Thính giác

Thính giác là một trong năm giác quan. Đây là khả năng tiếp thu âm thanh bằng cách phát hiện các dao động qua một cơ quan ví dụ như tai. "Khiếm thính" hay "điếc" là khi không có khả năng nghe.

Ở con người và các động vật có xương sống khác, việc nghe được thực hiện chủ yếu bởi hệ thính giác: các dao động được tai phát hiện và chuyển thành các xung thần kinh mà bộ não thu nhận. Cũng như xúc giác, thính giác đòi hỏi sự nhạy cảm đối với chuyển động của các phân tử trong thế giới bên ngoài cơ thể. Cả thính giác và xúc giác đều là các loại cảm giác cơ học (mechanosensation)

Không phải mỗi loài động vật đều nghe được tất cả các loại âm thanh. Mỗi loài có một khoảng nghe được của độ to (cường độ) và độ cao (tần số) của âm thanh. Nhiều động vật sử dụng âm thanh để giao tiếp với nhau, đối với các loài này, thính giác có vai trò đặc biệt quan trọng cho việc sống còn và sinh sản.

Con người có thể nghe được các tần số âm thanh trong khoảng từ 16 Hz đến 20.000 Hz. Âm thanh với tần số cao hơn được gọi là siêu âm, thấp hơn là hạ âm. Một số loài dơi phát sóng siêu âm và nghe phản xạ để xác định địa hình và chướng ngại vật trong khi bay. Chó có thể nghe được siêu âm, đó chính là nguyên tắc hoạt động của còi chó mà con người không nghe thấy tiếng. Rắn nghe được hạ âm bằng bụng. Cá voi, hươu cao cổ và voi giao tiếp bằng sóng hạ âm.

Cơ chế thính giác 

Hệ thống thính giác của con người có ba thành phần chính: tai ngoài, tai giữa và tai trong.

Tai ngoài 
Tai ngoài bao gồm vành tai, phần có thể nhìn thấy của tai, cũng như ống tai, kết thúc ở màng nhĩ, còn được gọi là màng nhĩ. Vành tai có tác dụng tập trung sóng âm qua ống tai vào màng nhĩ. Do đặc điểm không đối xứng của tai ngoài ở hầu hết các loài động vật có vú, âm thanh được lọc theo những cách khác nhau khi đi vào tai tùy thuộc vào vị trí của nguồn âm thanh. Điều này giúp những loài động vật này có khả năng xác định vị trí của âm thanh theo chiều dọc.

Màng nhĩ là một màng không khí, và khi sóng âm đến đó, chúng sẽ khiến màng nhĩ rung động theo dạng sóng của âm thanh. Ráy tai được tạo ra bởi các tuyến cerumen và bã nhờn trong da ống tai của con người, bảo vệ ống tai và màng nhĩ khỏi bị tổn thương vật lý và vi khuẩn xâm nhập.

Tai giữa 
Tai giữa bao gồm một khoang chứa khí nhỏ nằm ở giữa màng nhĩ. Bên trong khoang này là ba xương nhỏ nhất trong cơ thể, được gọi chung là xương tai, bao gồm xương búa, xương đe và xương bàn đạp (còn được gọi là xương búa, xương đe và xương bàn đạp). Chúng hỗ trợ việc truyền rung động từ màng nhĩ vào tai trong, ốc tai. Mục đích của xương tai giữa là khắc phục sự không khớp trở kháng giữa sóng âm và sóng ốc tai, bằng cách cung cấp sự khớp nối trở kháng.

Cũng nằm ở tai giữa là cơ bàn đạp và cơ căng tai giữa, có chức năng bảo vệ cơ chế nghe thông qua phản xạ cứng. Xương bàn đạp truyền sóng âm thanh đến tai trong qua cửa sổ bầu dục, một màng linh hoạt ngăn cách tai giữa chứa đầy khí với tai trong chứa đầy chất lỏng. Cửa sổ tròn, một màng linh hoạt khác, cho phép chất lỏng tai trong di chuyển trơn tru do sóng âm đi vào gây ra.

Tai trong 

Tai trong bao gồm ốc tai, là một ống hình xoắn ốc chứa đầy chất lỏng. Ốc tai được chia dọc bởi cơ quan Corti, đây là cơ quan chính chuyển đổi cơ học thành thần kinh. Bên trong cơ quan Corti là màng basilar, một cấu trúc rung lên khi sóng từ tai giữa lan truyền qua chất lỏng ốc tai - nội dịch. Màng basilar là tonotopic, nghĩa là mỗi tần số có một vị trí cộng hưởng đặc trưng trên đó. Các tần số đặc trưng cao ở lối vào gốc của ốc tai và thấp ở đỉnh. Chuyển động của màng basilar gây ra sự khử cực của các tế bào lông, các thụ thể thính giác chuyên biệt nằm trong cơ quan Corti. Mặc dù các tế bào lông không tự tạo ra các tiềm năng hoạt động, nhưng chúng giải phóng chất dẫn truyền thần kinh tại các khớp thần kinh với các sợi của dây thần kinh thính giác, vốn tạo ra các tiềm năng hoạt động. Theo cách này, các kiểu dao động trên màng basilar được chuyển đổi thành các kiểu phóng điện không gian và thời gian truyền thông tin về âm thanh đến thân não.

Thần kinh 

Thông tin âm thanh từ ốc tai được truyền qua dây thần kinh thính giác đến hạt nhân ốc tai ở thân não. Từ đó, các tín hiệu được truyền đến đồi dưới ở tectum trụ não. Đồi dưới tích hợp đầu vào thính giác với đầu vào hạn chế từ các phần khác của não và tham gia vào các phản xạ tiềm thức chẳng hạn như phản ứng giật mình thính giác.

Đồi dưới lần lượt truyền đến nhân gối giữa, một phần của đồi thị nơi thông tin âm thanh được truyền đến vỏ thính giác chính ở thùy thái dương. Người ta tin rằng âm thanh lần đầu tiên được trải nghiệm một cách có ý thức ở vỏ thính giác chính. Xung quanh vỏ thính giác chính là vùng Wernicke, một vùng vỏ não tham gia vào việc giải thích âm thanh là cần thiết để hiểu các từ được nói.

Các rối loạn (chẳng hạn như đột quỵ hoặc chấn thương) ở bất kỳ cấp độ nào trong số này đều có thể gây ra các vấn đề về thính giác, đặc biệt nếu rối loạn này là song phương. Trong một số trường hợp, nó cũng có thể dẫn đến ảo giác thính giác hoặc khó khăn phức tạp hơn trong việc cảm nhận âm thanh.

Ở động vật có xương sống 

Không phải tất cả động vật đều có thể nghe được tất cả các âm thanh một cách bình thường. Mỗi loài có một phạm vi nghe bình thường về cả biên độ và tần số. Nhiều loài động vật sử dụng âm thanh để giao tiếp với nhau, và thính giác ở những loài này đặc biệt quan trọng cho sự sống sót và sinh sản. Ở các loài sử dụng âm thanh làm phương tiện giao tiếp chính, thính giác thường nhạy bén nhất đối với phạm vi cao độ được tạo ra trong tiếng gọi và lời nói.

Dải tần số 
Các tần số mà con người có thể nghe được được gọi là tần số âm thanh (audio hoặc sonic). Phạm vi âm thanh của con người thường được coi là từ 20 Hz đến 20.000 Hz. Các tần số cao hơn tần số âm thanh được gọi là tần số siêu âm (ultrasonic), trong khi các tần số thấp hơn tần số âm thanh được gọi là tần số hạ âm (infrasonic).

Một số loài dơi sử dụng siêu âm để định vị khi bay. Chó có thể nghe được siêu âm, đó là nguyên lý hoạt động của còi huýt chó "im lặng". Rắn cảm nhận hạ âm thông qua hàm của chúng, và cá voi tấm sừng, hươu cao cổ, cá heo và voi sử dụng hạ âm để giao tiếp.

Một số loài cá có khả năng nghe nhạy hơn nhờ kết nối xương được phát triển tốt giữa tai và túi bơi của chúng. "Thiết bị hỗ trợ cho người điếc" này đối với cá xuất hiện ở một số loài như cá chép và cá trích.

Phân biệt thời gian âm thanh 
Khả năng nhận biết sự chênh lệch thời gian của tín hiệu âm thanh của con người đã được đo là dưới 10 micro giây (10µs). Điều này không có nghĩa là các tần số trên 100 kHz có thể nghe được, mà là khả năng phân biệt thời gian không được kết nối trực tiếp với dải tần số. Georg Von Békésy vào năm 1929 khi xác định hướng của nguồn âm thanh đã gợi ý rằng con người có thể phân giải sự khác biệt về thời gian là 10µs hoặc ít hơn. Năm 1976, nghiên cứu của Jan Nordmark chỉ ra rằng độ phân giải liên thính tốt hơn 2µs. Nghiên cứu năm 2007 của Milind Kuncher đã giải quyết được sự sai lệch thời gian dưới 10µs.

Ở động vật không xương sống 
Mặc dù không có tai, nhưng các loài động vật không xương sống đã phát triển các cấu trúc và hệ thống khác để giải mã các rung động truyền qua không khí, hay "âm thanh". Charles Henry Turner là nhà khoa học đầu tiên chính thức chứng minh hiện tượng này thông qua các thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ trên kiến. Turner đã loại trừ khả năng phát hiện rung động mặt đất và cho rằng các loài côn trùng khác cũng có khả năng thính giác.

Nhiều loài côn trùng phát hiện âm thanh thông qua cách mà rung động không khí làm lệch các sợi lông trên cơ thể chúng. Một số loài côn trùng thậm chí còn phát triển các sợi lông chuyên biệt để phát hiện các tần số cụ thể, chẳng hạn như một số loài sâu bướm có lông có đặc tính cộng hưởng mạnh nhất với âm thanh của ong vò vẽ ong vàng, do đó cảnh báo chúng về sự hiện diện của kẻ thù tự nhiên.

Một số loài côn trùng có cơ quan tympanal. Đây là những "màng nhĩ" che phủ các khoang chứa đầy không khí trên chân côn trùng. Tương tự như quá trình nghe của động vật có xương sống, màng nhĩ phản ứng với sóng âm thanh. Các thụ thể nằm ở bên trong chuyển đổi dao động thành tín hiệu điện và gửi chúng đến não. Một số nhóm côn trùng bay bị dơi định vị bắt làm mồi có thể cảm nhận được sóng siêu âm theo cách này và phản xạ thực hiện hành vi tránh siêu âm.

Nghe dưới nước 
Ngưỡng nghe và khả năng xác định vị trí nguồn âm thanh giảm xuống dưới nước ở con người, nhưng không phải ở động vật thủy sinh, bao gồm cá voi, hải cẩu và cá có tai thích nghi để xử lý âm thanh trong nước.

Xem thêm
Decibel

Chú thích 

 
Âm thanh
Hệ thống thính giác
Thính học