кубического сантиметра. В ней расположены три маленькие слуховые косточки, которые соединены между собой в цепочку:
Они названы так по своему сходству с предметами обихода. Стремечко соединяется с окном преддверия. Среднее ухо также связано с носоглоткой посредством евстахиевой трубы.
Внутреннее ухо – самое причудливое образование органа слуха человека. Оно состоит из:
Что такое орган слуха и равновесия
Ухо человека отвечает не только за восприятие и дальнейшую передачу звуковой информации. Внутреннее ухо относится к органу слуха и равновесия. Это сложное образование, в котором волна механических колебаний, как морской прибой, распространяется в лимфатической жидкости и колышет отростки нервных клеток, формируя электрический импульс. Этот сигнал несет информацию о громкости, продолжительности, высоте звука в мозг.
Другая часть внутреннего уха – орган равновесия (вестибулярный аппарат). Он состоит из: преддверия, находящихся в нем трех полукружных каналов, маточки и мешочка. Преддверие – полость округлой формы с диаметром около 5 мм. Оно находится между каналами и улиткой. Каналы взаимно перпендикулярны и в месте соединения с преддверием имеют расширения – ампулы. Каналы заполнены эндолимфатической жидкостью.
Маточка и мешочек – поля нервных клеток, которые воспринимают различные раздражения. Смена положения тела регистрируется рецепторами маточки и вызывает рефлекторную реакцию мышц, помогая человеку сохранять равновесие. Вибрация улавливается окончаниями мешочка.
От органа в головной мозг идет преддверно-улитковый нерв.
Функции органа слуха
Говоря о функциях органа слуха, физиологи описывают их в соответствии с анатомическими образованиями. Так для каждого отдела есть свои специфические задачи:
Функции слуха эволюционно тесно связаны с оповещением об опасности и коммуникациями в сообществе. Чтобы надолго сохранить способность слышать долго, необходимо соблюдать простые правила профилактики снижения слуха.
Особенности органа слуха
Органы слуха у человека парные. Что это означает? Человек может слушать одновременно правым и левым ухом. Бинауральный слух дает больше информации о звуке и усиливает его при определенных условиях.
Если источник механических колебаний находится на одинаковом расстоянии от правого и левого уха, громкость сигнала увеличивается на 50%. Значит, при одностороннем нарушении компенсация с помощью слухового аппарата даже небольшой мощности существенно улучшает качество жизни.
Это помогает избегать опасности (например, приближающегося автомобиля) и выделять полезные звуки из всего фонового шума, беседуя с одним человеком в шумном помещении.
При возникновении любых проблем со слухом, необходимо срочно пройти диагностику слуха на профессиональном оборудовании. Если обратиться за помощью вовремя, то появляется шанс на полное восстановление слуха.
Удивительные возможности слуха человека
Особые возможности связаны с адаптацией органа слуха и коркового отдела анализатора при травме, одновременном воздействии нескольких звуковых волн способностью «достраивать» разговор на основе имеющегося опыта.
Развитие височных областей коры мозга происходит постепенно в ответ на сигналы извне. Физиология органа слуха такова, что при повреждении коркового отдела анализатора окружающие нейроны могут взять на себя «обязанности» погибших клеток. Это явление носит название нейропластичность. Ее запас особенно велик у детей в раннем возрасте, что говорит о важности слуховой стимуляции для развития мозга и слуха.
Взрослые люди не обладают такой способностью, но опыт общения позволяет им восполнять информацию, которая теряется при разговоре – например, при плохой телефонной связи, беседе в шуме. Это достигается за счет усиленной работы нейронов височных областей и приводит к быстрому утомлению.
А как реагирует ухо на очень громкие звуки? Доказано, что после воздействия таких сигналов у человека развивается временное снижение слуховой чувствительности. Это так называемое постстимульное утомление. Для полного восстановления требуется до 16 часов. Такой механизм должен защищать орган слуха от повреждения, но люди, долго слушающие громкую музыку, непроизвольно «делают погромче» и вредят здоровью.
Звуки-фантомы – еще один феномен, описывающий работу органа слуха. Порой человек «слышит» низкие звуки, хотя в действительности их нет. Особенность колебаний мембраны улитки приводит к «появлению» звуков низкой частоты, в то время как источника сигнала отсутствует. Такие колебания, особенно громкие, обладают интересной способностью маскировать звуки высокой частоты до их полного исчезновения.
Органы слуха – сложные и хрупкие образования. Внимательное отношение к их состоянию позволит сохранить здоровье и предотвратить развитие ряда тяжелых заболеваний.
Орлова Наталья Михайловна
Более 7000 подобранных и настроенных аппаратов. Участник Международного семинара аудиологов в Дании.
Как звук проходит через ухо
Улитка является гибкой трубкой, сформированной из трех наполненных жидкостью камер. Жидкость практически несжимаема, так что любое движение подножной пластинки стремени в овальном окне должно сопровождаться движением жидкости в другом месте. На слуховых частотах улитка, наполненная жидкостью, водопровод преддверья, и другие связующие пути между улиткой и спинномозговой жидкостью фактически закрыты, и это отражается на мембране круглого окна, которая обеспечивает подвижность подножной пластинки.
Когда подножная пластинка стремени двигается внутрь, круглое окно отклоняется кнаружи. (Подножная пластинка и круглое окно имеют приблизительно одинаковую объемную скорость, но двигаются в противоположных направлениях). Именно это взаимодействие круглого и овального окон, а также несжимаемость жидкостей улитки определяет важную для стимуляции внутреннего уха роль разницы звукового давления, оказываемого на два улитковых окна.
Улитка разделяется на камеры посредством базилярной мембраны, органа Корти, улиткового протока и мембраны Рейсснера. Механические свойства камер улитки во многом зависят от механических свойств базиллярной мембраны; последняя является узкой, жесткой, толстой у основания и более широкой, подвижной и тонкой на верхушке. По причине того, что жидкость, по сути, несжимаема, движение стремени внутрь вызывает мгновенную передачу движения через жидкости улитки, в результате чего происходит выпячивание круглого окна.
Таким образом, с движением жидкостей, происходит почти мгновенное распределение давления по различным отделам улитки. Реакция разных отделов улитки с их различными механическими свойствами по отношению к распределению давления, приводит к появлению бегущей волны и смещению камер улитки. Максимальное смещение этой волны зависит от тональности и соответствуют определенным участкам, где наблюдается разница в механических свойствах. Высокочастотные звуки продуцируют максимальное смещение вблизи жесткого и толстого основания, в то время как звуки низкой частоты провоцируют максимальное смещение на податливой и тонкой верхушке.
Поскольку волна начинает свой путь от основания к вершине, а также останавливается сразу после места максимального смещения, существует асимметрия в движении разных отделов улитки. Все звуки производят некоторое смещение базальной мембраны, в то время как звуки низких частот провоцируют преимущественное смещение на верхушке. Эта асимметрия влияет на наше восприятие сложных звуков (где низкочастотные звуки могут влиять на возможность нашего восприятия высокочастотных звуков, но не наоборот) и как считается, влияет на чувствительность основания улитки, ответственного за звуки высокой частоты при звуковой травме или пресбиакузисе. Движение внутренних структур улитки стимулирует волосковые клетки кортиева органа, обеспечивая больший стимул при сильном движении.
а) Разность фаз звувковой волны улитковых окон. Как отмечалось ранее, улитка реагирует на разницу звукового давления между окнами улитки, где звуковое давление, оказываемое на овальное окно, является суммой давления, создаваемого системой слуховых косточек и акустического давления в полости среднего уха. Важно понимать каким образом эта разница (важнейший стимул для внутреннего уха) зависит от относительной амплитуды и фазы отдельных звуковых давлений в двух окнах.
При значительной разнице амплитуд звукового давления между овальным и круглым окном (как в здоровом ухе, так и в ухе после успешной тимпанопластики, когда система слуховых косточек усиливает давление, воздействующее на овальное окно) разница фаз имеет незначительный эффект в определении разницы давления в окнах.
Снижение важности фазы при различии магнитуд показано на рисунке ниже, демонстрирующем гипотетическую ситуацию, при которой магнитуда звукового давления овального окна в десять раз (20 дБ) больше чем звуковое давление круглого окна. Диапазон возможных разностей давлений в окнах показан двумя кривыми, одна из которых с амплитудой 9 представляет собой разницу в то время, когда давления окон находятся в фазе (разность фаз 0°) и другой кривой (с амплитудой 11), показывающей разницу давления, когда окно полностью вне фазы (разность фаз 180°). Даже при максимальном эффекте изменения разности фаз две кривые, показанные на рисунке ниже аналогичны по магнитуде, в пределах 2 дБ.
При значительной разнице в магнитуде, около 100 и 1000 (40-60 дБ), возникающей в нормальном ухе и в ушах, которые подверглись успешной тимпанопла-стике, разница в фазе имеет незначительный эффект.
Тем не менее, разность фаз может быть значимой в условиях, когда магнитуды звукового давления в области овального и круглого окон похожи (например, при поражении цепи слуховых косточек). При сходной амплитуде и фазе давления окон возникает тенденция взаимной нейтрализации и создания лишь небольшой разницы давления. С другой стороны, если давления окон имеют схожую амплитуду, но противоположные фазы, они будут потенцировать друг друга, в результате будет возникать разница давления окон, аналогичная магнитуде приложенного давления.
Если существует достоверная разница в магнитуде между давлениями на окнах улитки, то разница в фазах не имеет большого значения в определении разницы между двумя звуковыми давлениями.
В представленном конкретном случае звуковое давление у овального окна в 10 раз (20 дБ) больше, чем у круглого окна.
Один цикл волны изменения давления на окнах (PWD) представлен для двух состояний.
Пунктирная линия показывает PWD при совпадении давления на овальном и круглом окне по фазе, в результате пиковая амплитуда изменения давления составляет 9 = 10-1.
Сплошная линия показывает PWD при отсутствии совпадения по фазе, и в результате амплитуда PWD составляет 11 = 10—(—1).
Отметим, что обе разницы пиковых амплитуд различаются менее чем на 2 дБ (20log1011/9= 1,7 дБ), даже при условии, что разница в фазах обусловлена максимальной разницей возможных магнитуд.
Таким образом, в нормальном ухе и в ухе, подвергшемся успешной тимпанопластике, когда звуковое давление на овальном окне больше из-за более значимой проводимости звука по цепи слуховых косточек, разница в фазах звукового давления на овальном и круглом окнах имеет незначительный эффект в определении исхода слуха.
б) Пути звуковой стимуляции внутреннего уха. Вклад среднего уха в разницу давления окон, которая стимулирует внутреннее ухо, может быть разделена на несколько стимулирующих путей. В предыдущем разделе было описано, каким образом система слуховых косточек трансформирует звуковое давление в наружном слуховом проходе, передавая его на овальное окно. Этот путь был назван передачей слуховых косточек, Существует другой механизм, названный акустической передачей, посредством которой среднее ухо может стимулировать внутреннее.
Движение барабанной перепонки в ответ на звук, возникающий в наружном слуховом проходе, создает звуковое давление в полости среднего уха. Несколько миллиметров расстояния между окнами улитки служат причинной того, что акустическое звуковое давление на овальном и круглом окнах схожи, но не идентичны. Небольшие различия между магнитудами и фазами звуковых давлений с наружной стороны двух окон приводят к малой, но измеримой разнице звукового давления между ними. В нормальном ухе магнитуда разницы давления, которая обеспечивается акустической передачей, мала и составляет около 60 дБ, что меньше, чем передача через слуховые косточки. Следовательно, передача слуховых косточек доминирует в здоровом среднем ухе, и акустическую передачу можно игнорировать.
Однако, ниже будет показано, что акустическая передача может иметь большое значение в случае дефекта цепи слуховых косточек, возникающего при определенных заболеваниях, а также в ухе, подвергшемся реконструкции.
Звук окружающей среды может также достигать внутреннего уха, посредством вибрации всего тела или головы, так называемой звуковой проводимости тела. Это более общий процесс, чем костная проводимость, при которой вибрация воздействует лишь на сосцевидный отросток. Вызываемые звуком вибрации всего тела и головы могут стимулировать внутреннее ухо:
(1) генерируя давление в наружном слуховом проходе или среднем ухе, посредством оказания давления на их стенки,
(2) продуцируя взаимные движения между слуховыми косточками и внутренним ухом и
(3) непосредственным сдавлением внутреннего уха и его содержимого через сжатие окружающей жидкости и кости.
О роли звукопроводности тела в нормальной слуховой функции известно немногое. Однако измерения потери слуха по причине таких патологических состояний, как врожденная атрезия слухового прохода, предполагают, что все тело может обеспечивать стимулирование внутреннего уха, которое будет на 60 дБ меньше, чем при нормальной работе слуховых косточек.
Схема путей проводимости по цепи слуховых косточек и акустической проводимости.
Передача слуховых косточек создается движением барабанной перепонки, слуховыми косточками и подножной пластинки стремени.
Акустическая передача возникает из-за звукового давления в среднем ухе, которое создается звуковым давлением наружного слухового прохода и движением барабанной перепонки.
По причине того, что окна улитки пространственно отдалены, звуковые давления в полости среднего уха, воздействующие на овальное и круглое окна (RW), схожи, но не идентичны.
Небольшое отличие между амплитудами фазами давления у двух окон приводит к малой, но измеряемой разнице в звуковом давлении между двумя окнами.
Эта разница называется акустической передачей. В нормальном ухе акустическая передача крайне мала, и ее магнитуда приблизительно на 60 дБ меньше, чем передача по слуховым косточкам.
в) Аудиология костной проводимости. Передаваемая черепу при вибрации кости акустическая энергия (камертон или электромагнитная вибрация аудиометра), приводит в движение базальную мембрану и воспринимается как звук. Клинические тесты костной проводимости проводят для диагностики функции улитки. Механизмы, посредством которых костная вибрация стимулирует внутреннее ухо, были описаны Tonndorf и другими и аналогичны тем, которые ранее описывали проведение звука всем телом. Важно понимать, что все гипотетические механизмы звукопроведения учитывают относительную подвижность между слуховыми косточками и внутренним ухом, а также то, что слышимость при костной проводимости зависит от патологического состояния наружного слухового прохода и среднего уха.
Так называемый эффект окклюзии (легко воспроизводимый закупоркой наружного слухового прохода во время разговора, который приводит к увеличению громкости звука в закупоренном ухе) возникает по причине того, что вибрации стенок ушного канала приводят к увеличению звукового давления в закрытом наружном слуховом проходе. Кроме того, классический феномен нарушения костной проводимости при аудиометрии, известный как зубец Кархарта помогает идентифицировать случаи фиксации подножной пластинки стремени. Механические процессы, лежащие в основе формирования зубца Кархарта до конца не ясны. Таким образом, идея о том, что вибрация черепа оказывает прямое стимулирование улитки, независимо от среднего уха, является не совсем верной.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021