The beautiful, mysterious science of how you hear | Jim Hudspeth

Transcriber: Joseph Geni Reviewer: Camille Martínez

Переводчик: Joseph Geni Редактор: Olga Mansurova

Can you hear me OK?

Вы хорошо меня слышите?

Audience: Yes.

Аудитория: да.

Jim Hudspeth: OK. Well, if you can, it's really amazing,

Джим: ОК, если хорошо, тогда это правда здорово,

because my voice is changing the air pressure where you sit

ведь голос меняет давление воздуха

на пару миллиардных долей атмосферного уровня,

by just a few billionths of the atmospheric level,

но мы воспринимаем как должное то,

yet we take it for granted

that your ears can capture that infinitesimal signal

что наши уши могут улавливать невероятно крошечный сигнал

и передавать в мозг полный спектр аудиальных ощущений:

and use it to signal to the brain the full range of auditory experiences:

the human voice, music, the natural world.

человеческий голос, музыку, звуки природы.

How does your ear do that?

Как наши уши способны на это?

И ответ таков: с помощью клеток,

And the answer to that is:

through the cells that are the real hero of this presentation --

которые являются основной темой этой презентации,

the ear's sensory receptors,

сенсорными рецепторами уха,

which are called "hair cells."

которые называются «волосковые клетки».

Now, these hair cells are unfortunately named,

На самом деле название этих клеток не совсем правильное,

because they have nothing at all to do with the kind of hair

ведь оно никак не связано с волосами,

of which I have less and less.

которых у меня становится всё меньше и меньше.

These cells were originally named that by early microscopists,

Свое имя эти клетки получили от первых микроскопистов,

who noticed that emanating from one end of the cell

которые обнаружили, что в одном конце клетки

was a little cluster of bristles.

была небольшая щетина.

With modern electron microscopy, we can see much better

С современным электронным микроскопом мы можем видеть намного лучше

the nature of the special feature that gives the hair cell its name.

природу особенности, которая даёт волосковой клетке своё имя.

That's the hair bundle.

Это волосковая связка.

It's this cluster of 20 to several hundred fine cylindrical rods

Это кластер от 20 до нескольких сотен тончайших цилиндрических стержней,

that stand upright at the top end of the cell.

которые стоят вертикально на самой верхней части клетки.

And this apparatus is what is responsible for your hearing me right this instant.

И этот аппарат отвечает за то, что вы меня можете слышать.

Now, I must say that I am somewhat in love with these cells.

Теперь я должен сказать, что я сам как-то влюблён в эти клетки.

I've spent 45 years in their company --

Я провёл 45 лет в их компании,

(Laughter)

(Смех)

and part of the reason is that they're really beautiful.

и часть причины этого в том, что они прекрасные.

There's an aesthetic component to it.

Тут есть эстетический компонент.

Here, for example, are the cells

Вот к примеру, есть клетки,

with which an ordinary chicken conducts its hearing.

которые управляют слухом куриц.

These are the cells that a bat uses for its sonar.

А это клетки, которые летучие мыши используют как сонар.

We use these large hair cells from a frog for many of our experiments.

Эти большие волосковые клетки лягушки мы используем для многих экспериментов.

Hair cells are found all the way down to the most primitive of fishes,

Волосковые клетки можно найти у самых примитивных рыб,

and those of reptiles often have this really beautiful,

и у рептилий они очень красивые,

almost crystalline, order.

почти кристаллиновые.

But above and beyond its beauty,

Но выше и лучше этой красоты то,

the hair bundle is an antenna.

что волосковые пучки являются антенной.

It's a machine for converting sound vibrations into electrical responses

Это машина для превращения звуковых вибраций в электрические ответы,

that the brain can then interpret.

которые мозг может интерпретировать.

At the top of each hair bundle, as you can see in this image,

Наверху каждого волоскового пучка вы можете видеть на этот снимке

there's a fine filament connecting each of the little hairs,

очень тонкое волокно, соединяющее каждую связку маленьких волосинок,

the stereocilia.

стереоцилии.

It's here marked with a little red triangle.

Это отмечено красным треугольником.

And this filament has at its base a couple of ion channels,

И это волокно имеет в своей основе пару ионовых каналов,

which are proteins that span the membrane.

которые представляют протеины, охватывающие мембрану.

And here's how it works.

И вот как это работает.

This rat trap represents an ion channel.

Эта крысоловка представляет ионовый канал.

It has a pore that passes potassium ions and calcium ions.

Он имеет поры, которые пропускают калиевые и кальциевые ионы.

It has a little molecular gate that can be open, or it can be closed.

Он имеет маленькие молекулярные ворота, которые могут быть открыты или закрыты.

And its status is set by this elastic band which represents that protein filament.

И его статус задаёт эта эластичная лента, которая представляет собой белковую нить.

Now, imagine that this arm represents one stereocilium

Представьте, что эта рука представляет один стереоцилиум,

and this arm represents the adjacent, shorter one

а эта рука представляет смежный, более короткий

with the elastic band between them.

с эластичной лентой между ними.

When sound energy impinges upon the hair bundle,

Когда звуковая энергия ударяет в волосковый пучок,

it pushes it in the direction towards its taller edge.

она толкает его в направлении более высокого края.

The sliding of the stereocilia puts tension in the link

Скольжение стереоцилии передаёт напряжение в связи

until the channels open and ions rush into the cell.

до тех пор, пока каналы не откроются и ионы не поступят в клетку.

When the hair bundle is pushed in the opposite direction,

Когда пучок волосков проталкивается в обратную сторону,

the channels close.

каналы закрываются.

And, most importantly,

И самое важное,

a back-and-forth motion of the hair bundle,

движение пучка волосков вперёд-назад,

as ensues during the application of acoustic waves,

как следствие приложения акустических волн,

alternately opens and closes the channel,

попеременно открывает и закрывает канал,

and each opening admits millions and millions of ions into the cell.

и каждое отверстие пропускает миллионы и миллионы ионов в клетку.

Those ions constitute an electrical current

Эти ионы создают электрический ток,

that excites the cell.

который возбуждает клетку.

The excitation is passed to a nerve fiber,

Возбуждение проходит в нервную клетчатку

and then propagates into the brain.

и затем продвигается в мозг.

Notice that the intensity of the sound

Обратите внимание, что интенсивность звука

is represented by the magnitude of this response.

зависит от величины ответа.

A louder sound pushes the hair bundle farther,

более громкие звуки толкают волосковые пучки дальше,

opens the channel longer,

открывая более длинные каналы,

lets more ions in

пропуская больше ионов,

and gives rise to a bigger response.

и создают больший отклик.

Now, this mode of operation has the advantage of great speed.

Кроме того, эта операция имеет преимущество большой скорости.

Some of our senses, such as vision,

Некоторые из наших чувств, таких как зрение,

use chemical reactions that take time.

используют химические реакции, которые не так торопливы.

And as a consequence of that,

И как следствие этого,

if I show you a series of pictures at intervals of 20 or 30 per second,

если я покажу вам серию образов с интервалами от 20 до 30 секунд,

you get the sense of a continuous image.

вы получите впечатление продолжительного образа.

Because it doesn't use reactions,

Так как они не используют реакции,

the hair cell is fully 1,000 times faster than our other senses.

волосковые клетки в 1 000 раз быстрее, чем наши другие органы чувств.

We can hear sounds at frequencies as great as 20,000 cycles per second,

Мы можем слышать звуки с частотой до 20 000 циклов в секунду,

and some animals have ever faster ears.

а некоторые животные имеют даже более быстрые уши.

The ears of bats and whales, for example, can respond to their sonar pulses

Уши летучих мышей и китов, к примеру, могут реагировать на импульсы их сонара

at 150,000 cycles a second.

со скоростью 150 000 циклов в секунду.

But this speed doesn't entirely explain why the ear performs so well.

Но эта скорость не объясняет целиком, почему уши работают так хорошо.

And it turns out that our hearing benefits from an amplifier,

И оказывается, наши уши получают преимущество за счёт усилителя,

something called the "active process."

чего-то, что называется «активным процессом».

Активный процесс увеличивает наш слух

The active process enhances our hearing

and makes possible all the remarkable features that I've already mentioned.

и делает возможным все удивительные функции, о которых я уже говорил.

Let me tell you how it works.

Я расскажу, как это работает.

First of all, the active process amplifies sound,

Во-первых, этот активный процесс усиливает звук,

so you can hear, at threshold, sounds that move the hair bundle

так что вы можете слышать уже звуки, которые двигают волосковые пучки

by a distance of only about three-tenths of a nanometer.

на дистанцию около трёх десятых нанометра.

That's the diameter of one water molecule.

Это диаметр одной водяной молекулы.

It's really astonishing.

Это потрясающе.

The system can also operate

Система может также оперировать

over an enormously wide dynamic range.

на невероятно широком динамическом диапазоне.

Why do we need this amplification?

Зачем нам нужно это усиление?

The amplification, in ancient times, was useful

Усиление в древние времена было полезным,

because it was valuable for us to hear the tiger before the tiger could hear us.

так как для нас было важно услышать тигра до того, как он услышит нас.

And these days, it's essential as a distant early warning system.

А сейчас это важно как дистанционная система раннего предупреждения.

It's valuable to be able to hear fire alarms

Важно услышать сигнал пожарной тревоги

or contemporary dangerous such as speeding fire engines or police cars or the like.

или современные звуки опасности пожарных или полицейских машин.

When the amplification fails, our hearing's sensitivity plummets,

Когда усиление отказывает, наша слуховая чувствительность резко падает,

and an individual may then need an electronic hearing aid

и индивидуум может нуждаться в электронном аппарате для слуха,

to supplant the damaged biological one.

чтобы компенсировать повреждённый биологический аппарат.

This active process also enhances our frequency selectivity.

Этот активный процесс также усиливает нашу частоту селективности.

Even an untrained individual can distinguish two tones

Даже не натренированный человек может различить два тона,

that differ by only two-tenths of a percent,

которые отличаются лишь на две десятых процента,

which is one-thirtieth of the difference between two piano notes,

что является одной тринадцатой разницы между фортепианными нотами,

and a trained musician can do even better.

а натренированный музыкант услышит даже лучше.

This fine discrimination is useful

Эта тонкая дискриминация полезна

in our ability to distinguish different voices

для нашей способности различать голоса

and to understand the nuances of speech.

и понимать нюансы речи.

And, again, if the active process deteriorates,

И опять, если активный процесс ухудшается,

it becomes harder to carry out verbal communication.

то становится труднее устное общение.

Finally, the active process is valuable in setting the very broad range

Наконец, активный процесс ценен в установке очень широкого диапазона

of sound intensities that our ears can tolerate,

звуковой интенсивности, которую могут выдержать наши уши,

from the very faintest sound that you can hear, such as a dropped pen,

от очень тихих звуков, которые можно услышать вроде падения ручки,

to the loudest sound that you can stand --

до самых громких звуков, которые можно терпеть,

say, a jackhammer or a jet plane.

скажем, отбойного молотка или самолёта.

The amplitude of sounds spans a range of one millionfold,

Амплитуда звуков имеет размах в миллион раз,

which is more than is encompassed by any other sense

что больше, чем у любого другого органа чувств

or by any man-made device of which I'm aware.

или любого прибора, сделанного человеком, о которых я знаю.

And again, if this system deteriorates,

И опять, если эта система ухудшается,

an affected individual may have a hard time

затронутые индивидуумы могут иметь сложности

hearing the very faintest sounds

слышать самые тонкие звуки

or tolerating the very loudest ones.

или выдерживать очень громкие.

Now, to understand how the hair cell does its thing,

Чтобы понять как волосковые клетки делают своё дело,

one has to situate it within its environment within the ear.

нужно разобраться в среде, окружающей ухо.

We learn in school that the organ of hearing

Мы учили в школе, что орган слуха содержит внутри

is the coiled, snail-shaped cochlea.

спираль в виде раковины улитки, «коклею».

It's an organ about the size of a chickpea.

Это орган величиной с горошину.

It's embedded in the bone on either side of the skull.

Он встроен в кость черепа с обеих сторон.

We also learn that an optical prism

Мы также учили, что оптическая призма

can separate white light into its constituent frequencies,

может разделять белый свет на частоты,

which we see as distinct colors.

которые мы видим как разные цвета.

In an analogous way,

Подобным образом

the cochlea acts as sort of an acoustic prism

коклея работает как акустическая призма,

that splits apart complex sounds into their component frequencies.

разделяющая сложные звуки на составляющие.

So when a piano is sounded,

Когда звучит фортепиано,

different notes blend together into a chord.

разные ноты смешиваются в аккорд.

The cochlea undoes that process.

Коклея разделяет этот процесс.

It separates them and represents each at a different position.

Она разделяет звуки на разные частоты.

In this picture, you can see where three notes --

На этой картинке вы видите три ноты.

middle C and the two extreme notes on a piano --

Средняя до и две крайние ноты на фортепиано

are represented in the cochlea.

представлены в коклее.

The lowest frequencies go all the way up to the top of the cochlea.

Низкие частоты обрабатываются в верхней части коклеи

The highest frequencies, down to 20,000 Hz,

Высокие частоты до 20000 Hz

go all the way to the bottom of the cochlea,

обрабатываются в нижней части коклеи.

and every other frequency is represented somewhere in between.

Все остальные частоты представлены между ними.

And, as this diagram shows,

А эта диаграмма показывает,

что несколько десятков волосков разделяют близкие тона

successive musical tones are represented a few tens of hair cells apart

along the cochlear surface.

на поверхности коклеи.

Now, this separation of frequencies

Это разделение частот

is really key in our ability to identify different sounds,

определяет нашу способность различать звуки,

because very musical instrument,

ведь каждый музыкальный инструмент

every voice,

и каждый голос

emits a distinct constellation of tones.

испускает определённое сочетание тонов.

The cochlea separates those frequencies,

Коклея разделяет эти частоты,

and the 16,000 hair cells then report to the brain

и 16 000 волосковых клеток передают в мозг,

how much of each frequency is present.

какие частоты присутствуют в звуке.

The brain can then compare all the nerve signals

Мозг тогда сравнивает все сигналы нервов

and decide what particular tone is being heard.

и решает, какой тон мы слышим.

But this doesn't explain everything that I want to explain.

Но это объясняет не всё, что я хочу объяснить.

Where's the magic?

Где же волшебство?

Я уже говорил о великих возможностях волосковых клеток.

I told you already about the great things that the hair cell can do.

How does it carry out the active process

Как они активно участвуют в процессе,

and do all the remarkable features that I mentioned at the outset?

используя свои уникальные свойства?

The answer is instability.

Ответ в нестабильности.

We used to think that the hair bundle was a passive object,

Мы раньше думали, что пучок волосков является пассивным объектом,

it just sat there, except when it was stimulated.

который ничего не делает без стимуляции.

But in fact, it's an active machine.

На самом деле он представляет активную машину.

It's constantly using internal energy to do mechanical work

Он постоянно использует внутреннюю энергию для механической работы

and enhance our hearing.

и этим улучшает наш слух.

So even at rest, in the absence of any input,

Так что даже при отсутствии всякого звука

an active hair bundle is constantly trembling.

активный пучок волосков постоянно подрагивает

It's constantly twitching back and forth.

и дергается назад и вперёд.

But when even a weak sound is applied to it,

Но когда появляется даже слабый звук,

it latches on to that sound and begins to move very neatly

пучок волосков подхватывает его и начинает очень чётко двигаться

in a one-to-one way with it,

синхронно со звуком.

and by so doing, it amplifies the signal about a thousand times.

Таким образом сигнал усиливается в тысячи раз.

This same instability also enhances our frequency selectivity,

Эта же нестабильность улучшает также наш выбор частот,

for a given hair cell tends to oscillate best

так как каждая волосковая клетка колеблется лучше всего

at the frequency at which it normally trembles

в той частоте, в которой она обычно колеблется,

when it's not being stimulated.

когда нет никакой стимуляции.

So, this apparatus not only gives us our remarkably acute hearing,

Так что этот аппарат даёт нам не только острый слух,

but also gives us the very sharp tuning.

но и способность различать частоты.

I want to offer you a short demonstration

Вот небольшая демонстрация

of something related to this.

чего-то, связанного с этой темой.

I'll ask the people who are running the sound system

Я попрошу звуко-инженеров

to turn up its sensitivity at one specific frequency.

усилить чувствительность их системы к одной определённой частоте.

So just as a hair cell is tuned to one frequency,

И как только волосковая клетка настроится на одну частоту,

the amplifier will now enhance a particular frequency in my voice.

усилитель сразу увеличит определённую частоту в моём голосе.

Notice how specific tones emerge more clearly from the background.

Обратите внимание, как определённые тона проявятся яснее из общего фона.

This is exactly what hair cells do.

То же самое делают и волосковые клетки.

Each hair cell amplifies and reports one specific frequency

Каждая волосковая клетка усиливает и передаёт одну частоту звука

and ignores all the others.

и игнорирует все остальные.

And the whole set of hair cells, as a group, can then report to the brain

И весь набор волосковых клеток группой передаёт мозгу информацию,

exactly what frequencies are present in a given sound,

какие частоты присутствуют в данном звуке,

and the brain can determine what melody is being heard

а мозг определяет, какую мелодию он слышит

or what speech is being intended.

или какой разговор происходит.

Now, an amplifier such as the public address system

Звуковой усилитель

can also cause problems.

может также вызывать проблемы.

If the amplification is turned up too far,

Если усиление слишком сильное,

it goes unstable and begins to howl

он теряет стабильность и начинает выть

or emit sounds.

или испускать разные звуки.

And one wonders why the active process doesn't do the same thing.

Кто-то может спросить, почему активный процесс не делает то же.

Why don't our ears beam out sounds?

Почему наши уши не издают звуков?

And the answer is that they do.

Как раз и издают.

In a suitably quiet environment, 70 percent of normal people

В подходящей тихой обстановке 70 процентов обычных людей

издают один или больше звуков ушами.

will have one or more sounds coming out of their ears.

(Смех)

(Laughter)

I'll give you an example of this.

Я покажу вам такой пример.

You will hear two emissions at high frequencies

Вы услышите два высокочастотных звука,

идущие из обычного человеческого уха.

coming from a normal human ear.

You may also be able to discern background noise,

Вы также сможете различить фоновый шум

like the microphone's hiss,

вроде шипения микрофона,

the gurgling of a stomach, the heartbeat, the rustling of clothes.

бурчания желудка, биения сердца, шелеста одежды.

(Hums, microphone hiss, dampened taps, clothes rustling)

(Мычит, микрофон шипит, одежда шуршит)

This is typical.

Это типично.

Most ears emit just a handful of tones,

Многие уши издают лишь немного звуков.

but some can emit as many as 30.

Но некоторые могут издавать до тридцати звуков.

Every ear is unique, so my right ear is different from my left,

Каждое ухо уникально, моё левое отличается от правого,

my ear is different from your ear,

мои уши отличаются от ваших.

Но если ухо не повреждено,

but unless an ear is damaged,

it continues to emit the same spectrum of frequencies

оно продолжает производить звуки того же спектра частот

over a period of years or even decades.

в течение многих лет и десятилетий.

So what's going on?

Так что же происходит?

It turns out that the ear can control its own sensitivity,

Оказывается, ухо может регулировать свою чувствительность,

its own amplification.

своё усиление.

So if you're in a very loud environment, like a sporting event

Так что если звуки вокруг вас очень громкие, как на стадионе

or a musical concert,

или музыкальном концерте,

you don't need any amplification,

вам не нужно усиления

and the system is turned down all the way.

и система выключена полностью.

If you are in a room like this auditorium,

Если вы в аудитории вроде этой,

you might have a little bit of amplification,

вы возможно используете немного усиления,

but of course the public address system does most of the work for you.

но, конечно, мой микрофон делает большинство работы для вас.

And finally, if you go into a really quiet room

А если вы войдёте в очень тихую комнату,

where you can hear a pin drop,

где слышно как упала иголка,

the system is turned up almost all the way.

система включается почти на полную мощность.

But if you go into an ultraquiet room such as a sound chamber,

Но если вы войдёте в сверх тихую комнату вроде звуковой камеры,

the system turns itself up to 11,

система включается до предела,

it goes unstable

становится нестабильной

and it begins to emit sound.

и начинает производить звук,

And these emissions constitute a really strong demonstration

который прекрасно демонстрирует,

of just how active the hair cell can be.

насколько активными могут быть волосковые клетки.

So in the last minute, I want to turn to another question that might come up,

В конце я хочу обсудить другой вопрос:

which is: Where do we go from here?

А что же дальше?

And I would say that there are three issues

Есть три проблемы, с которыми мне

that I would really like to address in the future.

хотелось бы разобраться в будущем.

The first is: What is the molecular motor

Первая: что такое молекулярный мотор,

that's responsible for the hair cell's amplification?

который помогает волосковым клеткам усиливать звук?

Somehow, nature has stumbled across a system

Каким-то образом природа создала систему,

that can oscillate or amplify at 20,000 cycles per second,

которая может колебаться с частотой до 20 000 колебаний в секунду

or even more.

и даже больше.

That's much faster than any other biological oscillation,

Это быстрее, чем любое другое биологическое колебание,

and we would like to understand where it comes from.

и хотелось бы понять, как это происходит.

The second issue is how the hair cell's amplification is adjusted

Вторая проблема: как волосковые клетки регулируют усиление

to deal with the acoustic circumstances.

в связи с акустическими условиями.

Who turns the knob to increase or decrease the amplification

Кто поворачивает ручку, чтобы увеличить или уменьшить это усиление

in a quiet or in a loud environment?

в тихом или громком окружении?

And the third issue is one that concerns all of us,

И третья проблема касается нас всех.

which is what we can do about the deterioration of our hearing.

Что же нам делать при ухудшения слуха?

Thirty million Americans,

30 миллионов американцев

and more than 400 million people worldwide,

и более 400 миллионов людей в мире

have significant problems on a daily basis

имеют ежедневно серьёзные проблемы

with understanding speech in a noisy environment

с пониманием речи в шумном окружении

or over the telephone.

или по телефону.

Many have even worse deficits.

Или даже худшие проблемы.

Moreover, these deficits tend to get worse with time,

Более того, эти проблемы со временем ухудшаются,

because when human hair cells die,

ведь волосковые клетки человека отмирают

they're not replaced by cell division.

и не возобновляются делением клетки.

But we know that nonmammalian animals can replace their cells,

Но мы знаем, что у немлекопитающих животных клетки могут заменяться,

и у таких животных клетки отмирают и заменяются в течение их жизни,

and those creatures' cells are dying and being replaced throughout life,

so the animals maintain normal hearing.

так что они поддерживают нормальный слух.

Here's an example from a little zebra fish.

Вот пример маленькой рыбки-зебры.

Клетка вверху пройдёт разделение,

The cell at the top will undergo a division

to produce two new hair cells.

чтобы произвести две новых волосковых клетки.

They dance for a little bit,

Они потанцуют немного,

and then settle down and go to work.

а потом успокоятся и начнут работать.

So we believe that if we can decode the molecular signals that are used

Так что мы верим, если нам удастся расшифровать молекулярные сигналы,

by these other animals to regenerate their hair cells,

которыми другие животные регенерируют волосковые клетки,

we'll be able to do the same thing for humans.

мы будем в состоянии сделать то же самое для людей.

And our group and many other groups are now engaged in research

И наша группа и много других групп сейчас работают над этим,

trying to resurrect these amazing hair cells.

пытаясь воскресить эти удивительные клетки.

Thank you for your attention.

Спасибо за внимание.

(Applause)

(Аплодисменты)