соседние с ними молекулы и т. д., что приводит к возникновению волн давления. Таким образом, вибрация, возникшая в объекте, теперь передается от него по воздуху. О любом колебании нужно знать две вещи. Во-первых, его амплитуду. Амплитуда определяет, в какой степени смещается колеблющийся предмет. Этот параметр соответствует громкости звука, который мы слышим. События с большим выбросом энергии, такие как оружейный выстрел, создают колебания, сильно смещающие молекулы воздуха, и поэтому, если событие происходит поблизости от нас, такие звуки оказываются достаточно громкими. По мере того как колебание распространяется от места события во всех направлениях, оно теряет энергию. Вот почему звук отражает события с большим выбросом энергии вне зависимости от того, происходят они близко или далеко от нас, но о событиях с небольшим выбросом энергии он сообщает только в том случае, если они происходят рядом с нами. Мы усваиваем эту идею с самого раннего детства, хотя, возможно, в другой терминологии. По этой причине мы говорим в полный голос с приятелем, стоящим на другой стороне улицы, но шепотом сообщаем секретную информацию сидящему позади однокласснику.
Во-вторых, нужно знать частоту колебаний. Частота показывает, сколько раз за секунду что-то (предмет или молекулы воздуха) движется вперед и назад. Частоту измеряют в герцах или в циклах в секунду. Частота определяет воспринимаемую высоту звука – слышим мы его высоким или низким. Но это лишь часть информации, которую мы извлекаем из частоты, поскольку в природе все колебания являются сложными и смешанными. События происходят не с какой-то одной частотой, а одновременно с несколькими разными частотами.
Все звуки – от соло саксофона до капель подтекающего крана – являются богатыми и сложными и характеризуются целым спектром частот. Спектр частот, составляющих конкретный звук, несет важнейшую информацию об этом звуке. Для физика, инженера-акустика или нашего мозга наилучший способ охарактеризовать звук заключается в том, чтобы разложить его на профиль индивидуальных частот. Этот профиль – скрытая структура звука. Наш мозг использует его для определения тембра, который, по сути, сообщает, как звучит какой-то предмет или каков этот конкретный звук. Благодаря тембру труба и скрипка, играющие одну и ту же ноту, издают совсем разные звуки. Благодаря тембру мы распознаем знакомые голоса – и понимаем больше, чем просто слова.
К счастью, тело и мозг превосходно приспособлены для выявления и использования скрытых внутренних структур звука. Хитроумное устройство начинается от ушей, где находится важнейший аппарат, обеспечивающий функцию слуха. В человеческом ухе есть несколько миниатюрных косточек и мембран. Эти совместно действующие структуры – чудо инженерии, созданное эволюцией методом проб и ошибок за многие тысячелетия. Каждая часть системы тем или иным образом вносит вклад в решение задачи сбора звуков. Но сам процесс слушания осуществляется в крохотной свернутой улитке уха. Здесь входящие колебания переводятся на язык мозга, так что в результате мы можем воспринимать их в качестве звука.
Улитка уха закручена в виде спирали. Она малюсенькая – не больше горошины, но это наша дверь в мир звука. Развернуть спираль улитки уха так же сложно, как развернуть раковину улитки, но если бы нам удалось это сделать, мы бы обнаружили заполненную жидкостью трубочку длиной около 35 миллиметров. В этом водном туннеле существует хитрая система клеток и тканей, но самая главная часть – ряды вытянутых вдоль трубочки щетинок. Эти щетинки – окончания нежных звуковых рецепторов.
Когда волна давления от происходящего поблизости события достигает нашего уха, весь крохотный механизм внутри уха приступает к работе, усиливая звук и направляя его в заполненную водой улитку, где волна продолжает продвигаться уже не по воздуху, а по жидкости. Волна нарушает миниатюрную архитектуру трубочки и заставляет двигаться крохотные ворсинки звуковых рецепторов. Это движение приводит к усилению возбуждения рецепторов, которые посылают в мозг сигнал об обнаружении звука. Но у рецепторов есть скрытая организация. Это не беспорядочное скопление 14 тысяч случайно собранных клеток. Их укомплектованные ряды выстроены по всей длине трубочки улитки в соответствии с профилем частот. Рецепторы на одном конце трубочки, образующем внешнюю спираль, возбуждаются под действием высокочастотных компонентов колебательного движения. Рецепторы на другом конце, вблизи центра улитки, возбуждаются под действием низкочастотных компонентов звука. Если развернуть улитку и медленно продвигаться от внешнего конца трубочки к внутреннему, мы обнаружим ряды рецепторов, каждый из которых настроен на обнаружение более низких частот, чем предыдущий.
Красота улитки и ее рецепторов заключается в том, что они автоматически разлагают каждый сложный природный звук на простые составляющие частоты в соответствии с законами физики. В этом процессе они выбирают частоту – параметр, связанный со временем, – и отображают ее в пространственном измерении: в данном случае – в одномерном пространстве вдоль трубочки улитки. Активность клеточных рецепторов на одном конце трубочки отражает высокочастотные звуки, а активность на другом конце трубочки соответствует низкочастотным звукам. Когда рецепторы посылают сигналы в мозг, это пространственное отображение частот сохраняется. Сигналы рецепторов передаются через несколько спрятанных глубоко в мозге участков, откуда попадают в первичную слуховую кору A1.
По аналогии с первичной зрительной корой, содержащей карту сетчатки (и, следовательно, карту поля зрения), и первичной соматосенсорной корой, содержащей карту поверхности кожи (и, следовательно, карту тактильных сигналов), первичная слуховая кора отображает звук, используя карту улитки уха. Рис. 18 показывает, что A1 представляет собой непрерывную карту звуковых частот[46]: низкие частоты отображаются с одной стороны карты, а высокие – с другой. Эта карта позволяет нам осознанно воспринимать звуки. Стимуляция этих участков с помощью электрода заставляет человека слышать гудение или свист[47], а их повреждение может привести к глухоте.
Важнейшим ключом к пониманию карты в области A1 и любой другой карты являются рецептивные поля – фрагменты реальности, на отображение которых специфическим образом настроена каждая клетка на карте мозга. Нейроны зрительной карты V1 имеют рецептивные поля, покрывающие участки поля зрения. Нейроны тактильной карты имеют рецептивные поля, охватывающие участки поверхности кожи. А клетки слуховой карты имеют рецептивные поля, отражающие часть диапазона звуковых частот, скажем, звуки с частотой около 1000 Гц. Нейрон на карте A1, предпочитающий частоты в области 1000 Гц, с одной стороны имеет соседей, предпочтительно реагирующих на более низкие частоты (скажем, 900 Гц), а с другой стороны – соседей, реагирующих на более высокие частоты.
Рис. 18. Схема человеческой карты звуковых частот A1. Художник Пол Ким.
Карта частот в области A1 дает такие же преимущества, как карта поверхности тела в области S1 или зрительная карта в области V1. Подобно карте V1, карта A1 позволяет заполнять необъяснимые и маловероятные провалы в восприятии[48]. Если звук прерывается громким шумом, люди продолжают его слышать сквозь шум, даже если в реальности в момент появления шума этот звук отсутствует. Это звуковое заполнение можно обнаружить на карте A1, на которой недостающий звук продолжает отображаться таким образом, как будто он не прерывался. Благодаря этому заполнению мы можем переговариваться с приятелем в кафе, не подключаясь заново каждый раз, когда рядом кто-то кашляет или начинает гудеть кофейная машина.
Подобно другим картам мозга, A1 поддерживает локальную обработку сигналов, но в данном случае локальная обработка подразумевает сравнение между сходными частотами, а не сходными точками в зрительном или тактильном пространстве. Нейроны в области A1, настроенные на близкие частоты, тесно связаны маленькими короткими проводками, что сохраняет ценную энергию и пространство мозга. Локальная обработка информации в области A1 помогает слуховой системе идентифицировать ключевые частотные структуры, составляющие сложные звуки. А это, в свою очередь, помогает определять, что это за звуки.
Чтобы понять, насколько действительно важен этот процесс, достаточно проанализировать человеческую речь. Когда мы говорим, мы производим колебания, проталкивая воздух через голосовые связки в гортань. Мы используем резонирующие свойства рта и горла и, изменяя положение языка, губ и зубов, производим специфические сложные звуки, выходящие изо рта.
Если бы я произнесла фразу “Easy come, easy go”[49], колебания воздуха, выходящего из моего рта, были бы такими, как показано на рис. 19. Этот график отображает частоты через пространственное измерение. По вертикали отложены частоты в составе звука: более низкие частоты изображены в нижней части рисунка, а более высокие – в верхней части. Горизонтальная ось соответствует времени, и вдоль нее разворачиваются звуки моей речи. Чем темнее точка на рисунке, тем больше амплитуда этой составляющей частоты в произносимом звуке в конкретный момент времени. Если бы вы слушали, как я произношу эту фразу, вертикальные темные и светлые полосы на рисунке превратились бы в активность звуковых рецепторов улиток ваших ушей и активность нейронов вашей звуковой карты A1. Локальная обработка сигналов в области A1 помогла бы вашему мозгу обнаружить важнейшие звуковые структуры и непринужденно превратить эту смесь звуков в произносимые мной понятные слова.
Темные горизонтальные линии на рисунке называются формантами. Они есть во всех гласных звуках, которые произносятся в основном с открытым ртом, так что воздух может проходить более или менее свободно. Когда мы произносим “ай” или “оу”, рот и язык находятся в разных положениях и колебания воздуха, выходящего изо рта и гортани, происходят по-разному. Каждая гласная характеризуется специфическим набором формант, соответствующих разным частотам. Положение трех самых низких формант определяет, какой именно гласный звук мы слышим. На рис. 20 показаны частоты моего голоса при произнесении слов