耳の図の礼儀 NASA あなたの耳は繊細で詳細な感覚器官です。もっと人間の感覚の写真を見てください。 |
あなたの耳は異常な器官です。彼らはあなたの周りのすべての音を拾い上げ、そしてこの情報をあなたの脳が理解できる形に翻訳します。このプロセスの最も注目すべき点の1つは、完全に機械的であるということです。嗅覚、味覚、視覚はすべて化学反応を伴いますが、聴覚システムは物理的な動きのみに基づいています。
この記事では、聴覚を可能にする機械システムについて見ていきます。元の音源から脳に至るまでの音の経路をたどり、耳のすべての部分がどのように連携するかを確認します。彼らがすることすべてを理解するとき、あなたの耳があなたの体の最も素晴らしい部分の1つであることは明らかです！
耳がどのように音を聞くかを理解するには、まず音とは何かを理解する必要があります。
物体が物質の中で振動すると、音が発生します。これは、地球などの固体である可能性があります。水などの液体; または空気などのガス。ほとんどの場合、私たちは大気中を空中を伝わる音を聞きます。
何かが大気中で振動するとき、それはその周りの空気粒子を動かします。これらの空気粒子は、順番にそれらの周りの空気粒子を動かし、空気を通して振動のパルスを運びます。
これがどのように機能するかを確認するために、単純な振動オブジェクトであるベルを見てみましょう。ベルを叩くと、金属が振動します-曲がって出入りします。片側が曲がると、その側の周囲の空気粒子を押し出します。次に、これらの空気粒子は、それらの前の粒子と衝突し、それらはそれらの前の粒子と衝突します。これは圧縮と呼ばれます。
ベルが曲がると、周囲の空気の粒子を引き込みます。これにより、圧力が低下し、周囲の空気粒子がさらに引き込まれ、圧力がさらに低下して、粒子がさらに遠くに引き込まれます。この圧力低下は希薄化と呼ばれます。
このようにして、振動する物体は大気中に圧力変動の波を送ります。音波の周波数が変化するため、振動する物体ごとに異なる音が聞こえます。波の周波数が高いということは、単に気圧の変動がより速く前後に切り替わることを意味します。これはより高いピッチとして聞こえます。一定期間の変動が少ないほど、ピッチは低くなります。各変動の気圧レベル、波の振幅は、音の大きさを決定します。次のセクションでは、耳がどのように音波を捕らえることができるかを見ていきます。
- 音波をキャッチする
- 鼓膜
- 増幅音
- 流体波
- 有毛細胞
音波をキャッチする
前のセクションで、音は気圧の振動として空気中を伝わることがわかりました。音を聞くには、耳は3つの基本的なことをしなければなりません。
- 音波を耳の聴覚部分に向けます
- 気圧の変動を感知する
- これらの変動を、脳が理解できる電気信号に変換します
耳介、耳の外側部分は、「キャッチ」音波のに役立ちます。外耳は前を向いており、いくつかの曲線があります。この構造は、音の方向を決定するのに役立ちます。音があなたの後ろまたはあなたの上から来ている場合、それはあなたの前またはあなたの下から来ている場合とは異なる方法で耳介から跳ね返ります。この音の反射は音波のパターンを変えます。あなたの脳は独特のパターンを認識し、音があなたの前にあるのか、後ろにあるのか、あなたの上にあるのか、あなたの下にあるのかを判断します。
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脳は、両耳からの情報を比較することにより、音の水平位置を決定します。音が左にある場合は、右耳に届くよりも少し早く左耳に届きます。また、右耳よりも左耳の方が少し大きくなります。
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体感
神経系は、私たちが毎日体中に感じる無数の感覚を決定します。これはどのように作動しますか？眠りについたときに足がチクチクする原因は何ですか？くしゃみをしようとしていることをどうやって知るのですか？ディスカバリーチャンネルからのこの活動は、
感覚
が身体でどのように生成されるかを説明し
ます。
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耳介は前を向いているので、後ろの音よりも前の音の方がよく聞こえます。犬などの多くの哺乳類は、特定の方向からの音に集中できるように、大きくて可動性の耳介を持っています。人間の耳介は、音に集中することにそれほど熟練していません。彼らは頭に対してかなり平らに横たわっていて、重要な動きに必要な筋肉を持っていません。しかし、耳の後ろで手をかざすことで、自然な耳介を簡単に補うことができます。これを行うことにより、音波をよりよくキャプチャできるより大きな表面積を作成します。次のセクションでは、音波が外耳道を伝わり、鼓膜と相互作用するときに何が起こるかを見ていきます。
鼓膜
音波が外耳道に伝わると、一般に鼓膜と呼ばれる鼓膜を振動させます。鼓膜は、幅が約10ミリメートル（0.4インチ）の薄い円錐形の皮膚です。これは、外耳道との間に配置されている中耳。中耳は耳管を介して喉に接続されています。大気からの空気が口だけでなく外耳からも流入するため、鼓膜の両側の気圧は同じままです。この圧力バランスにより、鼓膜が自由に前後に動くことができます
鼓膜は硬く、非常に敏感です。わずかな気圧変動でも前後に移動します。それは鼓膜張筋に取り付けられており、鼓膜張筋は常にそれを内側に引っ張っています。これにより、膜全体がぴんと張った状態に保たれるため、音波が膜のどの部分に当たっても振動します。
耳のイラスト提供 NIDCD 通常の耳の解剖学 |
この小さな皮膚のフラップは、マイクの横隔膜のように機能します。音波の圧縮と希薄化により、ドラムが前後に押し出されます。ピッチの高い音波はドラムをより速く動かし、音が大きいほどドラムはより遠くに移動します。
鼓膜は、大きな低音の騒音に長時間さらされることから内耳を保護するのにも役立ちます。脳がこの種のノイズを示す信号を受信すると、鼓膜で反射が起こります。鼓膜張筋とアブミ骨筋が突然収縮します。これにより、鼓膜と接続された骨が2つの異なる方向に引っ張られるため、ドラムはより硬くなります。これが発生すると、耳は可聴スペクトルの下端でそれほど多くのノイズを拾わないため、大きなノイズが減衰します。
この反射は、耳を保護するだけでなく、聴覚を集中させるのに役立ちます。大音量で低音のバックグラウンドノイズをマスクするため、高音に集中できます。とりわけ、これは、ロックコンサートのように非常に騒がしい環境にいるときに会話を続けるのに役立ちます。話し始めるたびに反射神経も始まります。そうしないと、自分の声の音が周囲の他の多くの音をかき消してしまいます。
鼓膜はあなたの耳の感覚要素全体です。次のセクションで説明するように、耳の残りの部分は、鼓膜で収集された情報を伝えるためだけに機能します。
増幅音
前のセクションで、音波の圧縮と希薄化が鼓膜を前後に動かすことを確認しました。ほとんどの場合、これらの気圧の変化は非常に小さいです。それらは鼓膜にあまり力を加えませんが、鼓膜は非常に敏感なので、この最小の力が鼓膜をかなりの距離だけ動かします。
次のセクションで説明するように、内耳の蝸牛は、空気ではなく流体を介して音を伝導します。この流体は、空気よりもはるかに高い慣性を持っています。つまり、移動が困難です（空気を押すことと水を押すことを考えてください）。鼓膜で感じられる小さな力は、この液体を動かすのに十分な力ではありません。音が内耳に伝わる前に、全圧（単位面積あたりの力）を増幅する必要があります。
これは、中耳の小さな骨のグループである耳小骨の仕事です。耳小骨は実際にはあなたの体の中で最も小さい骨です。それらが含まれます：
- 槌骨、通称ハンマー
- キヌタ骨、通称アンビル
- アブミ骨通称、あぶみ
音波は鼓膜を振動させ、槌骨、砧骨、あぶみ骨を動かします。 |
槌骨は鼓膜の中央、内側に接続されています。鼓膜が振動すると、槌骨がレバーのように左右に動きます。槌骨のもう一方の端は、あぶみ骨に取り付けられている砧骨に接続されています。あぶみ骨のもう一方の端（そのフェースプレート）は、卵円窓を通して蝸牛に寄りかかっています。
空気圧による圧迫が鼓膜を押し込むと、あぶみ骨のフェースプレートが蝸牛液を押し込むように耳小骨が動きます。空気圧の希薄化が鼓膜を引き抜くと、あぶみ骨のフェースプレートが液体を引き込むように耳小骨が動きます。基本的に、あぶみ骨はピストンとして機能し、内耳液に波を発生させて、音波の気圧変動を表します。
耳小骨は2つの方法で鼓膜からの力を増幅します。主な増幅は、鼓膜とあぶみ骨のサイズの違いによるものです。鼓膜の表面積は約55平方ミリメートルですが、あぶみ骨のフェースプレートの表面積は約3.2平方ミリメートルです。音波は鼓膜の1平方インチごとに力を加え、鼓膜はこのすべてのエネルギーをあぶみ骨に伝達します。このエネルギーをより小さな表面積に集中させると、圧力（単位体積あたりの力）ははるかに大きくなります。この油圧乗算の詳細については、油圧機械のしくみをご覧ください。
耳小骨の構成は、追加の増幅を提供します。槌骨は砧骨よりも長く、鼓膜とあぶみ骨の間に基本的なレバーを形成します。槌骨はより大きな距離を移動し、砧骨はより大きな力で移動します（エネルギー=力x距離）。
この増幅システムは非常に効果的です。蝸牛液にかかる圧力は、鼓膜で感じる圧力の約22倍です。この圧力増幅は、音の情報を内耳に伝えるのに十分であり、そこで脳が理解できる神経インパルスに変換されます。
流体波
蝸牛は耳の中で群を抜いて最も複雑な部分です。その仕事は、音波によって引き起こされた物理的な振動を取り、それらを脳が別個の音として認識できる電気情報に変換することです。
蝸牛構造は、敏感な膜によって互いに分離された3つの隣接するチューブで構成されています。実際には、これらのチューブはカタツムリの殻の形に巻かれていますが、それらが伸びていると想像すると、何が起こっているのかを理解するのは簡単です。我々は、チューブの2、扱う場合にも明確だScalaの前庭とScalaのメディアを1室として、。これらのチューブの間の膜は非常に薄いため、音波はチューブがまったく分離されていないかのように伝わります。
あぶみ骨のピストン作用により、蝸牛内の液体が移動します。これにより、振動波が基底膜を伝わります。 |
あぶみ骨は前後に動き、蝸牛全体に圧力波を発生させます。蝸牛を中耳から分離する正円窓の膜は、液体をどこかに行きます。あぶみ骨が押し込まれると外に出て、あぶみ骨が引き抜かれると動きます。
真ん中の膜である基底膜は、蝸牛の長さ全体に広がる硬い表面です。あぶみ骨が出入りするとき、卵円窓のすぐ下の基底膜の部分を押したり引いたりします。この力は、膜の表面に沿って移動する波を開始します。波は池の表面に沿って波紋のようなものを伝わり、卵円窓から蝸牛のもう一方の端まで移動します。
基底膜は独特の構造をしています。蝸牛の幅全体に広がる2万から3万の蝸牛のような繊維でできています。卵円窓の近くでは、繊維は短くて硬いです。チューブのもう一方の端に向かって移動すると、繊維が長くなり、より柔軟になります。
これにより、ファイバに異なる共振周波数が与えられます。特定の波の周波数は、特定のポイントでファイバーと完全に共振し、ファイバーを急速に振動させます。これは、音叉とカズーを機能させるのと同じ原理です。特定のピッチで音叉が鳴り始め、特定の方法でハミングすると、カズーのリードが振動します。
波は膜の大部分に沿って移動するため、多くのエネルギーを放出することはできません。膜が緊張しすぎています。しかし、波が同じ共振周波数でファイバーに到達すると、波のエネルギーが突然放出されます。繊維の長さが増加し、剛性が低下するため、高周波は卵円窓に近い繊維を振動させ、低周波は膜の反対側の繊維を振動させます。次のセクションでは、小さな髪がどのように音を聞くのに役立つかを見ていきます。
有毛細胞
最後のセクションでは、ピッチが高いと卵円窓の近くで基底膜が最も強く振動し、ピッチが低いと蝸牛のさらに下の点で基底膜が最も強く振動することがわかりました。しかし、脳はこれらの振動がどこで発生するかをどのように知るのでしょうか？
これはコルチの仕事の器官です。コルチ器官は、小さな、数千含む構造体である有毛細胞を。それは基底膜の表面にあり、蝸牛の長さ全体に広がっています。
波が共振周波数で繊維に到達するまで、それは基底膜をあまり動かしません。しかし、波が最終的に共振点に到達すると、膜は突然その領域でエネルギーのバーストを放出します。このエネルギーは、その時点でコルチ有毛細胞の器官を動かすのに十分な強さです。
これらの有毛細胞が動かされるとき、それらは蝸牛神経を通して電気インパルスを送ります。蝸牛神経はこれらのインパルスを大脳皮質に送り、そこで脳がそれらを解釈します。脳は、電気インパルスを送信する細胞の位置に基づいて音の高さを決定します。大きな音は膜に沿った共鳴点でより多くのエネルギーを放出するので、その領域でより多くの有毛細胞を動かします。ある領域でより多くの有毛細胞が活性化されるため、脳は音が大きくなることを知っています。
蝸牛は生データ（電気インパルスの複雑なパターン）のみを送信します。脳は中央コンピューターのようなもので、この入力を受け取り、すべてを理解します。これは非常に複雑な操作であり、科学者はそれについてすべてを理解することからまだ長い道のりです。
実際、一般的な聴聞会はまだ私たちにとって非常に神秘的です。人間と動物の耳で機能する基本的な概念はかなり単純ですが、特定の構造は非常に複雑です。しかし、科学者たちは急速な進歩を遂げており、毎年新しい聴覚要素を発見しています。聴覚プロセスにどれだけ関与しているかは驚くべきことであり、これらすべてのプロセスが体のこのような小さな領域で行われることはさらに驚くべきことです。
ヒアリングおよび関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。
初版：2001年3月30日
