Prečo ľudské ucho nedokáže zachytiť ultrazvuk?

Zamysleli ste sa niekedy nad tým, prečo my ľudia vlastne nepočujeme ultrazvuk? Ak áno, prinášame vám komplexnú odpoveď.

Ľudské ucho nedokáže zachytiť ultrazvuk z niekoľkých dôvodov súvisiacich s jeho fyziológiou a spôsobom, akým vníma zvukové vlny. Ultrazvuk sa vzťahuje na zvukové vlny s frekvenciou vyššou ako 20 000 Hz (20 kHz), čo je horná hranica ľudského sluchu.

Obmedzenie spôsobené štruktúrou ucha

Štruktúra ľudského ucha zohráva kľúčovú úlohu pri jeho schopnosti vnímať rôzne frekvencie zvuku. Ako som už spomenul, ľudské ucho sa skladá z troch častí: vonkajšieho ucha, stredného ucha a vnútorného ucha. Každá z týchto častí má svoju úlohu pri prenose zvukových vĺn a ich premene na nervové signály, ktoré mozog dokáže interpretovať ako zvuk.

Vonkajšie ucho zahŕňa ušnice, ktoré slúžia na zachytávanie zvukových vĺn a ich smerovanie do zvukovodu. Zvukové vlny prechádzajú zvukovodom do bubienka v strednom uchu.

Bubienok je tenká membrána, ktorá začne vibrovať, keď na ňu dopadajú zvukové vlny. Tieto vibrácie sa prenášajú do stredného ucha cez tri sluchové kôstky nazývané kladivko, kovadlinka a strmienok. Tieto kostičky zosilňujú vibrácie a prenášajú ich do vnútorného ucha.

Vnútorné ucho obsahuje štruktúru nazývanú slimák, ktorá je vyplnená tekutinou a obsahuje bazilárnu membránu. Keď sa vibrácie z kostičiek v strednom uchu dostanú do slimáka, spôsobí to pohyb tekutiny a rozkmitanie bazilárnej membrány. Vibrácie bazilárnej membrány stimulujú Cortiho orgán, ktorý obsahuje tisíce sluchových buniek s vláskovitými štruktúrami nazývanými stereocílie.

Stimulácia vláskových buniek vytvára nervové signály, ktoré sa prenášajú prostredníctvom sluchového nervu do mozgových centier, kde sa interpretujú ako zvuk.

Určité fyzikálne obmedzenia týchto štruktúr, ako sú bubienok a sluchové kostičky v strednom uchu, ovplyvňujú schopnosť ucha prenášať zvukové vlny s vyššími frekvenciami, ako je ultrazvuk. Tieto štruktúry sú najúčinnejšie pri prenose zvukov v rozsahu ľudského sluchu, ktorý je približne medzi 20 Hz a 20 kHz. Frekvencie mimo tohto rozsahu je pre ucho ťažšie zachytiť a premeniť na nervové signály.

Bazilárna membrána a vnútorné ucho

Bazilárna membrána v kombinácii s Cortiho orgánom vo vnútornom uchu človeka je zodpovedná za detekciu rôznych frekvencií zvuku. Bazilárna membrána je tenká, pružná štruktúra, ktorá sa tiahne po celej dĺžke slimáka. Na svojom vrchole (apexe) je širšia a menej tuhá a na svojej základni (base) je užšia a tuhšia. Toto odstupňovanie tuhosti spôsobuje, že rôzne časti membrány reagujú na rôzne frekvencie zvuku.

Keď sa vibrácie zvuku dostanú do slimáka, spôsobia pohyb tekutiny, ktorý spôsobí rozkmitanie bazilárnej membrány. Vysoké frekvencie (vyššie výšky tónov) spôsobujú maximálne vychýlenie membrány bližšie k základni, zatiaľ čo nízke frekvencie (nižšie výšky tónov) spôsobujú maximálne vychýlenie bližšie k vrcholu. To umožňuje uchu rozlišovať rôzne frekvencie zvuku.

Cortiho orgán, ktorý sa nachádza na bazilárnej membráne, obsahuje tisíce vláskových buniek. Tieto bunky sú pokryté štruktúrami podobnými vláskom, ktoré sa nazývajú stereocílie, ktoré sa ohýbajú, keď bazilárna membrána vibruje. Toto ohýbanie vláskových buniek vytvára nervové signály, ktoré sa prenášajú prostredníctvom sluchového nervu do mozgových centier, kde sa interpretujú ako zvuk.

Ľudská bazilárna membrána je citlivá na zvukové frekvencie od 20 Hz do 20 kHz. Tento rozsah sa nazýva rozsah ľudského sluchu. Frekvencie mimo tohto rozsahu, napríklad ultrazvuk, neaktivujú bazilárnu membránu natoľko, aby vytvorili nervové signály pre mozog. Ľudské ucho teda nie je schopné vnímať ultrazvukové frekvencie.

Nervové obmedzenia

Ďalším faktorom, ktorý ovplyvňuje schopnosť ľudského ucha vnímať ultrazvukové frekvencie, sú nervové obmedzenia. Sluchový systém v mozgu a sluchový nerv sú navrhnuté tak, aby optimálne spracovávali zvukové informácie v rozsahu frekvencií, na ktoré je ľudský sluch najcitlivejší (približne 20 Hz až 20 kHz).

Sluchový nerv prenáša nervové signály z vláskových buniek v Cortiho orgáne do mozgových centier zodpovedných za spracovanie a interpretáciu zvuku. Tieto nervové signály putujú do stredného mozgu, kde sa analyzujú a filtrujú, a potom do primárnej sluchovej kôry v spánkovom laloku mozgu. Primárna sluchová kôra je oblasť, v ktorej prebieha väčšina spracovania zvuku a kde sa signály nakoniec interpretujú ako zvuk.

Neuróny a sieťové prepojenia v sluchovom systéme majú svoje vlastné obmedzenia súvisiace so schopnosťou spracovávať informácie o rôznych frekvenciách zvuku. Výskum ukazuje, že neuróny v sluchovom systéme sú optimalizované na detekciu a spracovanie zvukových frekvencií, ktoré sú v rozsahu ľudského sluchu. Frekvencie mimo tohto rozsahu, napríklad ultrazvukové frekvencie, neuróny v sluchovom systéme účinne nespracúvajú a neinterpretujú.

Táto kombinácia fyziologických a nervových obmedzení spôsobuje, že ľudské ucho nie je schopné vnímať ultrazvukové frekvencie.