In this article I explore a topic of which everyone, more or less, have a summary knowledge that comes from the school: the inner ear and in particular the cochlea.Before going into the details of the structure and function of the cochlea, I would only give some hints on other components of the auditory system. The organ of hearing is in fact a particularly complex system and it would be a shame not to say a few words about its other constituents. Some insights are given in some dedicated hypertextual boxes.
The , at first sight, is little more than a funnel. The “little more than” actually hides subtleties that would be excessive to study here. Suffice it to say that the particular shape of the ear creates variations in the sound signal that the brain uses to figure out if the sound source is behind, above or in front of our head.
The ear canal itself, or external auditory meatus, at first sight, is little more than a pipe, but in reality it is a tuned duct centered on the frequencies of the auditory spectrum, where lies the human voice.
The middle ear appears already to be a more sophisticated structure. The and transform the oscillations of the air into mechanical oscillations.
The eardrum directly interfaces with the environment, while the three ossicles perform a real impedance adaptation by taking the relatively large vibration of the tympanic membrane and transform them into oscillations of less amplitude but greater pressure, able to put in motion the cochlear mechanism described later.
But the main topic of this article is the cochlea, which is the organ through which these vibrations are converted into nerve impulses, and that is what we will focus on, starting next paragraph.
L’orecchio esterno è costituito dal padiglione auricolare e dal condotto uditivo esterno, un sottile “tubo” che termina in una membrana detta timpano.
Le funzioni del padiglione auricolare sono di raccogliere una porzione significativa delle onde acustiche (proporzionale all’area del padiglione) e di convogliarle, tramite il condotto uditivo, alla membrana timpanica; determinare la localizzazione della sorgente sonora (operazione che non potrebbe essere effettuata con uguale precisione se avessimo un solo orecchio anziché due); di protezione della membrana timpanica da lesioni meccaniche; di mantenere di tale delicata membrana a condizioni di temperatura, umidità e lubrificazione costanti, in modo da preservarne le caratteristiche elastiche.
Grazie alla sofisticata conformazione delle pieghe del padiglione auricolare, il nostro cervello è in grado di misurare le differenze di fase fra i segnali che giungono alle due orecchie. Questa informazione, insieme alla differente intensità percepita, viene utilizzata per determinare la localizzazione spaziale della sorgente, sia nella direzione destra-sinistra, che alto-basso, come schematizzato nelle immagini seguenti.
Ulteriori dettagli e approfontimenti possono essere reperiti a questo link. e a questo link da cui sono tratte anche le immagini.
Il condotto uditivo esterno ha mediamente un diametro di 7.5 mm e una lunghezza di 22-25 mm e non sembra avere altra funzione se non quella di convogliare l’onda sonora verso la membrana timpanica. In realtà la lunghezza di tale condotto gioca un ruolo decisivo nel determinare l'intervallo di frequenze di massima sensibilità uditiva.
Il condotto è in pratica un risuonatore che entra in risonanza a delle frequenze che sono tipiche della nostra specie, per le quali l'evoluzione ha selezionato la massima sensibilità. Si tratta infatti della porzione di spettro dove risiede la voce umana
Il condotto uditivo può essere modellato come un tubo chiuso la cui frequenza di risonanza corrispone a 4 volte la lunghezza dello stesso.
Con un rapido calcolo è facile mostrare che se si tratta il condotto come un tubo con una estremità aperta esso entra in risonanza alla frequenza di circa 2700 Hz
Nell'insieme si hanno gli effetti di diffrazione del padiglione auricolare e la forma tutt'altro che perfettamente cilindrica e rettilinea del condotto. Ne risulta che la regione di massima sensibilità uditiva si colloca attorno ai 3800 Hz.
Il timpano è una sottilissima membrana, tenuta in tensione dal muscolo timpanico, e capace di entrare in vibrazione, se investita dall’onda sonora proveniente dall’esterno attraverso il condotto uditivo. Grazie alle proprietà di elasticità di tale membrana, e ad un meccanismo di amplificazione costituito dalla catena degli ossicini, la sensibilità del timpano è straordinaria: è sufficiente un livello di pressione pari 0,2 miliardesimi della pressione atmosferica per attivare la sensazione sonora; a questi livelli di pressione lo spostamento della membrana timpanica è dell’ordine di 10-9 cm (un decimo circa del raggio dell’atomo di idrogeno).
Il muscolo tensore del timpano e il muscolo stapedio, che con la loro contrazione simultanea irrigidiscono la catena, costituiscono il meccanismo di regolazione del guadagno del sistema e ci permettono di percepire suoni lievi in un ambiente silenzioso e continuare a distinguere una conversazione anche in un ambiente rumoroso come potrebbe essere una discoteca.
La catena degli ossicini ha lo scopo di trasferire la vibrazione della membrana timpanica alla finestra ovale determinando al tempo stesso quel processo di amplificazione della vibrazione timpanica cui si è sopra accennato.
Il martello è, con un’estremità, a diretto contatto con il timpano; esso è poi “incernierato” all’altra estremità all’incudine, la quale, a sua volta, spinge la staffa contro la membrana della finestra ovale. È bene precisare che il processo di amplificazione non è ottenuto con il principio della leva dato che il “braccio” delle forze agenti sul martello e sull’incudine è all’incirca lo stesso; il sistema degli ossicini trasferisce praticamente inalterata (il guadagno è circa di un fattore 1.3) la forza che il timpano esercita sul martello, alla finestra ovale.
Il processo di amplificazione viene invece ottenuto applicando tale forza sulla finestra ovale la cui area è circa di un fattore 17 inferiore all’area efficace (cioè che entra realmente in vibrazione) del timpano. Infatti l'area della finestra ovale è circa 3.2 mm2, mentre l'area del timpano è circa 55 mm2.
La pressione (rapporto tra la forza normale alla superficie e la superficie stessa) è aumentata quindi circa di un fattore 22 (1.3 per gli effetti di leva meccanica e 17 per gli effetti di diminuzione dell’area).
Il processo di amplificazione della pressione (e non della forza) è utile in quanto la pressione esercitata sulla finestra ovale si trasferisce al liquido contenuto nella coclea. A causa della loro sostanziale incomprimibilità i liquidi sono in grado, secondo il principio di Pascal, di trasferire efficacemente la pressione esercitata su di una loro parte, all’intero liquido; per capire quanto è efficace la soluzione che la natura ha sviluppato per trasferire l’energia dell’onda sonora al liquido cocleare, si pensi che se fosse direttamente l’aria a mettere in moto il liquido a causa del pessimo adattamento di impedenza tra i due mezzi, (l’aria ha un impedenza acustica di 41,5 ohm acustici, il fluido cocleare di 143000) solo 1/1000 dell’energia dell’onda sonora verrebbe trasferita al liquido e il resto verrebbe riflessa impedendoci, di fatto, di sentire!
Ulteriori dettagli e approfontimenti possono essere reperiti a questo link.
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