Презентация механика Малый

1. «Механика слуха: от барабанной перепонки до электрических импульсов мозга»

Малый Михаил Сергеевич ( ИБСиБ)

2. Схема уха – три отдела, одна цель

• Наружное ухо → Ушная раковина и слуховой проход. Заканчивается
барабанной перепонкой.
• Среднее ухо → Барабанная полость. Здесь расположены три слуховые
косточки: молоточек, наковальня и стремечко.
• Внутреннее ухо → Начинается с овального окна, за которым находится
улитка — спиралевидный орган, заполненный жидкостью.

3. Барабанная перепонка и цепь слуховых косточек

Тонкая мембрана конической формы,
толщина ~ 0,1 мм
Колеблется в такт со звуковой волной
(вынужденные колебания)
Максимальная чувствительность: 800–1000
Гц
Амплитуда колебаний: от 0,1 нм (порог
слышимости) до 0,1 мм (болевой порог)
К ней прикреплён молоточек, далее —
наковальня и стремечко (три миниатюрные
кости, общий вес ~ 50 мг)
Рычажный эффект косточек даёт
дополнительное усиление силы ≈ 1,3 раза

4. Улитка: механический анализатор частот

Базилярная мембрана имеет градиент жёсткости: от жёсткого основания до гибкой
вершины
Звук создаёт бегущую волну, которая распространяется вдоль мембраны
Положение максимума волны (пик резонанса) зависит от частоты звука
Высокие частоты → пик у жёсткого основания
Низкие частоты → пик у гибкой вершины

5. Отличие животных от человека

1
3
2
• Летучая мышь :
до 100 000 –
120 000 Гц
Очень
жёсткая и
короткая
мембрана →
резонанс на
высоких частотах
для эхолокации
• Собака: до 40
тыс – 45 тыс Гц
Мембрана
жёстче, чем у
человека →
сдвиг резонанса
в ультразвук
(писк мышей)
• Кит (горбатый,
синий):
от 5–
10 Гц (инфразвук)
Огромная,
длинная и очень
гибкая мембрана →
резонанс на
инфранизких
частотах для
коммуникации на
сотни километров в
океане

6. Волосковые клетки: механика открывает электричество

Механический вход: Колебания базилярной мембраны заставляют изгибаться пучки
стереоцилий (микроволосков) на верхушке волосковых клеток.
Молекулярный механизм: Соседние стереоцилии соединены тончайшими
белковыми нитями . При изгибе волосков эти нити натягиваются, как струны.
Электрический выход: Ионы калия (K⁺) и кальция (Ca²⁺) устремляются внутрь →
деполяризация клетки → выделение нейромедиатора → генерация потенциала
действия в слуховом нерве.
Ключевое превращение: Механическая энергия изгиба волосков → электрический
сигнал. Это явление называется механо-электрической трансдукцией.

7. От улитки к мозгу: передача и осознание звука

Слуховой нерв (VIII пара) — миелинизированные волокна (скорость до 50 м/с)
Сигнал — это потенциалы действия (электрические импульсы)
Путь: Улитка → Кохлеарные ядра (ствол) → Таламус → Слуховая кора
В коре — пространственно-временнáя реконструкция звука: частота и амплитуда импульсов
превращаются в ощущение высоты, громкости и тембра

8. Выводы: механика слуха

• Среднее ухо — гидравлический усилитель: разница площадей перепонки и
овального окна даёт выигрыш в давлении до 30 раз
• Улитка — механический частотный анализатор: градиент жёсткости
мембраны создаёт резонанс на разных частотах
• Волосковые клетки — механо-электрические преобразователи: изгиб
волосков открывает ионные каналы → деполяризация → нервный импульс
• Диапазон слуха (20–20000 Гц у человека) определяется механическими
свойствами базилярной мембраны (длина, жёсткость, масса)
• Мозг восстанавливает звук из пространственно-временнóго паттерна
импульсов, пришедших от улитки

9. РЕСУРСЫ

• Hudspeth A.J. Mechanoelectrical transduction by hair cells. Annual Review of Biophysics and Biophysical Chemistry, 1988,
17, 99-124. https://www.annualreviews.org/content/journals/10.1146/annurev.bb.17.060188.000531
• Howard J., Roberts W.M., Hudspeth A.J. Mechanoelectrical transduction by hair cells. Annual Review of Biophysics and
Biophysical Chemistry, 1988, 17, 99-124. DOI: 10.1146/annurev.bb.17.060188.000531.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/3293595/
• Fettiplace R., Fuchs P.A. Mechanisms of hair cell tuning. Annual Review of Physiology, 1999, 61, 809-834.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10099711/
• Fettiplace R. Hair cell transduction, tuning, and synaptic transmission in the mammalian cochlea. Comprehensive
Physiology, 2017, 7(4), 1197-1227. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28915331/
• Mechanical responses of the mammalian cochlea. PubMed. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/397377/
• Ashmore J., Avan P., et al. The remarkable cochlear amplifier. Hearing Research, 2010, 266(1-2), 1-17.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2905875/

10.

СПАСИБО
за
внимание