Способность человеческих ушей замечательно слышать и различать звуки — постоянный предмет некоторого недоумения. Мы слишком хорошо — с точки зрения известных науке принципов — делаем и то и другое. По крайней мере попытки создания искусственных аналогов указывают именно на это, равно как и эксперименты с подопытными добровольцами.
Одной из главных проблем остаются пока волоски внутреннего уха, что содержат тысячи волосковых клеток, в составе каждой из которых — пучок из 30–50 стереоцилий, нитей, высовывающихся из волоскового пучка на верхней поверхности волосковой клетки.
Пучки стереоцилий внутреннего уха лягушки одновременно выполняют функции, которые в нашем ухе возложены на улитку. (Фото Bechara Kachar / Wikimedia Commons.)
Юттана Роонгтумскул (Yuttana Roongthumskul) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) вместе с группой коллег попробовал проанализировать, как именно эти волоски будут воспринимать сигнал очень низкой пороговой величины. Исследователи работали in vitro с волосковыми пучками лягушки-быка. Почему с лягушкой, а не с млекопитающим? Увы, эволюция сделала слуховую систему млекопитающих намного сложнее, чем у иных классов. Поэтому, чтобы чётко разобраться в основах, пришлось брать куда проще устроенный слух, не обладающий даже улиткой.
Эксперименты подтвердили раннее наблюдение: пучки стереоцилий время от времени спонтанно колеблются вне связи с внешними звуками. «Эти автоакустические колебания никогда не наблюдались in vivo, но мы знаем, что во внутренним ухе есть что-то активное, нечто генерирующее звук», — объясняет исследователь. По его мнению, спонтанные колебания пучков могут использоваться для синхронизации со слабым входящим сигналом, чтобы создать своего рода активное усиление звука, который уху предстоит уловить.
Учёные использовали высокоскоростные камеры, чтобы поймать такую синхронизацию. Выяснилось, что если входящий звук силён, то всегда присутствует синхронизация по фазе колебаний стереоцилий и звука. А вот если звук слаб, то, напротив, наблюдается проскальзывание фазы: периодически фазы колебаний стереоцилий и звука совпадают, затем на какое-то время теряются, потом вновь синхронизируются.
Увы, наблюдать колебания стереоцилий in vivo пока чрезвычайно сложно.
Эти наблюдения показывают, что фазовая динамика колебаний волосковых клеток и звуков базируется не на той группе уравнений, которой они описывались до сих пор. Новые уравнения, применявшиеся исследователями для моделирования, демонстрируют, что после получения сигнала реакция уха оказывается весьма быстрой и высокочувствительной.
Тем не менее это лишь начало пути: в живом организме (где наблюдения за волосковыми клетками слишком сложны) ничего такого никто пока не видел, да и с пониманием источника экстремальной чувствительности есть проблемы. «Мы пока не знаем, почему человек слышит звуки в 0 дБ, особенно те из них, что вызывают вибрации, находящиеся ниже уровня тепловых флуктуаций или фонового шума самого уха», — обозначает следующие цели группы г-н Роонгтумскул.
