Нервная гармония: Музыкальные механизмы
Если у вас под рукой есть пианино — нажмите ноту до. Отсчитайте вторую от нее направо и нажмите ми. Простейший мажорный аккорд: слух безошибочно узнает гармоничность этого сочетания, даже у тех людей, кому, как говорится, медведь на ухо наступил. Гармоничность сочетания тонов определяется отношением частот соответствующих звуковых колебаний. Частоты в гармоничных аккордах соотносятся простыми дробями — скажем, 2:1 для октавы, 3:2 для квинты, 5:4 для терции. У диссонансных аккордов дроби посложнее — такие, как 16:15 или 45:32. Но что позволяет уху различать эти математические тонкости?
Интересное и логичное объяснение этому предлагает простая модель, созданная Александром Дубковым и Юрием Ушаковым из Нижегородского университета совместно с итальянским биофизиком Бернардо Спаньоло (Bernardo Spagnolo). Начать стоит с того, что звуковая волна заставляет колебаться барабанную перепонку, чьи вибрации через систему мельчайших косточек передаются жидкости, заполняющей улитку внутреннего уха. Это, в свою очередь, создает колебания базилярной мембраны, причем низкие частоты проникают в мембрану глубже и вызывают резонансные колебания частей, более близких к основанию мембраны, тогда как высокие частоты ограничиваются частями ближе к краям. Вместе с мембраной вибрируют и расположенные на ней волосковые клетки, стимулируя возбуждение нейронов слухового нерва. Лишь после этого сигнал поступает в мозг.
Созданная учеными модель взаимодействия мембраны внутреннего уха, нейронов слухового нерва и нейронов мозга, разумеется, сильно упрощена. В ней используется всего два «сенсорных» нейрона, расположенных на разных участках базилярной мембраны (и, следовательно, реагирующих на колебания разных частот), плюс третий нейрон, объединяющий сигналы с них воедино. Работа всех трех нейронов представлялась в рамках весьма близкой к реальности слабой модели «объединяй и включайся» (Leaky ‘Integrate and Fire'): входящий стимул приводит к росту разницы потенциалов по сторонам мембраны клетки, пока не достигнет критического уровня и не «выстрелит» сигналом, в результате чего напряжение возвращается к базовому уровню, и клетка готова снова накапливать входящие сигналы.
Внимательно проанализировав особенности получившейся модели, авторы заметили весьма элегантную закономерность: если два входящих нейрона реагируют на гармонично сочетающиеся тона, разрядка объединяющего их сигналы нейрона происходит регулярными «выстрелами», с хорошо выраженными пиками и четкой периодичностью. Если же аккорд негармоничен, результат работы третьего нейрона становится неупорядочен, энтропия его сигнала растет, он становится почти хаотичен. Недаром одним из антонимов «хаосу» — «гармония».
Читайте также: «Допинг в формате МР3».
По публикации ScienceNOW