[轉貼] 耳蝸的妙用

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根據研究人員的計算, 耳蝸的螺旋結構可以有效地提昇聲音所造成的震動的強度, 尤其是低頻的部分.

長久以來科學家對於內耳中的耳蝸為何會長得像蝸牛的形狀非常不解, 到底它有什麼樣特殊的功能呢? 還是只是為了節省空間? 而在2006年三月三日出刊的Physical Review Letters中, 美國的研究人員計算分析出此螺旋結構可有效地提昇聲音所造成的震動的強度, 尤其是低頻的部分.

當聲波撞擊到耳膜時, 耳內的小軟骨會將震動傳到耳蝸內的液體中, 並沿著彎成螺旋狀的管子傳播. 這管子的性質沿著管而改變, 在裡面傳播的波會先漲起然後再消逝, 就像海浪傳到岸邊時會先變得又高又窄然後在海灘上破碎消失掉. 不同頻率的波會在沿著管子的不同地方達到峰值, 使耳蝸可以將不同頻率的聲音分辨出來. 然而, 之前研究人員就已經證明過耳蝸的螺旋形狀對於這些峰值所出現的位置並無任何作用. 也就是說, 理論上一條直的管子也能達到相同的功能. 而在新的工作中, 根據Vanderbilt University in Nashville, Tennessee的Daphne Manoussaki及National Institutes of Health in Bethesda, Maryland的Richard Chadwick和Emilios Dimitriadis的計算發現, 螺旋結構確實有其特殊的功能--它提高了可轉換成神經訊號的震動的強度.

由於螺旋狀的結構在數學上的計算相當複雜, 因此研究人員使用了一個在某些方面上比較理想的模型. 而正如先前的工作一樣, 他們的結果也顯示彎曲的結構與沿著管子傳播的震動的平均強度並無很大關聯. 然而, 根據他們的計算結果, 當波傳播的時候, 能量會逐漸地累積螺旋管偏外的一側, 而非均勻的分散在整個管子內. 而且低頻訊號傳到螺旋中的量較多, 因此造成的效果比較強. 由於偵測震動的細胞對於內側及外側的壓力差的反應較佳, 因此將聲音強度集中在某一側的方式, 可提高其訊號轉換的靈敏度.

研究人員將聲音的傳播比擬成耳語廊模式(whispering gallery modes), 也就是即使很微弱的聲音也可以傳得很遠, 沿著圓柱狀的牆跳躍傳播而不會損失能量. 而對於沿著耳蝸傳播的震動, 精緻的螺旋狀結構提供了一個新的花樣--逐漸緊密的彎曲的結構確保了聲音束(rays of sound)穩定地聚在靠近管壁的位置.

Harvard Medical School in Cambridge, Massachusettsk的Christopher Shera表示, 在聽覺的研究中, 大部分的工作都是從了解細胞和蛋白質的性質上著手. 因此, 此工作重要且令人驚喜的原因是, 它證明了耳蝸複雜的幾何形狀的功能是對低頻的訊號產生放大的作用.