Рецептори в людському оці

	Колбочки	Палички
Кількість	6 мільйонів	120 мільйонів
Розташування на сітківці	центр	периферія
Чутливість у тьмяному освітленні	низька	висока
Світлочутливість	так	немає

Обробка візуальної інформації

Обробка візуальної інформації відбувається на різних рівнях з поступовим ускладненням. На вході сітківка, яка на ранніх стадіях розвитку плоду фактично є частиною мозку, обробляє інформацію до того, як вона досягне мозку. Нейрони сітківки не просто передають електричні імпульси мозку, вони самі допомагають закодувати й проаналізувати сенсорну інформацію. Значна частина обробки візуальної інформації відбувається в нервових тканинах сітківки. Третій шар нейронів в оці жаби, наприклад, має особливі клітини, так названі "детектори комах", які реагують тільки на об'єкти, що рухаються.

У людському оці інформація майже від 130 мільйонів рецепторних паличок і колбочок передається майже мільйону ганглій, волокна яких утворять оптичний нерв. Типова ганглієва клітина реагує на контраст тьмяне - яскраве. Це допомагає мозку розрізняти контури й інші важливі особливості об'єктів навколишнього світу. Але основна частина обробки інформації відбувається безпосередньо в мозку. Кожна окрема частина сітківки передає свою інформацію відповідної частини потиличної частки - візуальній корі в задній частині мозку (мал. 5.9).

Чутливість клітин сітківки, що дає їм можливість породжувати імпульси, часто дає підставу вистрілювати ними у відповідь на обманне подразнення. Подивіться двома очами вліво, закрийте очі, а потім потихеньку потріть зовнішній куточок правого віка пучкою. Ви побачите спалах світла в лівій частині ока, що буде рухатися разом з рухом вашого пальця. Чому ви бачите світло? І чому ліворуч?

Нервові клітки сітківки такі делікатні, що навіть тиск на віко викликає їхню реакцію. Але наш мозок сприймає їхні імпульси як світло. Більше того, йому здається, що світло йде ліворуч - звідки звичайно воно і йде, коли активізують праву частину сітківки.

Розпізнавання особливостей об'єктів

Як тільки окремі ганглії реєструють інформацію на своїй ділянці поля зору, вони досилають сигнали візуальній корі мозку. Лауреати Нобелівської премії Девід Хубель і Торстен Уїзель (Hubel & Wiesel, 1979) вважають, що окремі нейрони кори, названі детекторами особливостей, одержуючи інформацію, реагують тільки на специфічні риси, особливі смуги, контури, лінії. А із цих будівельних елементів мозок і утворить цілісний образ об'єкта.

Наприклад, Хубель і Уїзель стверджують, що та або інша клітина мозку може реагувати максимально на одну яку-небудь лінію, що проходить під нахилом, що відповідає положенню стрілки годин, які показують 2 години (мал. 5.10). Якщо нахил буде іншим, скажемо, у положенні стрілок годин, які показують 3 години або 1 година, то клітина заспокоюється. Таким чином, клітини-детектори особливостей об'єктів реєструють тільки специфічні моменти, які виділяються з візуальної інформації, що йде від очей. Ці клітини-детектори передають свою інформацію іншим клітинам, які, у свою чергу, реагують на більш складний комплекс особливостей, такий, як, наприклад, певний кут, утворений двома лініями. Головна думка зводиться до наступного: комплексне сприйняття виникає в результаті взаємодії численних нейронів, при цьому кожний з них виконує одну просту функцію.

Візуальна кора передає цю інформацію скроневій і тім'яній часткам, де перебувають мозкові клітки вищих рівнів, які реагують вибірково на специфічні подразники, такі як особа або рух руки в якомусь напрямку. Психолог Девід Пері і його колеги (Perrett & others, 1988, 1992, 1994) стверджують, що для життєво важливих об'єктів і явищ у мозку мавпи (і людини теж) є "більша візуальна енциклопедія", розподілена серед безлічі кліток, кожна з яких реагує тільки на якийсь певний подразник. Пері виділив нервові клітини, що спеціалізуються в реакціях на специфічний погляд, кут нахилу голови, положення тіла або його рух. Інші супергрупи кліток інтегрують цю інформацію й вистрілюють імпульс тільки тоді, коли колективно визначають, на що спрямовано увагу людини або куди вона рухається. Такий миттєвий аналіз, що допомагав ще нашим предкам вижити, допомагає й воротареві вгадати напрямок польоту м'яча в кидку, який готується, по воротах, а пішоходу - вгадати наступний рух іншого пішохода, який йде йому назустріч.

Електроди реєструють реакцію окремих клітин візуальної кори мозку мавпи на різні візуальні подразників.

Учені знайшли також нервові клітки, які можуть або реагувати на роздратування, або ні - залежно від того, як мавпа сприймає даний об'єкт (що "проявляється" у рухах очей мавпи (Logothetis & Schall, 1989). Такі дослідження нагадують нам про те, що наша візуальна система працює й за схемою знизу-вверх, і за схемою зверху-вниз. Хоча візуальний канал зв'язку сумлінно доносить до мозку результати подразнення сітківки, мозок, з свого боку, обробляючи інформацію, представляє наші переконання, інтереси й очікування. (Maunsell, 1995). Вищий рівень діяльності мозку, який лежить в основі сприйняття, інтегрує сенсорний внесок з пізнанням.

Учені обговорюють природу тих особливостей, які реєструються клітинами мозку. Останні дані свідчать про те, що будь-який образ (наприклад, особа) може розбиватися на елементарні візерунки з незмінною інтенсивністю світла. Ці світлові хвилі можна описати математично. Таким чином, при візуальному сприйнятті мозок фактично обробляє закодовану інформацію й представляє її у вигляді об'єкта (Kosslyn & Koenig, 1992; Marr, 1982). Нейрологи, що працюють разом з фахівцями в області комп'ютерів, прагнуть змоделювати діяльність взаємозалежних, багаторівневих нейронних клітин мозку. Їх ціль - створити штучні візуальні системи, які б реагували на подразники так само, як реагує візуальна система людини. Наприклад, створені ними штучні системи нейронних мереж, так само як і нейронні системи людини, реагують на ілюзорний образ трикутника, представленого на мал. 5.11. І система нейронів людини, і штучно створена нейронна система однаково реагують на цей об'єкт, немов би це дійсний трикутник (Finkel & Sajda, 1994).

КУДИ ПОЛЕТИТЬ М'ЯЧ, ЛІВОРУЧ ЧИ ПРАВОРУЧ?

У півфінальній грі Європейського футбольного чемпіонату 1996 року німецький воротар Андреас Копке намагається вгадати, куди пошле м'яч своїм ударом нападаючий англійської команди Саутгейт. Перше ніж нога Саутгейта торкнулася м'яча, візуальна система Копке, сприйнявши погляд, пози й рухи Саутгейта, активізувала суперклітини: "полетить вправо". Копке бере м'яч, і німці виграють гру.

Паралельна обробка інформації

Обробка інформації, коли одночасно обробляються кілька її аспектів, звичайний спосіб обробки різних типів інформації мозком, у тому числі візуальної. Її можна протиставити поступовій (серійній) обробці інформації комп'ютером чи свідомому рішенню іншої людини.

Паралельна обробка інформації

Нейронні імпульси переміщаються в мільйон разів повільніше, ніж сигнали в комп'ютері, однак мозок людини перевершує будь-який комп'ютер, скажемо, по швидкості впізнавання знайомої особи. На відміну від багатьох комп'ютерів, які обробляють інформацію крок за кроком, серійно, наш мозок обробляє її одночасно, і ця процедура називається паралельною обробкою інформації. Мозок ділить візуальний подразник на окремі аспекти такі як кольори, глибина, рух, форма й працює з кожним аспектом одночасно (Livingstone & Hubel, 1988). Як говорить Девід Румельхарт (Ru-melhart, 1989), такий поділ праці між спеціалізованими, але перекриваючими одна одну, нейронними системами більш ніж у достатньо компенсує повільність роботи мозку:

Хоча компоненти мозку працюють повільно, їх у нього дуже багато. Людський мозок містить більйони таких обробних елементів. Замість організації обробки інформації у вигляді серії послідовних кроків, як це відбувається в комп'ютерних системах, де кожний крок в обробці відбувається дуже швидко, мозок розподіляє обов'язки між величезною кількістю обробних елементів, які функціонують паралельно один одному й спільно при виконанні того або іншого виду діяльності.

Так, сітківка посилає сигнали не тільки на якусь одну ділянку візуальної кори, але одночасно на кілька ділянок, кожна з яких активізується у відповідь на роздратування. Коли мозок інтегрує цю візуальну інформацію, далі обробляючи її на якій-небудь іншій ділянці кори, скронева частка дає нам можливість розпізнати образ, скажемо, Вупі Голдберг. Весь процес розпізнавання людини вимагає величезних зусиль мозку - 30% всієї кори зайняте в ньому, і це в 10 разів більш того, що мозок виділяє для розпізнавання голосу. Розрахунки, потрібні для створення роботів, здатних до сенсомоторної координації, по своїй складності перевершує навіть розрахунки, потрібні для роботів, що здійснюють розумові процеси. Ми зараз маємо у своєму розпорядженні комп'ютери, які можуть грати в шахи із чемпіоном миру Гаррі Каспаровым, але нам ще дуже далеко до створення комп'ютеризованих роботів, які могли б грати в теніс з Монікою Селеш, не говорячи вже про тих, які могли б робити прибирання в будинку.

Розподіл функцій між різними групами нейронів при обробці візуальної інформації може пояснити деякі незвичайні явища. Після інсульту людина може втратити тільки один аспект зору. Наприклад, вона здатна сприймати кольори, але не здатна сприймати рух. Об'єкт, що рухається, може зовсім зникнути з її поля зору, поки не зупинить свій рух. Людина з ушкодженим мозком може описати об'єкт - скажемо, кольори троянди й жіночий ріст, - але не може назвати ні об'єкт, ні жінку. Окремі хворі в результаті ушкодження нервових клітин гублять можливість свідомо сприймати окремі об'єкти свого поля зору. Одній жінці показали 2 малюнки будинку, і в одному з них (у лівому) була пожежа. Коли жінку запитали, у якому будинку вона хотіла б жити, вона відповіла, що питання недоречне, тому що "це той самий будинок". Але вона вперто вибирала будинок, у якому не було пожежі (Marshall & Halligan, 1988; Milner, 1995). Ця здатність реагувати на об'єкт без свідомого його сприйняття, названа "сліпим баченням", ще раз нагадує нам про дивну істину: наш мозок багато чого робить відразу, автоматично,без нашого усвідомлення цього.

СПРОЩЕНА СХЕМА ОБРОБКИ ВІЗУАЛЬНОЇ ІНФОРМАЦІЇ

Інші органи чуттів обробляють інформацію з не меншою швидкістю й майстерністю. Відкривши двері, ви почуваєте заходи, що йдуть з кухні, ще не переступивши поріг будинку. Ви впізнаєте по телефону голос друга ще до того, як він назве своє ім'я. У лічені частини секунди, як тільки ці вищезгадані об'єкти почнуть дратувати ваші органи чуття, мільйони нейронів одночасно скоординують свої зусилля, щоб визначити головні особливості подразників, зрівняти їх з колишнім досвідом і як оком змигнути розпізнати (Freeman, 1991).

Глибоке наукове розуміння функцій органів почуттів підтверджує нейропсихолог Роджер Сперри (Sperry, 1985): "Наукові відкриття дають усе більше підстав для священного страху, поваги й поклоніння". Подумайте про це: якщо ви дивитеся на кого-небудь, візуальна інформація посилає у ваш мозок у вигляді мільйонів нейронних імпульсів, потім вона розбивається на компоненти, а потім, поки що ще не вивченим способом, збирається в усвідомлено сприйнятий об'єкт, що рівняється з уже існуючим образом і розпізнається як, наприклад, ваша бабуся. Весь процес (мал. 5.12) такий же складний, як, скажемо, розбирання автомобіля на деталі, перенос їх в інше місце, а потім його повторна зборка кваліфікованими робітниками. При цьому всі операції відбуваються миттєво, без напруги й безупинно. І від усвідомлення всієї грандіозності цього процесу стає небагато не по собі.

КОЛІРНЕ БАЧЕННЯ

Люди вважають, що кожний об'єкт у світі має свої кольори. Ми говоримо: "Помідор червоний". Можливо, ви замислювалися над цим: "Якщо в лісі падає дерево, а ніхто не чує шуму від падіння, тобто чи взагалі цей шум?" Т же саме можна сказати й про кольори: "Якщо ніхто не бачив помідор, те чи червоний він?"

Відповідь буде негативною. По-перше, помідор може бути будь-яких кольорів, крім червоного, тому що він відштовхує від себе (відбиває) довгі хвилі, що відповідають червоному. По-друге, кольори помідора - це наша розумова побудова. Як сказав Ісак Ньютон (1704), "світлові промені безбарвні". Кольори, як і всі аспекти зору, утримується не в об'єкті, а в нашому мозку. Навіть коли спимо, ми можемо бачити кольорові сни.

У дослідженні бачення вражає одне із самих загадкових явищ - здатність людини бачити світ у квітах. Яким чином зі світлової енергії, що попадає на сітківку, мозок створює наше бачення об'єктів - у безлічі різних квітів і відтінків? Наш різницевий поріг для квітів настільки низок, що ми можемо розпізнавати до 7 мільйонів відтінків різних (Geldard, 1972).

У будь-якому випадку, більшість із нас здатні на це. Але приблизно одна людина з кожних 50 має вади зору, і цією людиною буде, ймовірно чоловік, тому що недолік пов'язаний зі статтю. Щоб зрозуміти, чому деякі люди не можуть сприймати всі кольори, ми повинні спочатку розглянути, як відбуваються процес сприйняття реальності в кольорі.

Трихроматична (триколірна) теорія Янга-Гельмгольца

Теорія, відповідно до якої на сітківці ока є три види рецепторів: один чутливий до червоного кольору, другий - до зеленого, третій - до блакитного, а всі разом вони дозволяють сприймати будь-які кольори.

Теорія оппонентних процесів. Теорія, відповідно до якої протидіючі процеси в сітківці (червоний-зелений, жовтий-голубий, червоний-чорний) дають можливість бачити світ у кольорі. Наприклад, одні клітини подразнюються зеленими кольорами й гальмуються червоним, інші - навпаки.

Константність кольорів

Сприйняття знайомих об'єктів з їхніми постійними кольорами навіть тоді, коли різне освітлення змінює довжину хвиль, які відбиваються об'єктом.

Сучасні дослідження цього процесу своїми коріннями йдуть в XIX століття, коли Герман фон Гельмгольц (Helmholz) на основі наукових поглядів англійського фізика Томаса Янга (Young) створив свою теорію. Обоє виходили з постулату, що будь-які кольори можна створити шляхом з'єднань хвиль світла трьох основних кольорів - - червоного, зеленого й блакитного. Янг і Гельмгольц вважали; що в оці є три типи рецепторів, при цьому кожний з них пристосований до сприйняття одного якого-небудь кольору.

Через багато років учені досліджували реакцію різних колбочок сітківки на різні кольорові подразники й підтвердили трихроматичну (триколірну) теорію Янга-Гельмгольца, відповідно до якої на сітківці є три типи рецепторів, при цьому кожний тип пристосований до сприйняття тільки одного кольорів. І - от чудо! - це й справді червоний, зелений і голубий кольори. Коли подразнюється комбінація колбочок, ми бачимо інші кольори. Скажемо, немає рецепторів, спеціально пристосованих для сприйняття жовтих кольорів. Однак коли одночасно дратуються колбочки, чутливі до зеленого й червоного кольорів, то можна побачити жовтий.

Більшість людей, які мають недолік у сприйнятті кольорів, фактично не є "сліпими" у відношенні до них. Вони просто не мають колбочок, чутливих до червоного або зеленого кольорів. Їхній зір є дихроматичним, а не трихроматичним, тому їм і важко відрізняти червоне від зеленого (Boynton, 1979). У собак також немає рецепторів для сприйняття червоних кольорів, у них бачення дихроматичне й обмежене (Neitz & others, 1989).

Незабаром після того, як Янг і Гельмгольц запропонували свою трихррматическну теорію, фізіолог Евальд Герінг (Hering) писав, що все ще залишається багато незрозумілого у сприйнятті кольорів людиною. Наприклад, ми бачимо жовті кольори при одночасному подразненні колбочок, чутливих до червоного й зеленого. Але чому тоді люди, які не бачать зеленого і червоного кольорів, все-таки відрізняють жовтий? І чому жовтий є чистим кольором, а не сумішшю червоного й зеленого, на відміну від пурпурового, котрий складається із червоного й блакитного кольорів?

Герінг спробував дати відповідь на ці питання за допомогою добре відомого явища післяобразів. Якщо ви уважно вдивлятимитесь у квадрат зелених кольорів, а потім подивитеся на білий аркуш паперу, то побачите червоний колір, "колір-опонент" зеленого. Вдивляйтеся у жовтий квадрат, і ви побачите на білому папері його "колір-опонент" - голубий. Герінг прийшов до висновку, що існують два процеси сприйняття кольорів: в одному відбувається протиставлення червоного й зеленого кольорів, а в іншому - жовтого й блакитного.

Через сторіччя вчені підтвердили теорію опонентних процесів Герінга. Після того, як візуальна інформація залишає рецепторні клітини, вона аналізується з точки зору кольорів-опонентів: червоного й зеленого, блакитного й жовтого, а також чорного й білого. У сітківці й таламусі (де імпульси, що йдуть від сітківки, направляються до візуальних кір мозку), деякі нейрони "включаються" червоним, але "вимикаються" зеленими кольорами (De Valois & De Valois, 1975). Таким чином, якщо ви помітили один із цих кольорів якою-небудь ділянкою сітківки, то не зможете тим ж ділянками одночасно бачити й колір-опонент; ви не бачите зеленувато-червоні кольори.

Процеси протидій кольорів можуть пояснити явище післяобразів так: пильно вдивляючись в зелене, ми стомлюємо наші рецептори, що сприймають зелені кольори. Якщо потім ми пильно вдивимося в білі кольори (а він містить у собі всю колірну гаму), то помітимо, що тільки червоний компонент пари зелене-червоне проявляє себе як звичайно.

Існуюче рішення таємниці кольоророзрізнення можна виразити так: обробка кольору проходить дві стадії. Червоні, зелені і сині колбочки сітківки відповідають по-різному на кольорові стимули, як у запропонованій трихроматичній теорії Янга-Гельмгольца. Потім їхні сигнали обробляються клітинами-опонентами нервової системи на шляху до зорової зони кори головного мозку.

Константність кольорів

Наш досвід сприйняття кольорів залежить від чогось більшого, ніж від тієї інформації, що одержують наші трихроматичні колбочки і яка передається кліткам-опонентам таламуса для подальшої обробки.

Цим "чимсь більшим" є тло. Якщо ви бачите тільки частипу помідора й не знаєте, що це таке, то вам може здатися, що кольори цієї частини змінюються разом зі зміною світла. Але коли ви бачите цілий помідор у тарілці з іншими овочами, його колір залишається приблизно однаковим, хоча освітлення й змінюється. Цей феномен відомий як константність кольорів. Доротея Джеймсон (Jameson, 1985) відзначає, що довжина хвиль блакитної рейки при штучному освітленні ("денному світлі") відповідає довжині хвиль, які відбиваються золотавою рейкою при сонячному світлі. Однак принесіть синицю в кімнату, і вона не буде виглядати як щиголь. Точно так само й зелений листок на коричневій гілці при зміні висвітлення відбиває ту ж саму енергію світла, що раніше йшла від гілки. І все-таки аркуш здається нам зеленуватим, а гілка - коричневатою. Надягніть захисні лижні окуляри зі склом жовтуватого кольору, але через секунду сніг знову здасться білим, як і раніше.

Ми сприймаємо цю константність кольорів як саме собою що розуміє, однак це явище дуже цікаве. Воно свідчить про те, що наше сприйняття кольорів об'єкта залежить не просто від самих об'єктів (кольори має не тільки аркуш), а від усього, що перебуває поруч. Ми бачимо кольори об'єкта завдяки обробці нашим мозком світла, відбитого цим об'єктом, але в тісному взаємозв'язку з усім, що його оточує.

У незмінному середовищі зберігається константність кольорів. А що буде, якщо воно зміниться? Через те, що наш мозок визначає кольори об'єкта щодо його тла, ми й сприймаємо ці кольори по різному. Ця закономірність - сприйняття об'єктів не окремо, а в їхній єдності із сусідніми об'єктами, - особливо велике значення має для художників, дизайнерів і модельєрів одягу. Кольори стіни або плями фарби на полотні залежить не тільки від фарби в тюбику, але й від інших кольорів

Завдання зорового відчуття, як і інших відчуттів, полягає в тому, щоб одержуючи енергію подразника, перетворювати її в нервові сигнали й посилати їх мозку.

Вплив подразника: енергії світла. Енергії, які сприймаються нами як видиме світло, це всього лише тонкий зріз широкого спектра електромагнітної радіації. Відтінки і яскравість світла, які сприймаються, залежать від довжини хвиль та їхньої інтенсивності.

Око. Надійшовши в око, світло через кришталик попадає на сітківку. Світлочутливі палички й кольорочутливі колбочки сітківки перетворюють світлову енергію в нейронні імпульси, які кодуються сітківкою до того, як по оптичному нерві вони йдуть до мозку.

Обробка візуальної інформації. У корі головного мозку окремі нейрони, названі детекторами особливостей, реагують на специфічні особливості візуального подразника, і ця інформація інтегрується для її подальшої інтерпретації клітками мозку вищих рівнів. Окремі аспекти візуального подразника (кольори, рух, глибина, форма) обробляються окремо й одночасно, що свідчить про здатність мозку до паралельної обробки інформації. Канали візуального зв'язку сумлінно доносять до мозку результати первинної обробки сигналів на сітківці, але мозок, зі своєї сторони, обробляючи інформацію далі, враховує наші переконання, інтереси й очікування.

Кольорове бачення. Дослідження процесу сприйняття кольору підтверджують дві теорії XIX століття. У першій з них, триколірній теорії Янга-Гельмгольца, стверджується, що на сітківці є 3 типи колбочок. Кожний тип чутливий до хвильової довжини тільки одного із трьох головних кольорів (червоного, зеленого й блакитного). Друга - теорія опонентних процесів - стверджує, що нервова система кодує колірну інформацію колбочок у пари протидіючих один одному кольорів, що демонструється феноменом післяобразу й підтверджується опонентними процесами, що відбуваються у візуальних нейронах таламуса. Феномен константності кольору при зміні освітлення свідчить про те, що наш досвід управляє сприйняттям кольорів.

КЛЮЧОВІ ТЕРМІНИ Й ПОНЯТТЯ: трансдукція, довжина хвилі, відтінок, інтенсивність, зіниця, райдужна оболонка, кришталик, акомодація, сітківка, короткозорість, далекозорість, палички, колбочки, оптичний нерв, сліпа пляма, ямка, детектори особливостей, паралельна обробка інформації, трихроматична (триколірна) теорія Янга-Гельмгольца, теорія опонентних процесів, константність кольорів.

Слух

Можливо, не настільки таємничим, але все-таки дивним є ще один аспект нашого досвіду: процес перетворення звукових хвиль у нервові імпульси, які мозок інтерпретує й представляє як повну змісту звукову симфонію. Як це відбувається? Які зриви в системі приводять до втрати слуху? І що значить бути глухим?

Як і всі інші відчуття, наш слух має велику здатність до адаптації. Ми сприймаємо самі різні звуки, але найкраще чуємо звуки в діапазоні, що відповідає діапазону людського голосу. Ми напрочуд чутливі до слабких звуків, що, можливо, залишилося нам у спадщину від предків, які або полювали на диких звірів, або самі ставали їхнім здобутком. (Якби наш слух був ще тоншим, ми чули б постійне шипіння від руху молекул повітря.) Крім того, у нас є здатність відрізняти звуки. Ми з легкістю розпізнаємо знайомий голос серед тисяч інших голосів.

Виникає фундаментальне питання: чому так відбувається? Яким чином ми перетворюємо енергію звуку в нервові імпульси, які наш мозок сприймає як конкретні сигнали, які йдуть із конкретного місця?

ПОДРАЗНИК: ЗВУКОВІ ХВИЛІ

Ударте по клавіші піаніно, і ви матимете подразники, що впливають на наш слух - звукові хвилі - молекули повітря, які увесь час штовхаються, ніби, що прослухали концерт люди на виході з переповненого концертного залу. Звукові хвилі, які те стискуються, то розширюються, нагадують кола на воді ставка, що розходяться від того місця, куди ми кинули камінь. Сила, або амплітуда звукових хвиль, визначає їхня гучність. Хвилі розрізняються також по довжині й, отже, по частоті (згадаєте мал. 5.4). Частота хвиль визначає рівень звуку: чим довші хвилі (нижча їхня частота), тим нижчим буде рівень; чим коротші хвилі (вища їхня частота), тим вище рівень. Флейта-пікколо породжує коротші звукові хвилі, чим різкий свисток чайника.

Звукова енергія виміряється децибелами. Абсолютний поріг для слуху визначається як 0 децибел. Кожні 10 децибел відповідають десятикратному посиленню звуку. Так, нормальна розмова (60 децибел) приблизно в 10 000 разів голосніша за тихий шепіт (20 децибел). А стерпний людиною звук в 90 децибел у трильйон разів голосніший слабкого, ледве помітного звуку. (Зі світлом відбувається те ж саме, ми переносимо світловий подразник, у трильйон разів більш інтенсивний, чим самий слабкий, ледве помітний світло.) Тривалий вплив звуків вище 85 децибелів може привести до втрати слуху (мал. 5.13).

Частота

Кількість хвиль, які проходить через яку-небудь крапку за якийсь проміжок часу (наприклад, за секунду).

Рівень звуку

Ступінь висоти тону, залежить від частоти хвиль.

ВУХО

Щоб чути, ми повинні якимось чином перетворювати звукові хвилі в нервові імпульси. Людське вухо робить це за допомогою складної механічної ланцюгової реакції (мал. 5.14). Спочатку всім видиме зовнішнє вухо направляє звукові хвилі по слуховому каналу до барабанної перетинки - тугої мембрани, що вібрує під впливом хвиль. Середнє вухо передає вібрацію перетинки через поршень, що складається їх трьох маленьких кісточок (молот, ковадло й стремінце) до труби, закрученої у вигляді раковини у внутрішнім вусі, що називається равликом. Вібрація, що надійшла, змушує мембрану равлика (овальне вікно) приводити в руху рідину, яка заповнює трубу. Цей рух викликає пульсацію на базилярній мембрані, яка покрита волосяними кліткинами, названими так через маленьких волоскоподобні виступи. Пульсація на базилярній мембрані нахиляє волоски так само, як вітер хилить колосся на пшеничному полі, викликаючи імпульси в сусідніх нервових волокнах, які сплітаються, утворюючи слуховий нерв. За допомогою цього механічного ланцюга подій звукові хвилі змушують волосяні клітини внутрішнього вуха посилати нервові імпульси до аудіальної кори скроневої часини мозку. Від вібрації повітря до активізації трьох маленьких кісточок, від них до хвиль у рідині, потім до електроімпульсів, а від них - до мозку. У результаті цього процесу ми чуємо.

Середнє вухо

Ділянка вуxa між барабанною перетинкою й равликом, на якому розміщені 3 маленькі кісточки (молот, ковадло й стремінце), що направляють вібрації барабанної перетинки на овальне вікно равлика.

Внутрішнє вухо

Найвіддаленіша частина вуха, в якій розміщені равлик, напівкругліі канали, вестибулярні мішки.

Равлик

Закручена, костиста, заповнена рідиною труба у внутрішнім вусі, у якій звукові хвилі породжують нервові імпульси.

Теорія місця

Має відношення до слуху. Ця теорія пов'язує рівень звуку, що ми чуємо, з тим місцем на мембрані равлика, що подразнюється.

Як ми сприймаємо висоту звуку?

Як ми відрізняємо різкий, пронизливий лемент птаха від ревіння важко навантаженої вантажівки? Існують дві теорії, які пояснюють, як ми відрізняємо високий рівень звуку від низького.

Відповідно до теорії місця, ми чуємо звуки різного рівня висоти, оскільки різні звукові хвилі викликають активність базилярної мембрани равлика на різних її ділянках. Таким чином, мозок відрізняє рівень звуку, впізнаючи ту ділянку мембрани, від якої він одержує нейронні сигнали. Коли Георг фон Бекеші (Bekesy, 1957) проколов равлика морських свинок і людських трупів і заглянув туди через мікроскоп, він помітив, що хвилі високої частоти викликали активність в основному біля того місця, де починалася мембрана равлика. Це відкриття принесло йому Нобелівську премію за 1961 рік.

ЯК МИ ПЕРЕТВОРЮЄМО ЗВУКОВІ ХВИЛІ В НЕРВОВІ ІМПУЛЬСИ, ЯКІ ІНТЕРПРЕТУЄ НАШ МОЗОК

Зовнішнє вухо направляє звукові хвилі до барабанної перетинки. Кісточки в середньому вусі підсилюють вібрацію барабанної перетинки й передають її через овальне вікно, наповнене рідиною, равликові. Зміна тиску в рідині равлика викликає пульсацію на базилярній мембрані, від чого нахиляються волосяні клітки на її поверхні. Рух волосяних клітин викликає імпульси в сусідніх нервових клітинахк, волокна яких сплітаються, утворюючи слуховий нерв. (Для ясності частина равлика показана в розкрученому виді)

І хоча теорія місця пояснює, як ми чуємо звуки високого рівня, вона, однак, не може пояснити, як нам вдається відрізняти звуки низького рівня, тому що нервові імпульси, які вони породжують, не локалізуються тільки на базилярній мембрані. Походження звуків низького рівня пояснює теорія частоти. Базилярна мембрана вібрує від звукових хвиль, які йдуть на неї. Ця вібрація породжує нервові імпульси тієї ж частоти, що й частота звукових хвиль. Якщо частота звукової хвилі становить 100 хвиль у секунду, тоді по слуховому нерву в мозок за секунду направляється 100 імпульсів. Таким чином, мозок може "читати" рівень звуку по частоті нервових імпульсів.

Теорія частоти може пояснити, як ми сприймаємо звуки низького рівня. Оскільки окремі нейрони не можуть "вистрілювати" імпульси частіше, ніж тисячу разів у секунду, то постає питання, як нам вдається чути звуки, частота яких перевищує цей показник. Нагадаємо принцип стрілянини залпом: подібно до того як солдати стріляють залпом, і одні припиняють стрілянину, щоб перезарядити гвинтівки, а в цей час стріляють інші, так і нервові клітини вистрілюють свої імпульси залпами, зупиняються, а в цей час діють інші нейрони. У результаті виходить об'єднана частота, значно більша, ніж 1000 імпульсів за секунду.

Таким чином, теорія місця щонайкраще пояснює механізм сприйняття звуків високого рівня, а теорія частоти - низького рівня. Комбінація вище описаних процесів дозволяє сприймати звуки проміжного рівня.

Як ми локалізуємо звуки?

Різне сприйняття звуків двома мікрофонами при їхньому стереофонічному записі схоже на різне сприйняття звуків нашими вухами. Як місце знаходження наших очей дає нам можливість сприймати глибину візуально, так і місцезнаходження наших вух дозволяє сприймати стереофонічні ("тривимірні") звуки.

Теорія частоти

Відповідно до цієї теорії, кількість нервових імпульсів, які йдуть по слуховому нерву до мозку, подолає із частотою тону, що дає нам можливість сприймати його рівень.

Кондукційна глухота

Втрата слуху, викликана ушкодженням механічної системи, що підводить звукові хвилі до равлика.

Нервова глухота

Втрата слуху, викликана ушкодженням рецепторних міток равлика або слухового нерва.

Принаймні, з двох причин два вуха краще, ніж одне. Якщо праворуч від вас сигналить автомобіль, то праве вухо сприйме цей небагато більше сильний звук скоріше, ніж ліве. Через те що звук переміщається зі швидкістю 750 миль у годину, а наші вуха розташовані на відстані всього 6 дюймів, різниця в гучності й час запізнення дуже незначні. Але наш слух такий тонкий, що два вуха можуть виявити й невелику різницю (Brown & Deffenbacher, 1979; Middlebrooks & Green, 1991). Щоб визначити різницю між двома напрямками, від яких ідуть до нас два звуки, досить усього 0,000027 секунди!

Слухову інформацію, як і візуальну, мозок обробляє паралельно: він розподіляє завдання між специфічними нейронними групами, які й виконують свої обов'язки одночасно.

Різне за часом надходження звуків і різна їхня інтенсивність у сов (як, мабуть, і в людей) обробляються на різних нейронних мережах, перш ніж вони зіллються в єдину інфформацію, що дає можливість локалізувати звук (Konishi, 1993).

Шум

Життя міста заповнене шумом. Вулиця гуде від проїжджаючих по ній автомобілів, трамваїв і тролейбусів. Стукають верстати на підприємствах. Відбійні молотки ревінням підривають асфальт. Прагнучи знайти більш приємні звуки, молодь надягає на голову навушники й слухає популярну музику..

Але інтенсивність звуків може створювати проблеми. Навіть короткий контакт із такими різкими звуками, як постріл під самим вухом, тривале слухання надто гучної музики можуть ушкодити рецепторні клітки й слухові нерви (Backus, 1977; West & Evans, 1990). Хоча рок-н-ролу не грозить розставання зі своїми шанувальниками, слух музикантів, які його виконують, може притупитися.

Шум впливає не тільки на слух, але й на поведінку. Виконуючи роботу, що вимагає великої точності у заповненому шумом середовищі, люди роблять багато помилок (Broadbent, 1978). Той, хто живе поблизу постійних джерел шуму - біля промислових підприємств, аеропортів, на вулицях з інтенсивним вуличним рухом, - частіше страждає від стресів, підвищеного кров'яного тиску, тривожності, пригніченості (Evans & others, 1995).

Але чи всякий шум викликає стрес?

Лабораторні дослідження впливу шуму на психіку людини дають відповідь на це питання. Один раз Девід Глас і Джером Сінгер (Glass, Singer, 1972) записали на магнітну стрічку шум офісного обладнання й голосу людей, які розмовляли на різних мовах. На своєму робочому місці люди слухали цей шум - то голосний, то приглушений, з перервами різної тривалості. Вони швидко звикали до нього й успішно виконували свої обов'язки. Однак ті з них, хто попадав під вплив несподівано сильного шуму, потім робили більше помилок у контрольному завданні й частіше почували втому.

Звідси висновок: особливо небезпечним буває шум несподіваний або некерований. От чому різкі звуки чужого магнітофона, які неможливо контролювати, сприймаються нами набагато гірше, ніж така ж гучність від нашого власного магнітофона. У такі моменти у нас з'являється бажання мати у вухах щось на зразок повік на очах, щоб можна було відключитися від впливу настирливих звуків

Як, на ваш погляд, ми локалізуємо звук, що долинає до наших вух з місця, однаково віддаленого від обох вух, - наприклад, зверху, знизу, через спину й попереду? Не дуже легко, тому що такі звуки впливають на обидва вуха одночасно. Ви можете переконатися в цьому, коли будете сидіти із закритими очами, а ваш друг буде клацати пальцями в різних місцях навколо голови. Ви легко визначите місце, звідки йде звук, якщо пальцями клацати прямо перед вами, над головою, за головою або знизу. Ось чому, коли потрібно визначити напрямок звуку, ви нахиляєте голову, щоб кожне вухо одержувало трошки різні сигнали.