听觉背后的科学 - 道格拉斯·L·奥利弗

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我们能够识别声音种类以及辨别他们的位置很大程度上要归功于听觉系统。它由两个主要部分构成：耳朵和大脑。耳朵负责将声音转化为神经信号；大脑则负责接收并处理这些信号包含的信息。为了了解听觉系统如何工作，道格拉斯·L·奥利弗跟着声音进行了一场耳朵之旅。

课程提供：道格拉斯·L·奥利弗，动画制作：Cabong工作室

你听到海浪温柔的拍打声，

听到远处海鸥的叫声，

但一阵嗡嗡声扰乱了平静，令人恼火。

声音越来越近，越来越近。

然后，啪的一声！

你拍死了烦人的蚊子，
世界终于重回安静。

你是如何听到远处的声音，
并如此准确地锁定声音来源的呢？

我们之所以能够
识别声音并判断出其所在位置

很大程度是因为听觉系统。

它由大脑和耳朵这两部分构成。

耳朵的任务是将声音转换成为神经信号；

大脑则是接受并处理这些信号中的信息。

为了更好地理解它的工作原理，

我们跟随声音进行一场耳朵之旅。

声源会产生振动，

这会以压力波的形式
通过空气中的微粒传播，

或是在液体

和固体中传播。

但我们的内耳，也叫耳蜗，

实际上充满了盐水一样的液体。

因此，第一个要解决的问题是

如何将这些四面八方传来的声波

转化成液体的波动。

答案在于鼓膜。

以及中耳处一些微小的骨头。

它们将鼓膜较大的震动

转化成耳蜗液体的压力波。

当声音进入耳道，

它首先使鼓膜震动，
就像敲打一面鼓。

震动的鼓膜使
一块叫做锤骨的骨头发生震动。

锤骨击打砧骨，
并继续震动第三块骨头镫骨。

这些动作推动耳蜗狭长腔室中的液体流动。

至此，

声音的震动终于转化成为液体的震动。

之后他们如波浪般从耳蜗的一头传至另一头。

一种叫做基底膜的膜状结构遍布耳蜗。

基底膜上覆盖拥有特殊结构的毛细胞，

称为纤毛。

它会随耳蜗液体和基底膜而震动，

这种动作会沿毛细胞触发信号，

信号会进入听觉神经，

之后进入大脑，
由大脑解析识别出特定的声音。

声音让基底膜震动时，

并非所有毛细胞都会随之震动，

依据声音的频率不同，
只有特定的毛细胞会摆动。

这与一些精密工程学相关。

基底膜一段较为坚硬，

只会对波长短、频率高的声音
做出震动反应。

另一端则更为灵活，

只对波长长、频率低的声音
做出反应。

因此海鸥和蚊子的声音

其实会引起基底膜不同区域的震动，

就像是在钢琴上弹不同的琴键。

但这并不是全部过程。

大脑仍然有另一个重要的任务：

它需要识别声音来自何处。

为此，大脑会比照进入两个耳朵的声音，

以此在空间中定位声源。

直接来自你面前的声音
会同时到达双耳，

每个耳朵听到的声音强度也相同。

但是来自其他方向的低频声音

会以微秒之差先进入靠近声源一侧的耳朵。

靠近声源的耳朵
会感受到高频声音更大的强度，

因为头部会阻挡
声音到达另一边的耳朵。

这部分滞后的信息
会到达脑干的特殊位置，

以此分析双耳信号的时间和强度差异。

它们将分析结果
传输至大脑皮层的听觉中枢。

现在，大脑拥有了全部所需的信息：

可以断定是哪种声音的活动模式，

以及声音在空间中的位置信息。

并非所有人都拥有正常听力。

失聪是世界上第三大最普遍的慢性疾病。

接触巨大噪音和一些药物会杀死毛细胞，

从而阻止信号从耳朵传送至大脑。

骨硬化等疾病会使耳朵中的小骨硬化，

使其无法震动。

至于耳鸣，

大脑会做出奇怪的反应，

使我们听到并不存在的声音。

但是当听觉系统正常工作时，

它是一个精妙无比的系统。

我们的耳朵包含了
精密协调的生物构造，

将周边空气中的刺耳震动

转化成为精确校准的电脉冲，

使我们能够分辨掌声，
敲打声，叹息和苍蝇的嗡嗡声。