گوشهای شما اندامهای خارقالعادهای هستند. آنها تمام صداهای اطراف شما را دریافت میکنند و سپس این اطلاعات را به شکلی ترجمه میکنند که مغزتان بتواند آنها را درک کند. یکی از قابلتوجهترین جنبههای این فرایند این است که کاملاً مکانیکی است. حس بویایی، چشایی و بینایی شما همگی شامل واکنشهای شیمیایی هستند، اما سیستم شنوایی شما صرفاً بر اساس حرکت فیزیکی استوار است.
در این مقاله، به سیستمهای مکانیکی که شنوایی را ممکن میسازند، نگاهی خواهیم انداخت. مسیر یک صدا را، از منبع اصلی آن تا مغز شما، دنبال خواهیم کرد تا ببینیم چگونه تمام قسمتهای گوش با هم کار میکنند. وقتی همه کارهایی را که انجام میدهند درک کنید، مشخص میشود که گوشهای شما یکی از باورنکردنیترین قسمتهای بدن شما هستند!
برای درک اینکه چگونه گوشهای شما صدا را میشنوند، ابتدا باید درک کنید که صدا چیست.
یک جسم زمانی صدا تولید میکند که در مادهای ارتعاش کند. این میتواند یک جامد، مانند زمین، یک مایع، مانند آب، یا یک گاز، مانند هوا باشد. بیشتر اوقات، ما صداهایی را میشنویم که از طریق هوا در جو ما حرکت میکنند.
وقتی چیزی در جو ارتعاش میکند، ذرات هوای اطراف خود را حرکت میدهد. این ذرات هوا به نوبه خود ذرات هوای اطراف خود را حرکت میدهند و پالس ارتعاش را از طریق هوا منتقل میکنند.
برای دیدن نحوه کار این موضوع، به یک جسم ارتعاشی ساده نگاهی بیندازیم: یک زنگ. وقتی به یک زنگ ضربه میزنید، فلز میلرزد – به داخل و خارج خم میشود. وقتی از یک طرف به بیرون خم میشود، به ذرات هوای اطراف در آن طرف فشار میآورد. این ذرات هوا سپس با ذرات جلوی خود برخورد میکنند، که با ذرات جلوی خود برخورد میکنند و به همین ترتیب. این را تراکم یا فشارش یا فشردگی (Compression) مینامند.
وقتی زنگ به عقب خم میشود، ذرات هوای اطراف را به داخل میکشد. این باعث افت فشار میشود که ذرات هوای اطراف بیشتری را به داخل میکشد و افت فشار دیگری ایجاد میکند که ذرات را حتی دورتر به داخل میکشد. این کاهش فشار، انبساط یا کشش (Rarefaction) نامیده میشود.
به این ترتیب، یک جسم ارتعاشی، موجی از نوسانات فشار را از طریق جو ارسال میکند. ما صداهای مختلف را از اجسام ارتعاشی مختلف به دلیل تغییرات در فرکانس موج صوتی میشنویم. فرکانس موج بالاتر، به سادگی، به این معنی است که نوسانات فشار هوا، سریعتر به جلو و عقب میروند. ما این را به عنوان زیر و بم (Pitch) بالاتر میشنویم. وقتی نوسانات کمتری در یک دوره زمانی وجود داشته باشد، زیر و بم پایینتر است. سطح فشار هوا در هر نوسان، دامنه (Amplitude) موج، تعیین میکند که صدا چقدر بلند است. در بخش بعدی، نگاهی خواهیم انداخت به اینکه چگونه گوش قادر به گرفتن امواج صوتی است.
گرفتن امواج صوتی
در بخش قبل دیدیم که صدا به صورت ارتعاشات فشار هوا در هوا حرکت میکند. برای شنیدن صدا، گوش شما باید سه کار اساسی را انجام دهد:
- امواج صوتی را به قسمت شنوایی گوش هدایت کند.
- نوسانات فشار هوا را حس کند.
- این نوسانات را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل کند که مغز شما بتواند آن را درک کند.
لاله (Pinna) گوش، قسمت بیرونی گوش، به “گرفتن” امواج صوتی کمک میکند. گوش بیرونی شما به سمت جلو است و دارای تعدادی انحنا است. این ساختار به شما کمک میکند تا جهت صدا را تعیین کنید. اگر صدایی از پشت سر یا بالای سر شما میآید، به شکلی متفاوت از زمانی که از جلو یا پایین میآید، به لاله گوش وارد میشود. این انعکاس صدا، الگوی موج صوتی را تغییر میدهد. مغز شما الگوهای متمایز را تشخیص میدهد و تعیین میکند که آیا صدا در مقابل شما، پشت سر شما، بالای سر شما یا پایین سر شما قرار دارد.
مغز شما موقعیت افقی یک صدا را با مقایسه اطلاعات رسیده از دو گوش تعیین میکند. اگر صدا از سمت چپ شما باشد، کمی زودتر به گوش چپ شما میرسد تا به گوش راست شما. همچنین آن صدا در گوش چپ کمی بلندتر از گوش راست خواهد بود.
از آنجا که لاله گوش رو به جلو قرار دارد، صداهای جلوی خود را بهتر از صداهای پشت سر میشنوید. بسیاری از پستانداران، مانند سگها، لالههای گوش بزرگ و متحرکی دارند که به آنها امکان میدهد روی صداهای یک جهت خاص تمرکز کنند. لالههای گوش انسان به خوبی قادر به تمرکز روی صدا نیستند. آنها نسبتاً صاف روی سر قرار میگیرند و عضلات لازم برای حرکت قابل توجه را ندارند. اما شما به راحتی میتوانید لالههای گوش طبیعی خود را با قرار دادن دستها پشت گوشهایتان تکمیل کنید. با این کار، سطح بزرگتری ایجاد میکنید که میتواند امواج صوتی را بهتر جذب کند. در بخش بعدی، خواهیم دید که وقتی یک موج صوتی در کانال گوش حرکت میکند و با پرده گوش برخورد میکند، چه اتفاقی میافتد.
پرده گوش
هنگامی که امواج صوتی وارد کانال گوش میشوند، غشای تمپان (Tympanic membrane) یا همان پرده گوش (Eardrum) را به ارتعاش در میآورند. پرده گوش یک تکه پوست نازک و مخروطی شکل به عرض حدود 10 میلیمتر (0٫۴ اینچ) است. این پرده بین کانال گوش و گوش میانی (Middle ear) قرار دارد. گوش میانی از طریق شیپور استاش (Eustachian tube) به گلو متصل است. از آنجا که هوا از جو از طریق گوش خارجی و همچنین دهان شما وارد میشود، (با وجود شیپور استاش) فشار هوا در هر دو طرف پرده گوش برابر باقی میماند. این تعادل فشار، به پرده گوش شما اجازه میدهد آزادانه به جلو و عقب حرکت کند.
پرده گوش سفت و بسیار حساس است. حتی کوچکترین نوسانات فشار هوا نیز آن را به جلو و عقب حرکت میدهد. پرده گوش به عضله کشنده پرده گوش (Tensor tympani muscle) متصل است که دائماً آن را به سمت داخل میکشد. این کار باعث میشود کل غشاء محکم بماند و به ارتعاش درآید بدون آنکه مهم باشد کدام قسمت از آن با موج صوتی برخورد میکند.
این آویخته کوچک پوست (پرده گوش) دقیقاً مانند روزنه در یک میکروفون عمل میکند. فشردگیها و انبساطهای امواج صوتی، پرده گوش را به جلو و عقب میرانند. امواج صوتی با فرکانس بالا، پرده گوش را سریعتر حرکت میدهند و صدای بلندتر، پرده را به میزان بیشتری حرکت میدهد.
پرده گوش همچنین میتواند از گوش داخلی در برابر قرار گرفتن طولانیمدت در معرض صداهای بلند و با فرکانس پایین محافظت کند. هنگامی که مغز سیگنالی دریافت میکند که نشاندهنده این نوع صدا است، یک واکنش غیرارادی در پرده گوش رخ میدهد. عضله کشنده پرده گوش و ماهیچه استاپدیوس (Stapedius muscle) به طور ناگهانی منقبض میشوند. این عمل، پرده گوش و استخوانهای متصل به آن را در دو جهت مختلف میکشد، بنابراین پرده سفتتر میشود. وقتی این اتفاق میافتد، گوش به اندازه قبل، صدا را در انتهای پایین طیف شنوایی دریافت نمیکند، بنابراین صدای بلند خفه میشود.
این واکنش غیر ارادی علاوه بر محافظت از گوش، به شما کمک میکند تا شنوایی خود را متمرکز کنید. این واکنش صداهای بلند و کمفرکانس پسزمینه را پنهان میکند تا شما بتوانید روی صداهای با فرکانس بالاتر تمرکز کنید. از جمله موارد دیگر، این به شما کمک میکند تا در یک محیط بسیار پر سر و صدا مانند یک کنسرت راک (Rock) به مکالمه ادامه دهید. این رفلکس یا واکنشپذیری همچنین هر زمان که شروع به صحبت میکنید فعال میشود — در غیر این صورت، صدای خودتان بسیاری از صداهای دیگر اطراف شما را غیرقابل شنیدن میکند.
پرده گوش، کل عنصر حسی (سنسور دریافت) در گوش شما است. همانطور که در بخشهای آینده خواهیم دید، بقیه قسمتهای گوش فقط برای انتقال اطلاعات جمعآوری شده در پرده گوش عمل میکنند.
تقویت صدا
در بخش قبل دیدیم که فشردگیها و انبساطهای امواج صوتی، پرده گوش شما را به جلو و عقب حرکت میدهند. در بیشتر موارد، این تغییرات در فشار هوا بسیار کوچک هستند. آنها نیروی زیادی به پرده گوش وارد نمیکنند، اما پرده گوش آنقدر حساس است که این نیروی حداقلی، آن را به میزان قابل توجهی حرکت میدهد.
همانطور که در بخش بعدی خواهیم دید، حلزون گوش (Cochlea) در گوش داخلی، صدا را از طریق یک مایع هدایت میکند، نه از طریق هوا. این مایع، اینرسی (Inertia) بسیار بالاتری نسبت به هوا دارد — یعنی حرکت دادن آن سختتر است (به هل دادن هوا، و در مقابل، هل دادن آب فکر کنید). نیروی کمی که در پرده گوش احساس میشود به اندازه کافی قوی نیست که این مایع را حرکت دهد. قبل از اینکه صدا به گوش داخلی منتقل شود، فشار (Pressure) کل (نیرو در واحد سطح) باید تقویت شود.
این وظیفه استخوانچهها (Ossicles) است، گروهی از استخوانهای ریز در گوش میانی. استخوانچهها در واقع کوچکترین استخوانهای بدن شما هستند. آنها شامل:
- مالئوس (Malleus)، که معمولاً به آن چکش (Hammer) میگویند
- اِنکوس (Incus)، که معمولاً به آن سندان (Anvil) میگویند
- استاپس (Stapes)، که معمولاً به آن رکابی (Stirrup) میگویند
چکش به سمت مرکز پرده گوش، در سمت داخلی، متصل است. هنگامی که پرده گوش ارتعاش میکند، چکش مانند یک اهرم از این طرف به آن طرف حرکت میکند. انتهای دیگر چکش به سندانی متصل است که به رکابی وصل شده است. انتهای دیگر رکابی – صفحه جلویی (faceplate) آن – به حلزون گوش، از طریق دریچه بیضی (Oval window)، تکیه دارد.
وقتی فشردگی فشار هوا به پرده گوش فشار میآورد، استخوانچهها حرکت میکنند به طوری که صفحه جلویی رکابی به مایع حلزون گوش فشار میآورد. هنگامی که انبساط فشار هوا پرده گوش را به بیرون میکشد، استخوانچهها حرکت میکنند به طوری که صفحه جلویی رکابی مایع را به داخل میکشد. اساساً، رکابی مانند یک پیستون عمل میکند و امواجی را در مایع گوش داخلی ایجاد میکند تا نوسانات فشار هوا در موج صوتی را نشان دهد.
استخوانچهها نیرو را از پرده گوش به دو طریق تقویت میکنند. تقویت اصلی از تفاوت اندازه بین پرده گوش و رکابی ناشی میشود. پرده گوش مساحتی در حدود ۵۵ میلیمتر مربع دارد، در حالی که صفحه جلویی رکابی مساحتی در حدود 3.2 میلیمتر مربع دارد. امواج صوتی به هر اینچ مربع از پرده گوش نیرو وارد میکنند و پرده گوش تمام این انرژی را به رکابی منتقل میکند. هنگامی که این انرژی را در یک سطح کوچکتر متمرکز میکنید، فشار (نیرو در واحد حجم) بسیار بیشتر میشود. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد این تکثیر هیدرولیک (Hydraulic multiplication)، مقاله “ماشینهای هیدرولیک چگونه کار میکنند” را بررسی کنید.
پیکربندی استخوانچهها تقویت بیشتری را فراهم میکند. چکش از سندانی بلندتر است و یک اهرم اساسی بین پرده گوش و رکابی تشکیل میدهد. چکش مسافت بیشتری را طی میکند و سندانی با نیروی بیشتری حرکت میکند (انرژی = نیرو × مسافت).
این سیستم تقویت بسیار مؤثر است. فشاری که به مایع حلزون گوش وارد میشود حدود 22 برابر فشاری است که در پرده گوش احساس میشود. این تقویت فشار برای انتقال اطلاعات صوتی به گوش داخلی کافی است، جایی که اطلاعات به تکانههای عصبی تبدیل میشود که مغز میتواند آنها را درک کند.
موج مایع
حلزون گوش به مراتب پیچیدهترین قسمت گوش است. وظیفه آن این است که ارتعاشات فیزیکی ناشی از موج صوتی را بگیرد و آنها را به اطلاعات الکتریکی تبدیل کند که مغز بتواند به عنوان صدای متمایز تشخیص دهد.
ساختار حلزون گوش از سه لوله مجاور تشکیل شده است که توسط غشاهای حساس از یکدیگر جدا شدهاند. در واقعیت، این لولهها به شکل پوسته حلزون پیچیده شدهاند، اما اگر آنها را به صورت کشیده تصور کنید، درک آنچه در حال وقوع است آسانتر است. همچنین اگر دو لوله دهلیزی (Scala vestibuli) و میانی (Scala media)، را به عنوان یک محفظه در نظر بگیریم، واضحتر است. غشای بین این لولهها آنقدر نازک است که امواج صوتی طوری حرکت میکنند که انگار لولهها اصلاً از هم جدا نشدهاند.
استخوان رکابی به جلو و عقب حرکت میکند و امواج فشاری را در کل حلزون گوش ایجاد میکند. غشای دریچه گرد (round window) که حلزون گوش را از گوش میانی جدا میکند، به مایع، فضایی برای حرکت میدهد. وقتی رکابی به داخل فشار میآورد، این غشا به بیرون و وقتی رکابی به بیرون کشیده میشود، به داخل حرکت میکند.
غشای میانی، غشای پایه (Basilar membrane)، یک سطح محکم و استوار است که در طول حلزون گوش امتداد دارد. هنگامی که رکابی به داخل و خارج حرکت میکند، قسمتی از غشای پایه را که درست زیر دریچه بیضی قرار دارد، به جلو و عقب هل میدهد و میکشد. این نیرو باعث ایجاد موجی میشود که در امتداد سطح غشاء حرکت میکند. این موج مانند موجهایی در سطح یک برکه حرکت میکند و از دریچه بیضی (oval window) به سمت انتهای دیگر حلزون گوش میرود.
غشای پایه ساختار خاصی دارد. از 20000 تا 30000 فیبر نیمانند تشکیل شده است که در عرض حلزون گوش امتداد دارند. در نزدیکی دریچه بیضی، فیبرها کوتاه و سفت هستند. هر چه به سمت انتهای دیگر لولهها حرکت کنید، فیبرها بلندتر و انعطافپذیرتر میشوند.
این ویژگی به فیبرها فرکانسهای تشدید (Resonant frequencies) متفاوتی میدهد. یک فرکانس موج خاص، کاملاً با فیبرها در یک نقطه معین تشدید میشود و باعث میشود که آنها به سرعت ارتعاش کنند. این همان اصلی است که باعث کارکردن دیاپازونها (tuning forks) و کازوها (Kazoos) میشود — یک زیر و بم خاص باعث به صدا درآمدن دیاپازون میشود و زمزمه کردن به روشی خاص باعث ارتعاش نی کازو میشود.
همانطور که موج در امتداد بیشتر غشاء حرکت میکند، نمیتواند انرژی زیادی آزاد کند — غشاء بیش از حد کشیده شده است. اما هنگامی که موج به فیبرهایی با فرکانس تشدید یکسان میرسد، انرژی موج به طور ناگهانی آزاد میشود. به دلیل افزایش طول و کاهش استحکام فیبرها، امواج با فرکانس بالاتر، فیبرهای نزدیکتر به دریچه بیضی را به ارتعاش در میآورند و امواج با فرکانس پایینتر، فیبرها را در انتهای دیگر غشاء به ارتعاش در میآورند. در بخش بعدی، نگاهی خواهیم انداخت به اینکه چگونه موهای ریز به ما در شنیدن صدا کمک میکنند.
سلولهای مویی
در بخش قبل دیدیم که زیر و بمهای بالاتر، غشای پایه را در نزدیکی دریچه بیضی با شدت بیشتری به ارتعاش در میآورند و زیر و بمهای پایینتر، غشای پایه را در نقطهای دورتر در حلزون گوش با شدت بیشتری به ارتعاش در میآورند. اما مغز چگونه میداند این ارتعاشات کجا رخ میدهند؟
این وظیفه اندام کورتی (Organ of Corti) است. اندام کورتی ساختاری است که حاوی هزاران سلول مویی (Hair cells) ریز است. این اندام روی سطح غشای پایه قرار دارد و در طول حلزون گوش امتداد دارد.
تا زمانی که موج به فیبرهایی با فرکانس تشدید نرسد، غشای پایه را زیاد حرکت نمیدهد. اما هنگامی که موج در نهایت به نقطه تشدید میرسد، غشاء به طور ناگهانی انفجاری از انرژی را در آن ناحیه آزاد میکند. این انرژی به اندازهای قوی است که سلولهای مویی اندام کورتی را در آن نقطه حرکت دهد.
وقتی این سلولهای مویی حرکت میکنند، یک تکانه الکتریکی را از طریق عصب شنوایی (Cochlear nerve) میفرستند. عصب شنوایی این تکانهها را به قشر مغز میفرستد، جایی که مغز آنها را تفسیر میکند. مغز، زیر و بم صدا را بر اساس موقعیت سلولهایی که تکانههای الکتریکی میفرستند، تعیین میکند. صداهای بلندتر، انرژی بیشتری را در نقطه تشدید در امتداد غشاء آزاد میکنند و بنابراین تعداد بیشتری از سلولهای مویی را در آن ناحیه حرکت میدهند. مغز میداند که صدا بلندتر است زیرا سلولهای مویی بیشتری در یک ناحیه فعال میشوند.
حلزون گوش فقط دادههای خام را میفرستد — الگوهای پیچیدهای از تکانههای الکتریکی. مغز مانند یک رایانه مرکزی است که این ورودی را میگیرد و آن را درک میکند. این یک عمل فوقالعاده پیچیده است و دانشمندان هنوز راه زیادی برای درک همه چیز در مورد آن دارند.
در واقع، شنوایی، به طور کلی، هنوز برای ما بسیار مرموز است. مفاهیم اساسی که در گوش انسان و حیوانات وجود دارد نسبتاً ساده هستند، اما ساختارهای خاص بسیار پیچیده هستند. با این حال، دانشمندان در حال پیشرفت سریع هستند و هر سال عناصر شنوایی جدیدی را کشف میکنند. شگفتانگیز است که چقدر فرآیند در شنوایی دخیل است، و حتی شگفتانگیزتر این است که همه این فرآیندها در چنین ناحیه کوچکی از بدن رخ میدهند.
سؤالات متداول
در مورد نحوه عملکرد شنوایی صدا چگونه در گوش حرکت میکند؟
امواج صوتی وارد مجرای گوش میشوند و پرده گوش را به ارتعاش در میآورند. هنگامی که پرده گوش به ارتعاش در میآید، استخوان چکشی (یکی از سه استخوان کوچک گوش میانی) را از این طرف به آن طرف حرکت میدهد و ارتعاشات صوتی را به استخوان سندانی منتقل میکند که آنها را به استخوان رکابی منتقل میکند. استخوان رکابی به جلو و عقب حرکت میکند و امواج فشاری و ارتعاشات مربوطه را در حلزون گوش ایجاد میکند و پایانههای عصبی را به حرکت در میآورد. این پایانههای عصبی ارتعاشات را به تکانههای الکتریکی تبدیل میکنند که سپس به مغز منتقل میشوند و درنهایت مغز سیگنالها را تفسیر میکند.
کدام قسمت از مغز صدا را پردازش میکند؟
قشر شنوایی بخشی از لوب تمپورال (Temporal lobe) است که ورودی شنوایی را پردازش میکند. این بخش بخشی از سیستم شنوایی بزرگتر است که مسئول انجام عملکردهای اساسی و بالاتر در شنوایی است.
اجزای گوش کدامند؟
اجزای گوش عبارتند از گوش خارجی (Outer ear)، لاله گوش (Pinna)، مجرای گوش (Ear canal)، پرده گوش (Ear drum)، دهلیز (Vestibule)، حلزون گوش (Cochlea)، عصب شنوایی (Auditory nerve) و لوله استاش (Eustachian tube).
تفاوت بین صدا و شنوایی چیست؟
صدا از اجسامی ناشی میشود که در جو میلرزند و ذرات هوا را در اطراف خود حرکت میدهند. این ذرات هوا به نوبه خود ذرات هوا را در اطراف خود حرکت میدهند و نبض ارتعاش را از طریق هوا حمل میکنند. شنوایی حسی است که توسط آن صدا درک میشود و به فرد این امکان را میدهد که اشیاء را در جهان بر اساس صدایی که تولید میکنند، شناسایی و تشخیص دهد.
کارکرد شنوایی چیست؟
شنوایی یک فرآیند مکانیکی است که به مغز اجازه میدهد صداها را بشنود و درک کند. بخشی از گوش (به نام گوش داخلی) که شنوایی را ممکن میسازد، برای تعادل مهم است.
