Thính giác là hệ thống giác quan sinh học có chức năng tiếp nhận các sóng áp suất cơ học lan truyền trong môi trường không khí hoặc nước, chuyển đổi các rung động cơ học này thành các xung điện thế thần kinh tại cơ quan Corti của ốc tai và truyền về vỏ não thính giác để phân tích cao độ, âm sắc và vị trí nguồn âm trong không gian. Thính giác đóng vai trò trung tâm trong sự phát triển ngôn ngữ, giao tiếp xã hội và khả năng định hướng không gian của loài người.
Vật lý học âm thanh và mức áp suất âm thanh
Sóng âm là sóng cơ học dọc lan truyền trong môi trường đàn hồi với các đại lượng đặc trưng gồm tần số , bước sóng và vận tốc truyền âm tuân theo hệ thức cơ bản:
Để đo lường cường độ âm thanh trong dải cảm nhận rất rộng của tai người, mức áp suất âm thanh (tính bằng Decibel) được định nghĩa theo thang đo logarit so với áp suất âm chuẩn :
Trong đó là áp suất âm thanh hữu dụng đo được và là áp suất âm chuẩn ngưỡng nghe tại tần số một nghìn Hertz.
Giải phẫu sinh lý ốc tai và cơ chế chuyển đổi cơ điện
Hệ thống thính giác được cấu trúc thành ba phần liên hoàn:
| Cấu trúc giải phẫu | Cơ quan thành phần | Chức năng sinh lý thính giác |
|---|---|---|
| Tai ngoài | Vành tai, ống tai ngoài, màng nhĩ | Định hướng không gian, thu gom sóng âm và bảo vệ cấu trúc bên trong |
| Tai giữa | Chuỗi xương con (Búa, Đe, Bàn đạp), vòi Eustache | Biến đổi trở kháng cơ học giữa môi trường không khí và dịch ốc tai |
| Tai trong | Ốc tai xương, màng đáy, cơ quan Corti, tế bào lông | Phân tích phổ tần số âm thanh và chuyển đổi cơ điện thành xung thần kinh |
Sinh học phân tử tế bào lông và khuếch đại chủ động
Theo công trình tổng quan của Dallos năm 1992 trên Elsevier và Hudspeth năm 2014 trên Nature Reviews Neuroscience, cơ quan Corti chứa hai loại tế bào lông có chức năng chuyên biệt hóa cao:
- Tế bào lông trong (Inner Hair Cells): Là thụ thể cảm thụ chính, khi các lông chuyển bị bẻ cong bởi dòng chảy nội dịch sẽ mở các kênh ion cơ nhạy cảm làm khử cực màng và giải phóng chất dẫn truyền thần kinh glutamate kích thích sợi thần kinh ốc tai.
- Tế bào lông ngoài (Outer Hair Cells): Sở hữu protein vận động prestin trên màng tế bào, có khả năng co giãn cơ học siêu nhanh theo nhịp điện thế để khuếch đại chuyển động màng đáy, giúp tăng độ nhạy thính giác lên gấp hàng nghìn lần.
Tâm sinh lý học thính giác và phân tích thần kinh trung ương
Như được trình bày toàn diện trong chuyên khảo năm 1997 của Brian Moore trên Academic Press, màng đáy ốc tai được sắp xếp theo nguyên lý bản đồ tần số (tonotopy), trong đó các âm thanh tần số cao được thụ cảm ở phần đáy cứng hẹp gần cửa sổ bầu dục, còn các âm thanh tần số trầm được thụ cảm ở phần đỉnh màng đáy mềm rộng. Các xung điện từ hai tai được xử lý bắt chéo tại phức hợp trám trên của thân não để tính toán độ lệch thời gian và mức cường độ giữa hai tai, cho phép não bộ xác định chính xác vị trí phát ra nguồn âm trong không gian ba chiều.