حلزون: ساختار مارپیچی حاوی گیرنده‌های شنوایی

حلزون گوش: شاه‌کار مهندسی شنوایی

حلزون چیست و کجاست؟

نکته اول گوش انسان از سه بخش اصلی تشکیل شده است: گوش بیرونی، گوش میانی و گوش درونی. حلزون^۱ بخشی از گوش درونی است که شکلی شبیه به پوسته یک حلزون کوچک دارد. این ساختار استخوانی و مارپیچی، پر از مایع است و مسئول دریافت لرزش‌های صوتی و تبدیل آن‌ها به سیگنال‌های الکتریکی برای مغز است.

برای درک بهتر، فرض کنید در کنار یک برکه ایستاده‌اید و سنگی را به داخل آب پرتاب می‌کنید. امواج دایره‌ای شکل روی سطح آب پخش می‌شوند. امواج صوتی نیز در هوا به صورت مشابه حرکت می‌کنند. این امواج توسط گوش بیرونی جمع‌آوری شده و پس از عبور از گوش میانی، به مایع داخل حلزون برخورد می‌کنند و آن را به حرکت درمی‌آورند.

سفر یک موج صوتی به درون حلزون

وقتی شما صحبت می‌کنید یا به موسیقی گوش می‌دهید، مراحل زیر به سرعت و به طور مداوم رخ می‌دهد:

1. امواج صوتی وارد مجرای گوش می‌شوند و به پرده گوش برخورد می‌کنند و آن را می‌لرزانند.
2. این لرزش به سه استخوان کوچک در گوش میانی منتقل می‌شود.
3. استخوان‌ها، لرزش را تقویت کرده و به پنجره بیضی شکل در ورودی حلزون می‌فرستند.
4. حرکت پنجره بیضی شکل، باعث ایجاد موج در مایع داخل حلزون می‌شود.

این موج مایع، یک غشای خاص به نام غشای پایه^۵ را به ارتعاش درمی‌آورد. روی این غشا، هزاران سلول بسیار حساس به نام سلول‌های مویی^۳ قرار دارند. این سلول‌ها بر اساس بسامد (زیروبمی) صدا در نقاط مختلف غشای پایه قرار گرفته‌اند.

سلول‌های مویی: قهرمانان ناشناخته شنوایی

سلول‌های مویی، گیرنده‌های حسی^۲ اصلی در حلزون هستند. آن‌ها به جای موهای معمولی، دارای رشته‌های میکروسکوپی به نام استریوسیلیا^۶ هستند. هنگامی که غشای پایه به بالا و پایین حرکت می‌کند، این رشته‌های ریز نیز خم می‌شوند.

خم شدن این رشته‌ها، مانند فشردن کلید یک وسیله الکتریکی است. این عمل باعث باز شدن کانال‌های یونی در سلول می‌شود و یون‌های با بار مثبت به داخل سلول جاری می‌شوند. این جریان الکتریکی، سیگنالی ایجاد می‌کند که توسط عصب شنوایی دریافت و به مغز ارسال می‌شود. مغز ما این سیگنال‌های الکتریکی را به عنوان صدا تفسیر می‌کند.

ریاضیات پشت پرده شنوایی: بسامد و شدت

برای دانش‌آموزان دوره متوسطه و دبیرستان، درک رابطه بین فیزیک صوت و عملکرد حلزون جالب است. دو ویژگی اصلی صدا، بسامد (فرکانس) و شدت (بلندی) هستند.

بسامد که با واحد $ Hertz (Hz) $ اندازه‌گیری می‌شود، تعداد دفعاتی است که یک موج صوتی در یک ثانیه نوسان می‌کند. رابطه مکان تحریک روی غشای پایه با بسامد را می‌توان به صورت زیر نشان داد:

شدت صدا نیز که با واحد دسی‌بل $ (dB) $ اندازه‌گیری می‌شود، توسط تعداد و سرعت سیگنال‌های ارسالی از سلول‌های مویی به مغز کدگذاری می‌شود. صدای بلندتر باعث لرزش شدیدتر غشای پایه و در نتیجه خمش بیشتر رشته‌های سلول‌های مویی و ارسال سیگنال‌های بیشتر می‌شود.

کاربرد این دانش در فناوری‌های روز

درک عملکرد حلزون، پایه‌ای برای اختراع دستگاه‌های مهمی شده است. معروف‌ترین آن‌ها کاشت حلزونی^۷ است. این دستگاه الکترونیکی، شبیه یک حلزون مصنوعی برای افرادی عمل می‌کند که سلول‌های مویی آن‌ها به شدت آسیب دیده است.

این دستگاه از یک میکروفون خارجی برای دریافت صدا، یک پردازشگر برای تجزیه صدا به کانال‌های بسامدی مختلف و یک آرایه از الکترودها استفاده می‌کند که مستقیماً عصب شنوایی را در مکان‌های متناظر با بسامدهای مختلف تحریک می‌کند. این فناوری به هزاران نفر در سراسر جهان اجازه داده است تا توانایی شنوایی خود را تا حد زیادی بازیابند.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱ حلزون (Cochlea): از کلمه یونانی به معنای "حلزون" گرفته شده است. ساختاری استخوانی و مارپیچ در گوش درونی که حاوی گیرنده‌های شنوایی است.
^۲ گیرنده‌های حسی (Sensory Receptors): سلول‌ها یا انتهای عصبی که به محرک‌های خاصی (مانند نور، صدا، فشار) پاسخ می‌دهند.
^۳ سلول‌های مویی (Hair Cells): سلول‌های گیرنده حسی در حلزون که ارتعاش را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند.
^۴ امواج صوتی (Sound Waves): اختلالات ارتعاشی که در یک محیط (مانند هوا) منتشر می‌شوند و می‌توانند توسط گوش تشخیص داده شوند.
^۵ غشای پایه (Basilar Membrane): غشایی در داخل حلزون که سلول‌های مویی روی آن قرار دارند و بر اساس بسامد صدا در نقاط مختلفی از آن مرتعش می‌شود.
^۶ استریوسیلیا (Stereocilia): رشته‌های ریز و سخت روی سلول‌های مویی که در پاسخ به حرکت مایع در حلزون خم می‌شوند.
^۷ کاشت حلزونی (Cochlear Implant): یک دستگاه الکترونیکی پزشکی که عملکرد حلزون آسیب‌دیده را شبیه‌سازی می‌کند.