Музыка и мозг

От энергии движения – к электрической энергии

На пути к нервной системе энергия гитарной струны перед тем, как стать электрической энергией, преобразуется сначала в волны в воздухе, затем в механическую энергию, а потом в волны в жидкости. Вот как это происходит.

Когда звуковые волны доходят до барабанной перепонки, она начинает двигаться, как кожа на барабане, когда по нему бьют палочками. Это, в свою очередь, запускает движение косточки, расположенной с внутренней стороны барабанной перепонки, – молоточка, или по-латыни malleus. Молоточек прикреплен еще к одной косточке, которую называют наковальней, или incus. А наковальня крепится к последней слуховой косточке – стремечку, или stapes. Поверхность стремечка – это лишь 1/16 часть поверхности барабанной перепонки. Таким образом, вся энергия переходит с барабанной перепонки в крошечную область – и потому возрастает во много раз. Кроме того, слуховые косточки усиливают звук, поэтому во внутреннем ухе энергия фокусируется еще лучше. Благодаря всему этому механическая энергия звуковой волны переходит во внутреннее ухо более эффективно. Человеческое ухо воспринимает колебания, размер которых не превышает диаметр одного атома водорода (наименьшего из атомов из всех химических элементов). Уму непостижимо! Так же невероятно, что наши уши продолжают работать на рок-концерте или возле работающего двигателя самолета: там уровень звукового давления составляет примерно от 130 до 140 децибел, что по силе в триллион раз превосходит порог слышимости – один децибел.

Косточка, расположенная из перечисленных глубже всего, – стремечко – прикреплена к овальному окну, напрямую связанному с улиткой (cochlea). Улитка – это система каналов, наполненных жидкостью и образующих почти три полноценных витка. Система разделена на три полости, которые, соответственно, называются барабанная лестница, средняя лестница и лестница преддверия. Когда барабанная перепонка в слуховом канале колеблется под воздействием звуковой волны, стремечко бьет по овальному окну, как бы ставя на него печать. Так энергия переходит в волны в жидкости (эндолимфе) во внутреннем ухе. От стремечка ударная волна идет через первый канал, барабанную лестницу, к самой вершине улитки – а затем в следующий канал, лестницу преддверия, к круглому окну. Как и волны в воздухе, волны в эндолимфе имеют разную длину. Представьте, что вы вытряхиваете коврик. Если вы трясете его быстро (с высокой частотой), волны будут короткими и плотными, а если медленно, их длина увеличится.

В улитке есть чувствительные органы, реагирующие на различные частоты колебаний жидкости во внутреннем ухе. Вместе они называются Кортиев орган. Каждый из них состоит из двух слоев так называемых волосковых клеток, прикрепленных к желеобразной текториальной мембране. Параллельно ей вдоль всего канала идет базилярная мембрана. Когда колебания эндолимфы смещают относительно друг друга базилярную и текториальную мембраны, волосковые клетки в Кортиевом органе движутся. Это открывает ионные каналы волосковых клеток и стимулирует соответствующие нервные клетки – они подают электрический сигнал. Нервные клетки всех волосковых клеток Кортиева органа образуют слуховой нерв – он передает сигналы дальше.

Базилярная мембрана настроена следующим образом: у входа она более узкая и натянута сильнее, чем в кончике улитки. Поэтому высокие тоны дают резонанс ближе к выходу – мембрана при этом колеблется, в то время как низкие тоны дают резонанс ближе к вершине, где базилярная мембрана шире и натянута слабее. За каждую частоту отвечает отдельная область мембраны, из-за чего она напоминает клавиатуру: волны, соответствующие высоким, или высокочастотным, тонам, посылают электрические сигналы у входа, а волны, соответствующие глубоким басовым тонам, – на вершине улитки. Позже мы увидим, что такую организацию высоких и низких тонов (она называется тонотопия) можно наблюдать вплоть до самой слуховой коры мозга.

В длину улитка составляет примерно 3,2 см и содержит около от 16 000 до 20 000 волосковых клеток. Они передают информацию в мозг посредством 32 000 нервных волокон, расположенных в слуховом нерве. Для сравнения: в сетчатке глаза около 100 миллионов сенсорных нейронов – от них информация переходит в нервные волокна (их около миллиона) зрительного нерва. Однако разница в цифрах ничего не говорит о том, какие впечатления и эмоции возникают в мозге благодаря этим органам. Спросите любителей музыки, и большинство из них уверенно ответит, что улитка – гораздо более важный орган.