Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия

Нас окружает море звуков. Звуковые волны повсюду, и наши уши постоянно настороже – ведь и среднее ухо, и внутреннее предназначены именно для их восприятия. Наружное ухо, эта кожно-хрящевая структура, действует как воронка, улавливающая звук и направляющая его во внутреннюю часть слухового аппарата, а именно в трубчатый канал, называемый слуховым проходом, который фокусирует звуковые колебания и посылает их в среднее ухо, устроенное так же сложно, как и отвечающее за равновесие внутреннее. В конце слухового прохода находится мембранная структура – барабанная перепонка. Здесь и концентрируются звуковые волны: когда они попадают на барабанную перепонку, та вибрирует. Совсем рядом находятся и три косточки, рассмотренные в главе 2: молоточек, наковальня и стремечко – они передают звуковые колебания от наружного уха к внутреннему, одновременно усиливая их. Слуховые косточки являются самыми маленькими фрагментами скелета. Они представляют собой цепочку, передающую колебания. Рукоятка молоточка тесно срослась с барабанной перепонкой, головка молоточка соединена с наковальней, а та, в свою очередь, своим длинным отростком – со стремечком. Вибрация мембраны барабанной перепонки – чем выше звук, тем она сильнее – провоцирует движение молоточка и запускает всю цепь. Эта конструкция работает четко и слаженно: стремечко соединено с улиткой во внутреннем ухе, и это соединение подобно поршню, вставленному в цилиндр, – жидкость улитки перемещается в соответствии с информацией звуковых волн, изначально проникших в ухо.

Улитка представляет собой удивительно замысловатую трехмерную структуру, похожую на спиральную раковину брюхоногих, но, конечно, гораздо сложнее организованную (рис. 7.3). Улитка по всей длине делится на три параллельных, заполненных жидкостью канала. Два наружных канала – лестница преддверия и барабанная лестница – сообщаются между собой у верхушки улитки и вмещают в себя перилимфу, которая по ним циркулирует, а центральный (спиральный, или кохлеарный) канал началом сообщается с мешочком, слепо оканчивается и содержит эндолимфу. Кохлеарный канал отделяется мембраной, содержащей ряд натянутых поперек параллельных волокон различной длины и толщины. Внутри мембрана покрыта снабженными волосками клетками, составляющими кортиев орган, который преобразует звуковые сигналы в нервные импульсы, поступающие затем в головной мозг.

Рис. 7.3. Улитка и то, как она связана со стремечком (слева)

Жидкость, проходящая через центральные каналы, то расширяет, то сжимает жидкость[31] в кохлеарном протоке и таким образом воздействует на сложный кортиев орган. Этот орган выстлан двумя видами волосков, которые могут изгибаться под действием жидкости, текущей по кохлеарным каналам. Один вид волосков называется внутренним, и в нем насчитывается около 3500 клеток, а другой, что логично, – внешним, и тут около 20 000 клеток. Сгибание внутренних волосков и провоцирует нервную реакцию в нервной клетке, с которой связан кортиев орган. Здесь волоски, сгибаясь, работают так же, как и в случае с вестибулярной системой: механосенсоры передают электрические импульсы в мозг, и там они интерпретируются как звук. Внешние волоски, по-видимому, усиливают сигнал звуковой волны, поступающий во внутреннее ухо. Сгибание внутренних волосков работает наподобие выключателей света, однако давление, которое они оказывают на нервную клетку, неоднородно. Волосковые клетки вблизи спирального конца улитки более восприимчивы к сгибанию под действием высоких звуков, а волоски у основания улитки реагируют на низкие частоты. Различные тона будут восприниматься определенными волосковыми клетками в кортиевом органе. Несмотря на все эти организационные сложности и движущиеся детали, в большинстве случаев аппарат работает довольно хорошо, и это может подтвердить любой меломан.

Эта машина Руба Голдберга – еще один пример несовершенности эволюционного процесса, который сформировал столь сложную структуру для слуха. Любой толковый инженер наверняка разработал бы эту биологическую штуковину совсем иначе.

Но что бы эксперт посчитал хорошей разработкой? Эми Смит, преподаватель инженерного дела в Массачусетском технологическом институте, сформулировала семь простых правил проектирования. Одно из ее правил – экономия и производство наименее дорогого, но более эффективного продукта. Это также предполагает, что целесообразно избавляться от лишних движущихся деталей. Чем больше движущихся частей, тем выше затраты энергии. Кроме того, чем больше движущихся частей, тем больше деталей, которые могут сломаться и потребовать замены. Еще одно правило заключается в прозрачности разработки: другие должны легко понимать, что это за продукт. Не думаю, что кто-нибудь, впервые ознакомившись с описанием работы среднего и внутреннего уха, может сказать, что конструкция прозрачна. Последнее важное правило Смит иллюстрирует цитату Леонардо да Винчи: «Простота – это высшая форма сложности» – и гласит: для поиска простого решения придется потрудиться.