Тайны внутреннего уха: Встроенный усилитель

Даже слабый звук мы различаем — наше внутреннее ухо усиливает сигнал на поразительную величину — до 4000 раз. Подобное трудно приписать чисто механическим системам усиления, так что среди специалистов вопрос о том, как именно происходит усиление звука во внутреннем ухе, считается открытым.

По крайней мере частично эти способности уха могут объясняться тем, что усиление звука здесь — не пассивный процесс. Напомним, что внутреннее ухо представляет систему из полых изогнутых трубочек, заполненных жидкостью и разделенных эластичной мембраной. Мембрана покрыта чувствительными к колебаниям волосковыми клетками двух типов. Первые генерируют и посылают сигнал в ответ на перепады давления в жидкости, а вторые работают в роли усилителей. Когда их настигает волна перепада давления, их волоски сами начинают активно колебаться с той же частотой, еще более усиливая эти волны.

Все это известно уже не первый год. Проблема в том, что эксперименты показывают: эти клетки способны усилить сигнал максимум на порядок, т. е. куда меньше того, что наблюдается в действительности. Им необходима существенная помощь — и откуда она приходит, предположила недавно группа ученых во главе с Джеймсом Хадспетом (James Hudspeth). В их представлении, происходит примерно следующее.

Звук во внутреннем ухе представлен волнами перепада давления, которые двигаются по заполненным жидкостью канальцам и заставляют вибрировать упругие мембраны. Поскольку волосковые клетки располагаются на мембране, они тоже вибрируют вместе с ней. Второй тип волосковых клеток, усиливающих сигнал, колеблются с той же частотой. Это не только усиливает волны давления, но и — что еще более важно — заставляет саму мембрану колебаться интенсивнее. Происходит примерно то же, что и при прыжке на батуте: если частота прыжков совпадает с собственной частотой колебания батута, начинается резонанс, и амплитуда колебаний мигом и мощно нарастает.

Как показали расчеты группы Хадспета, оба эти фактора вместе действуют весьма мощно, легко объясняя даже 4000-кратное усиление. Более того, теоретически оно может быть еще выше, как указывают исследователи, до 10 тыс. раз. Осталось проверить эти выкладки экспериментально. Если это действительно так, возможно, аналогичные усилители удастся создать искусственно и использовать, скажем, в уникальной радиосхеме, действующей на тех же принципах, что и внутреннее ухо человека. Читайте о ней: «Радиоухо».

По публикации physics arXiv blog