Елена Белова - Автостопом по мозгу. Когда вся вселенная у тебя в голове

Внутреннее ухо

Через овальное окно колебания попадают во внутреннее ухо, которое делится на две функциональные части — улитку и лабиринт. Лабиринт состоит из полукружных каналов — они отвечают за равновесие, отслеживая положение головы в пространстве и направление ускорения, когда мы решаем изменить положение тела или покрутить головой.

Улитка — это слуховая часть внутреннего уха, отвечающая за превращение звуков в нервные импульсы. Здесь волны распространяются уже в виде колебания жидкости, заполняющей каналы внутри улитки.

Улитка представляет собой полую спираль длиной около 3 см и диаметром около 2 мм, поделенную на три отдельные полости, заполненные жидкостью. Полости внутри улитки называют лестницами. По барабанной лестнице механическая волна проходит по спирали внутрь от овального окна до самой верхушки и затем возвращается обратно по лестнице преддверия до круглого окна. Между ними расположена средняя лестница: на дальнем конце спирали у вершины улитки средняя лестница замыкается, а барабанная лестница соединяется с лестницей преддверия небольшим отверстием в мембране, позволяя остаткам колебаний внутри жидкости проходить от кончика обратно до круглого окна.

Внутри средней лестницы расположен миниатюрный кортиев орган . Он умеет улавливать звуковые волны и преобразовывать их в электрические потенциалы на поверхности нейронов. Ключевую роль в этом процессе играют волосковые клетки — главные уловители механических колебаний внутри кортиева органа. Они прикреплены сразу к двум мембранам: основанием — к гибкой основной мембране [18] Ее еще называют базилярной мембраной. — Прим. авт. , отделяющей кортиев орган от барабанной лестницы, а верхушкой — к желеобразной, но довольно жесткой покровной (текториальной) мембране. Когда механическая волна бежит по жидкости от основания к вершине улитки, она способна деформировать податливую основную мембрану, смещая ее относительно покровной. Главный удар в этот момент берут на себя волосковые клетки, зажатые между двумя мембранами: пока основная мембрана колеблется, их колышет из стороны в сторону — эти колыхания и запускают процесс передачи нервного импульса.

Каким образом мозг отличает различные звуки — тонкий писк от утробного гудения (или, другими словами, высокочастотные колебания от низкочастотных)? Разные части улитки чувствительны к разной высоте звуков, это происходит благодаря различным свойствам основной мембраны у входа и на самом кончике спирали. При входе в улитку основная мембрана узкая и туго натянутая; здесь она легко входит в резонанс с самыми высокими тонами, попадающими в улитку. Чем дальше от входа, тем шире и слабее натянута мембрана, поэтому она резонирует с более низкими тонами, заставляя колебаться волосковые клетки и генерируя нервные импульсы.

Такое устройство напоминает клавиатуру пианино: слева расположен кончик улитки, справа вход и овальное окно, только диапазон октав в нашем ухе намного шире, чем в музыкальных инструментах. Получается, что каждый участок основной мембраны чувствителен к звукам определенной частоты, и место волосковой клетки, активирующей нейроны, однозначно определяет высоту звука, которое уловило ухо. Тренированное ухо может распознать всего около 1500 различных тонов [10].

Преобразования звуковой волны в электрические импульсы и сложный путь слухового сигнала в мозге

Сами волосковые клетки, раскачивающиеся вместе с участком основной мембраны, не относятся к нейронам; это сильно видоизмененные клетки кожи. В отличие от нейронов они еще не умеют генерировать нервные импульсы, зато, в отличие от других клеток кожи, уже умеют менять разность потенциалов на своей поверхности и выделять нейромедиатор. Волосковые клетки называются так неслучайно: на верхушке каждой клетки есть ирокез из жестких волосков [19] Они называются стереоцилиями. — Прим. авт. , а на кончике каждого волоска находятся чувствительные к растяжению калиевые каналы. Когда клетка раскачивается из стороны в сторону, эти каналы то закрываются, то открываются, пропуская внутрь клетки калий.

Каналы соединяют богатую калием эндолимфу, заполняющую среднюю лестницу, с цитоплазмой, поток калия сбрасывает разницу потенциалов на клеточной мембране — клетка деполяризуется. Из-за этого открывается еще один тип ионных каналов, которые пропускают внутрь клетки кальций. Он связывается с пузырьками нейромедиатора глутамата, которые хранятся в основании клетки, и в итоге пузырьки схлопываются с клеточной мембраной, а нейромедиатор выбрасывается наружу. Его улавливают окончания нервных клеток, сидящих поблизости в спиральном ганглии, и уже оттуда нервный импульс отправляется в глубь мозга.

Нос и уши связаны друг с другом: воздух из среднего уха может проходить в носовую полость через евстахиеву трубу.

Я привожу этот процесс в таких подробностях, потому что с этим сложно устроенным механизмом связаны некоторые интересные вещи. Начать нужно с того, что волосковые клетки тоже бывают разными. Внешние волосковые клетки более многочисленны, в кортиевом органе они сидят компанией в три ряда, однако к ним «прислушивается» всего 5 % нейронов, отправляющих звуковые сигналы в мозг. Остальные 95 % нейронов подводят свои чувствительные окончания к внутренним волосковым клеткам, которых в ухе в три раза меньше, чем внешних, — они сидят отдельным рядком ближе к основанию кортиева органа.

Если большую часть звуковой информации формируют малочисленные внутренние клетки, чем же заняты многочисленные внешние? Ответ на этот вопрос звучит немного парадоксально: они танцуют. Кроме шуток: внешние волосковые клетки начинают активно раскачиваться в ответ на малейшие колебания основной мембраны.

Только у внешних волосковых клеток на мембране есть специальные подвижные белки, заставляющие клетку пританцовывать, используя разность потенциалов между цитоплазмой и эндолимфой. Раскачиваясь, внешние волосковые клетки усиливают колебания основной мембраны, увеличивая сигнал для неподвижной, но чуткой внутренней волосковой клетки.

Эти танцы внешних волосковых клеток могут приводить к необычному на первый взгляд явлению: ухо может не только воспринимать звуки, но и испускать их. Если перед самым человеческим ухом прозвучит отрывистый щелчок, чувствительный «микрофон» внутри слухового прохода сможет записать короткое эхо, которое издаст в ответ здоровое ухо с нормальными наружными волосковыми клетками. Иногда эти клетки могут совершенно спонтанно слегка подрагивать; если вокруг очень тихо, наш слуховой аппарат может уловить сигналы, возникающие во время этих подергиваний — это и есть то, что называют звенящей тишиной: в отсутствие любых звуков ухо начинает улавливать собственный едва заметный звон, издаваемый волосковыми клетками. Проблемы со слухом внутри улитки могут проявляться двояким образом: с одной стороны, в поврежденных участках улитки колебания наружных волосковых клеток могут становиться слишком сильными, и тогда в ушах возникает неприятный постоянный звон — тиннитус. С другой стороны, воздействие мощной ударной волны звуков за пределами болевого порога может настолько повредить волосковые клетки, что ухо станет беззвучным — оно потеряет способность улавливать звуки, и эха из уха доноситься тоже не будет [6].