علوم اعصاب پروس؛ سیستم شنوایی

Overview

THE AUDITORY SYSTEM IS ONE OF THE engineering masterpieces of the human body. At the periphery of the system is an array of miniature acoustical detectors packed into a space no larger than a pea. These detectors can transduce vibrations as small as the diameter of an atom, and they respond 1000 times faster than visual photoreceptors. Such rapid responses to acoustical cues, which are paralleled by rapid signaling in the auditory brainstem, facilitate the initial orientation of the head and body to novel stimuli, especially those stimuli that are not initially within the field of view. Human social communication is largely mediated by the auditory system, making the auditory system at least as critical for well being as the visual system; indeed, loss of hearing can be more socially debilitating than blindness. From a cultural perspective, the auditory system is essential not only to understanding speech, but also to perceiving music, one of the most aesthetically sophisticated forms of human expression. For these and other reasons, audition represents a fascinating and especially important mode of sensation.

مرور کلی

سیستم شنوایی یکی از شاهکارهای مهندسی بدن انسان است. در حاشیه این سیستم، آرایه‌ای از آشکارسازهای صوتی مینیاتوری قرار دارد که در فضایی به کوچکی یک نخود فرنگی جای گرفته‌اند. این آشکارسازها می‌توانند ارتعاشاتی به کوچکی قطر یک اتم را منتقل کنند و ۱۰۰۰ برابر سریع‌تر از گیرنده‌های نوری بینایی پاسخ می‌دهند. چنین پاسخ‌های سریعی به نشانه‌های صوتی، که با سیگنال‌دهی سریع در ساقه مغز شنوایی موازی هستند، جهت‌گیری اولیه سر و بدن را به محرک‌های جدید، به ویژه محرک‌هایی که در ابتدا در میدان دید نیستند، تسهیل می‌کنند. ارتباطات اجتماعی انسان تا حد زیادی توسط سیستم شنوایی انجام می‌شود و سیستم شنوایی را حداقل به اندازه سیستم بینایی برای رفاه حیاتی می‌کند. در واقع، از دست دادن شنوایی می‌تواند از نظر اجتماعی ناتوان‌کننده‌تر از نابینایی باشد. از دیدگاه فرهنگی، سیستم شنوایی نه تنها برای درک گفتار، بلکه برای درک موسیقی، یکی از پیچیده‌ترین اشکال بیان زیبایی‌شناختی انسان، نیز ضروری است. به این دلایل و دلایل دیگر، شنوایی نشان‌دهنده یک حالت جذاب و به ویژه مهم از احساس است.

Sound

In physical terms, sound refers to pressure waves generated by vibrating air molecules; in more casual usage (and somewhat confusingly), sound refers to an auditory percept. Physical sound waves radiate in three dimensions, creating concentric spheres of alternating compression and rarefaction. Like all wave phenomena, sound waves have four major features: waveform, phase, amplitude (usually expressed in logarithmic units known as decibels, abbreviated dB), and frequency (expressed in cycles per second or Hertz, abbreviated Hz). For a human listener, the amplitude and frequency of a sound pressure change at the ear roughly correspond to that listener’s experience of loudness and pitch, respectively.

صدا

از نظر فیزیکی، صدا به امواج فشاری تولید شده توسط مولکول‌های هوای مرتعش اشاره دارد؛ در کاربرد غیررسمی‌تر (و تا حدودی گیج‌کننده)، صدا به یک ادراک شنوایی اشاره دارد. امواج صوتی فیزیکی در سه بعد تابش می‌کنند و کره‌های متحدالمرکزی از تراکم و انبساط متناوب ایجاد می‌کنند. مانند همه پدیده‌های موج، امواج صوتی چهار ویژگی اصلی دارند: شکل موج، فاز، دامنه (معمولاً با واحدهای لگاریتمی معروف به دسی‌بل، به اختصار dB بیان می‌شود) و فرکانس (که با واحد سیکل در ثانیه یا هرتز، به اختصار Hz بیان می‌شود). برای یک شنونده انسانی، دامنه و فرکانس تغییر فشار صدا در گوش تقریباً به ترتیب با تجربه شنونده از بلندی و زیر و بمی صدا مطابقت دارد.

The waveform of a sound stimulus is its amplitude plotted against time. To understand this concept, it helps to begin by visualizing an acoustical waveform as a sine wave. Figure 13.1 diagrams the behavior of air molecules near a tuning fork that vibrates sinusoidally when struck. The vibrating tines of the tuning fork produce local displacements of the surrounding molecules, such that when the tine moves in one direction, there is molecular condensation; when it moves in the other direction, there is rarefaction. These changes in density of the air molecules are equivalent to local changes in air pressure. Such regular, sinusoidal cycles of compression and rarefaction can be thought of as a form of circular motion, with one complete cycle equivalent to one full revolution (360°). This point can be illustrated with two sinusoids of the same frequency projected onto a circle, a strategy that also makes it easier to understand the concept of phase (Figure 13.2). Imagine that two tuning forks, both of which resonate at the same frequency, are struck at slightly different times. At a given time t = 0, one wave is at position P and the other at position Q. By projecting P and Q onto the circle, their respective phase angles, 0, and 02, are apparent. The sine wave that begins at P reaches a particular point on the circle, say 180°, at time t1, whereas the wave that begins at Q reaches 180° at time t2. Thus, phase differences have corresponding time differences, a concept that is important in appreciating how the auditory system locates sounds in space.

شکل موج یک محرک صوتی، دامنه آن است که در برابر زمان رسم شده است. برای درک این مفهوم، بهتر است با تجسم یک شکل موج صوتی به عنوان یک موج سینوسی شروع کنیم. شکل ۱۳.۱ رفتار مولکول‌های هوا را در نزدیکی یک دیاپازون که هنگام ضربه زدن به صورت سینوسی می‌لرزد، نشان می‌دهد. دندانه‌های مرتعش دیاپازون باعث جابجایی‌های موضعی مولکول‌های اطراف می‌شوند، به طوری که وقتی دندانه در یک جهت حرکت می‌کند، تراکم مولکولی رخ می‌دهد؛ وقتی در جهت دیگر حرکت می‌کند، انبساط رخ می‌دهد. این تغییرات در چگالی مولکول‌های هوا معادل تغییرات موضعی فشار هوا است. چنین چرخه‌های سینوسی منظمی از تراکم و انبساط را می‌توان به عنوان نوعی حرکت دایره‌ای در نظر گرفت که یک چرخه کامل معادل یک دور کامل (۳۶۰ درجه) است. این نکته را می‌توان با دو سینوسی با فرکانس یکسان که بر روی یک دایره تصویر شده‌اند، نشان داد، راهکاری که درک مفهوم فاز را نیز آسان‌تر می‌کند (شکل ۱۳.۲). تصور کنید که دو دیاپازون، که هر دو در فرکانس یکسانی طنین‌انداز می‌شوند، در زمان‌های کمی متفاوت زده می‌شوند. در زمان معین t = 0، یک موج در موقعیت P و دیگری در موقعیت Q قرار دارد. با تصویر کردن P و Q بر روی دایره، زاویه فاز مربوطه آنها، 0 و 02، آشکار می‌شود. موج سینوسی که از P شروع می‌شود، در زمان t1 به نقطه خاصی روی دایره، مثلاً 180 درجه، می‌رسد، در حالی که موجی که از Q شروع می‌شود، در زمان t2 به 180 درجه می‌رسد. بنابراین، اختلاف فازها، اختلاف زمانی متناظری دارند، مفهومی که در درک چگونگی مکان‌یابی صداها توسط سیستم شنوایی در فضا مهم است.

FIGURE 13.1 A sine wave. Diagram of the periodic condensation and rarefaction of air molecules produced by the vibrating tines of a tuning fork. The molecular disturbance of the air is pictured as if frozen at the instant the constituent molecules responded to the resultant pressure wave. Shown below is a plot of the air pressure versus distance from the fork. Note its sinusoidal quality.

شکل ۱۳.۱ یک موج سینوسی. نمودار تراکم و ترقیق دوره‌ای مولکول‌های هوا که توسط دندانه‌های مرتعش یک دیاپازون تولید می‌شود. آشفتگی مولکولی هوا به گونه‌ای تصویر شده است که گویی در لحظه‌ای که مولکول‌های تشکیل‌دهنده به موج فشار حاصل پاسخ می‌دهند، منجمد شده‌اند. در زیر نموداری از فشار هوا در مقابل فاصله از دیاپازون نشان داده شده است. به کیفیت سینوسی آن توجه کنید.

FIGURE 13.2 A sine wave and its projection as circular motion. The two sinusoids shown are at different phases, such that point P corresponds to phase angle e, and point Q corresponds to phase angle 02.

شکل ۱۳.۲ یک موج سینوسی و تصویر آن به صورت حرکت دایره‌ای. دو سینوسی نشان داده شده در فازهای مختلفی هستند، به طوری که نقطه P مربوط به زاویه فاز e و نقطه Q مربوط به زاویه فاز 02 است.

Although useful in a didactic sense, it must be kept in mind that sounds composed of single sine waves (i.e., pure tones) are rarely found in nature. At any instant, most sounds in speech, for example, contain energy distributed across a broad frequency spectrum, while some other environmental stimuli (e.g., a babbling brook, wind in trees) have little or no periodicity. Spectrally complex waveforms (such as those produced in speech) that have a periodic quality can be modeled as the sum of sinusoidal waves of varying amplitudes, frequencies, and phases. In engineering applications, an algorithm called the Fourier transform decomposes a complex signal into its sinusoidal components. In the auditory system, as will be apparent later in the chapter, the inner ear acts as a sort of acoustical prism, decomposing complex sounds into a myriad of constituent frequencies. In addition to complex spectral features, many biologically important sounds, including animal vocalizations, speech, and music, are characterized by temporal modulations in the sound’s amplitude envelope (Figure 13.3). Along with its ability to encode spectral features, the auditory system’s ability to encode these temporal features is important to speech and melody perception and more generally to the perceptual grouping of auditory objects in complex acoustical scenes (i.e., such as the soprano melody in a four voice fugue).

اگرچه از نظر آموزشی مفید است، باید در نظر داشت که صداهایی که از امواج سینوسی منفرد (یعنی تن‌های خالص) تشکیل شده‌اند، به ندرت در طبیعت یافت می‌شوند. به عنوان مثال، در هر لحظه، اکثر صداهای گفتاری حاوی انرژی توزیع شده در طیف فرکانسی وسیعی هستند، در حالی که برخی دیگر از محرک‌های محیطی (مانند صدای جویبار، باد در درختان) تناوب کمی دارند یا اصلاً تناوبی ندارند. شکل موج‌های پیچیده طیفی (مانند آنهایی که در گفتار تولید می‌شوند) که کیفیت تناوبی دارند را می‌توان به عنوان مجموع امواج سینوسی با دامنه، فرکانس و فازهای مختلف مدل‌سازی کرد. در کاربردهای مهندسی، الگوریتمی به نام تبدیل فوریه، یک سیگنال پیچیده را به اجزای سینوسی آن تجزیه می‌کند. در سیستم شنوایی، همانطور که بعداً در این فصل مشخص خواهد شد، گوش داخلی به عنوان نوعی منشور آکوستیک عمل می‌کند و صداهای پیچیده را به تعداد بی‌شماری از فرکانس‌های تشکیل‌دهنده تجزیه می‌کند. علاوه بر ویژگی‌های طیفی پیچیده، بسیاری از صداهای مهم بیولوژیکی، از جمله آواهای حیوانات، گفتار و موسیقی، با مدولاسیون‌های زمانی در پوشش دامنه صدا مشخص می‌شوند (شکل ۱۳.۳). توانایی سیستم شنوایی در رمزگذاری این ویژگی‌های زمانی، علاوه بر توانایی آن در رمزگذاری ویژگی‌های طیفی، برای درک گفتار و ملودی و به طور کلی‌تر برای گروه‌بندی ادراکی اشیاء شنیداری در صحنه‌های آکوستیکی پیچیده (مثلاً ملودی سوپرانو در یک فوگ چهارصدایی) مهم است.

The human ear is extraordinarily sensitive to changes in sound pressure. At the threshold of hearing, air molecules are displaced an average of only 10 picometers (10-11 m), and the intensity of such a sound is about one-trillionth. of a watt per square meter! Even dangerously high sound pressure levels (>100 dB) have power at the eardrum that is only in the milliwatt range (Clinical Applications).

گوش انسان به طور فوق‌العاده‌ای به تغییرات فشار صدا حساس است. در آستانه شنوایی، مولکول‌های هوا به طور متوسط ​​تنها 10 پیکومتر (10-11 متر) جابجا می‌شوند و شدت چنین صدایی حدود یک تریلیونم وات بر متر مربع است! حتی سطوح فشار صدای بسیار بالا (>100 دسی‌بل) نیز در پرده گوش قدرتی دارند که تنها در محدوده میلی‌وات است (کاربردهای بالینی).

The Audible Spectrum

Humans with normal hearing are able to detect sounds that fall within a frequency range from about 20 Hz to 20 kHz, with the upper limit dropping off somewhat in adulthood. Not all mammalian species are sensitive to the same range of frequencies, and most small mammals are sensitive to very high frequencies but not to low frequencies. For instance, some species of bats are sensitive to tones as high as 200 kHz, but their lower limit is around 20 kHz-the upper limit for young people with normal hearing. Different animal species also tend to emphasize certain frequency bandwidths in both their vocalizations and their range of hearing. In general, vocalizations, by virtue of their periodicity, can be distinguished from the noise “barrier” created by environmental sounds, such as babbling brooks and rustling leaves. Animals that echolocate, such as bats and dolphins, rely on very high frequency vocal sounds to maximally resolve spatial features of the target, while animals intent on avoiding predation have auditory systems “tuned” to the low-frequency vibrations that approaching predators transmit through the substrate. These behavioral differences are mirrored by a wealth of anatomical and functional specializations throughout the auditory system. 

طیف شنیداری

انسان‌هایی که شنوایی طبیعی دارند، قادر به تشخیص صداهایی هستند که در محدوده فرکانسی حدود ۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلوهرتز قرار دارند و حد بالای آن در بزرگسالی تا حدودی کاهش می‌یابد. همه گونه‌های پستانداران به یک محدوده فرکانسی حساس نیستند و اکثر پستانداران کوچک به فرکانس‌های بسیار بالا حساس هستند اما به فرکانس‌های پایین نه. به عنوان مثال، برخی از گونه‌های خفاش‌ها به صداهایی تا ۲۰۰ کیلوهرتز حساس هستند، اما حد پایین آنها حدود ۲۰ کیلوهرتز است – حد بالای فرکانس برای افراد جوان با شنوایی طبیعی. گونه‌های مختلف حیوانات نیز تمایل دارند بر پهنای باند فرکانسی خاصی هم در آواسازی و هم در محدوده شنوایی خود تأکید کنند. به طور کلی، آواسازی‌ها، به دلیل تناوبی بودنشان، می‌توانند از “مانع” نویز ایجاد شده توسط صداهای محیطی، مانند صدای جویبارها و خش خش برگ‌ها، متمایز شوند. حیواناتی که از طریق پژواک‌یابی موقعیت‌یابی می‌کنند، مانند خفاش‌ها و دلفین‌ها، برای تشخیص حداکثری ویژگی‌های مکانی هدف، به صداهای صوتی با فرکانس بسیار بالا متکی هستند، در حالی که حیواناتی که قصد اجتناب از شکار را دارند، سیستم‌های شنوایی‌شان با ارتعاشات فرکانس پایینی که شکارچیان در حال نزدیک شدن از طریق بستر منتقل می‌کنند، “تنظیم” شده است. این تفاوت‌های رفتاری توسط مجموعه‌ای از تخصص‌های آناتومیکی و عملکردی در سراسر سیستم شنوایی منعکس می‌شود.

FIGURE 13.3 Examples of different sounds. In each case, the top panel is a sonogram (frequency versus time with increasing intensity represented by hotter colors) and the bottom panel is an oscillogram (amplitude versus time plot). Note that animal vocalizations, speech, and music can contain highly periodic (tonal and harmonic) elements, whereas environmental sounds such as wind lack such periodic structure. (Courtesy of Timothy Warren.)

شکل ۱۳.۳ نمونه‌هایی از صداهای مختلف. در هر مورد، پنل بالایی یک سونوگرام (فرکانس در مقابل زمان با افزایش شدت که با رنگ‌های داغ‌تر نشان داده شده است) و پنل پایینی یک اسیلوگرام (نمودار دامنه در مقابل زمان) است. توجه داشته باشید که آواهای حیوانات، گفتار و موسیقی می‌توانند حاوی عناصر بسیار تناوبی (تونال و هارمونیک) باشند، در حالی که صداهای محیطی مانند باد فاقد چنین ساختار تناوبی هستند. (با احترام از تیموتی وارن.)

A Synopsis of Auditory Function

The auditory system transforms sound stimuli into distinct patterns of neural activity. These patterns are then integrated with information from other sensory systems and from other brain regions important to movement, attention, and arousal to guide behaviors that include orienting to acoustical stimuli, engaging in intraspecies communication, and distinguishing self generated sounds from other sounds in the environment. The first stage of this transformation occurs at the external and middle ears, which collect sound waves and amplify their pressure so that the sound energy in the air can be successfully transmitted to the fluid filled cochlea of the inner ear. In the inner ear, a series of biomechanical processes enable the frequency, amplitude, and phase of the original signal to be transduced by the sensory hair cells and encoded by the electrical activity of the auditory nerve fibers. One product of this process of acoustical decomposition is the systematic representation of sound frequency along the length of the cochlea, referred to as tonotopy, which is an important organizational feature preserved throughout the central auditory pathways.

خلاصه‌ای از عملکرد شنوایی

سیستم شنوایی، محرک‌های صوتی را به الگوهای متمایز فعالیت عصبی تبدیل می‌کند. سپس این الگوها با اطلاعات سایر سیستم‌های حسی و سایر نواحی مغز که برای حرکت، توجه و برانگیختگی مهم هستند، ادغام می‌شوند تا رفتارهایی را هدایت کنند که شامل جهت‌یابی به محرک‌های صوتی، مشارکت در ارتباطات درون گونه‌ای و تشخیص صداهای تولید شده توسط خود فرد از سایر صداهای موجود در محیط است. مرحله اول این تبدیل در گوش خارجی و میانی رخ می‌دهد که امواج صوتی را جمع‌آوری کرده و فشار آنها را تقویت می‌کنند تا انرژی صوتی موجود در هوا بتواند با موفقیت به حلزون گوش پر از مایع گوش داخلی منتقل شود. در گوش داخلی، مجموعه‌ای از فرآیندهای بیومکانیکی باعث می‌شوند که فرکانس، دامنه و فاز سیگنال اصلی توسط سلول‌های مویی حسی منتقل شده و توسط فعالیت الکتریکی فیبرهای عصبی شنوایی رمزگذاری شود. یکی از محصولات این فرآیند تجزیه آکوستیک، نمایش سیستماتیک فرکانس صدا در امتداد طول حلزون گوش است که به آن تونوتوپی گفته می‌شود، که یک ویژگی سازمانی مهم است که در سراسر مسیرهای شنوایی مرکزی حفظ می‌شود.

The earliest stage of central processing occurs at the cochlear nucleus, where the peripheral auditory information diverges into several parallel central pathways. Accordingly, the output of the cochlear nucleus has several targets. One of these is the superior olivary complex, the first point at which information from the two ears interacts and the site of the initial processing of the cues that allow listeners to localize sound in space. The cochlear nucleus also projects to the inferior colliculus of the midbrain, a major integrative center and the first point at which auditory information can interact with the motor system. The inferior colliculus relays auditory information to the thalamus and cortex, the latter of which plays a prominent role in the perception of speech and music. The large number of stations between the auditory periphery and the cortex far exceeds those in other sensory systems, providing a hint that the perception of communication and environmental sounds is an especially critical and intensive neural process. Furthermore, both the peripheral and central auditory systems are “tuned” to conspecific communication vocalizations, pointing to the interdependent evolution of the entire system for perceiving these signals.

اولین مرحله پردازش مرکزی در هسته حلزونی رخ می‌دهد، جایی که اطلاعات شنوایی محیطی به چندین مسیر مرکزی موازی تقسیم می‌شوند. بر این اساس، خروجی هسته حلزونی چندین هدف دارد. یکی از این اهداف، کمپلکس زیتونی فوقانی است، اولین نقطه‌ای که اطلاعات از دو گوش با هم تعامل دارند و محل پردازش اولیه نشانه‌هایی است که به شنوندگان اجازه می‌دهد صدا را در فضا مکان‌یابی کنند. هسته حلزونی همچنین به کولیکولوس تحتانی مغز میانی، یک مرکز ادغام اصلی و اولین نقطه‌ای که اطلاعات شنوایی می‌تواند با سیستم حرکتی تعامل کند، اشاره دارد. کولیکولوس تحتانی اطلاعات شنوایی را به تالاموس و قشر مغز منتقل می‌کند، که دومی نقش برجسته‌ای در درک گفتار و موسیقی ایفا می‌کند. تعداد زیاد ایستگاه‌ها بین حاشیه شنوایی و قشر مغز بسیار بیشتر از ایستگاه‌های موجود در سایر سیستم‌های حسی است و این نشان می‌دهد که درک ارتباطات و صداهای محیطی یک فرآیند عصبی بسیار حیاتی و فشرده است. علاوه بر این، هر دو سیستم شنوایی محیطی و مرکزی برای تولید صداهای ارتباطی مشابه «تنظیم» شده‌اند، که به تکامل وابسته به هم کل سیستم برای درک این سیگنال‌ها اشاره دارد.

CLINICAL APPLICATIONS

Hearing Loss: Causes and Treatments

A cquired hearing loss is an increasingly common sensory deficit that currently affects more than thirty million people in the US, a number that is anticipated to grow dramatically over the next several decades. Major causes of acquired hearing loss are acute acoustical trauma, such as those caused by proximity to gunfire or explosions; chronic exposure to high intensity noise, as occurs in industrial and certain musical settings; use of ototoxic drugs; and presbyacusis (literally, “the hearing of the old which may stem in part from atherosclerotic damage to the especially fine microvasculature of the inner ear, as well as from genetic predispositions to hair cell damage. Increasing public awareness about these risk factors and developing therapies for restoring normal hearing are of great importance, as hearing loss can impair communication and lead to social isolation, which in turn has been linked to premature cognitive decline.

کاربردهای بالینی

کم شنوایی: علل و درمان‌ها

کم شنوایی اکتسابی یک نقص حسی شایع است که در حال حاضر بیش از سی میلیون نفر را در ایالات متحده تحت تأثیر قرار می‌دهد، عددی که پیش‌بینی می‌شود طی چند دهه آینده به طور چشمگیری افزایش یابد. علل اصلی کم شنوایی اکتسابی عبارتند از: آسیب‌های حاد صوتی، مانند مواردی که در اثر نزدیکی به تیراندازی یا انفجار ایجاد می‌شوند؛ قرار گرفتن مزمن در معرض سر و صدای شدید، مانند آنچه در محیط‌های صنعتی و برخی از محیط‌های موسیقی رخ می‌دهد؛ استفاده از داروهای اتوتوکسیک؛ و پیرگوشی (به معنای واقعی کلمه، “شنوایی افراد مسن که ممکن است تا حدی ناشی از آسیب آترواسکلروتیک به عروق بسیار ظریف گوش داخلی و همچنین از استعداد ژنتیکی برای آسیب سلول‌های مویی باشد). افزایش آگاهی عمومی در مورد این عوامل خطر و توسعه روش‌های درمانی برای بازیابی شنوایی طبیعی از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا کم شنوایی می‌تواند ارتباط را مختل کرده و منجر به انزوای اجتماعی شود که به نوبه خود با زوال شناختی زودرس مرتبط است.

By far the most common forms of hearing loss involve the peripheral auditory system namely, those structures that transmit and transduce sounds into neural impulses. Monaural hearing deficits are the defining symptom of a peripheral hearing loss, because unilateral damage at or above the auditory brainstem results in a binaural deficit (due to the extensive bilateral organization of the central auditory system). Peripheral hearing insults can be further divided into conductive hearing losses, which involve damage to the outer or middle ear, and sensorineural hearing losses, which stem from damage to the inner ear, most typically the cochlear hair cells or the auditory nerve itself. Although both forms of peripheral hearing loss manifest themselves as a raised threshold for (A) hearing on the affected side, their diagnoses and treatments differ.

تاکنون شایع‌ترین اشکال کم‌شنوایی شامل سیستم شنوایی محیطی یعنی ساختارهایی که صداها را به تکانه‌های عصبی منتقل و تبدیل می‌کنند می‌شود. نقص شنوایی تک‌گوشی علامت مشخص‌کننده کم‌شنوایی محیطی است، زیرا آسیب یک‌طرفه در ساقه مغز شنوایی یا بالاتر از آن منجر به نقص دوگوشی می‌شود (به دلیل سازماندهی دوطرفه گسترده سیستم شنوایی مرکزی). آسیب‌های شنوایی محیطی را می‌توان به کم‌شنوایی‌های انتقالی، که شامل آسیب به گوش خارجی یا میانی می‌شوند، و کم‌شنوایی‌های حسی-عصبی، که ناشی از آسیب به گوش داخلی، که معمولاً سلول‌های مویی حلزونی یا خود عصب شنوایی است، هستند، تقسیم کرد. اگرچه هر دو شکل کم‌شنوایی محیطی خود را به صورت افزایش آستانه شنوایی (A) در سمت آسیب‌دیده نشان می‌دهند، اما تشخیص و درمان آنها متفاوت است.

Conductive hearing loss can be due to occlusion of the ear canal by wax or foreign objects, rupture of the tympanic membrane itself, or arthritic ossification of the middle ear bones. In contrast, sensorineural hearing loss usually is due to congenital or environmental insults that lead to hair cell death or damage to the auditory nerve. As hair cells are relatively few in number and do not regenerate in humans, their depletion leads to a diminished ability to detect sounds. The Weber test, a simple test involving a tuning fork, can be used to distinguish between these two forms of hearing loss. If a resonating tuning fork (~256 Hz) is placed on the vertex, patient with conductive hearing loss will report that the sound is louder in the affected ear. In the “plugged” state, sounds propagating through the skull do not dissipate as freely back out through the auditory meatus, and thus a greater amount of sound energy is transmitted to the cochlea on the blocked side. In contrast, a patient with a monaural sensorineural hearing loss will report that a Weber test sounds louder on the intact side, because even though the inner ear may vibrate equally on the two sides, the damaged side cannot transduce this vibration into a neural signal.

کم‌شنوایی انتقالی می‌تواند به دلیل انسداد مجرای گوش توسط جرم یا اجسام خارجی، پارگی خود پرده صماخ یا استخوانی شدن آرتروزی استخوان‌های گوش میانی باشد. در مقابل، کم‌شنوایی حسی-عصبی معمولاً به دلیل آسیب‌های تناسلی یا محیطی است که منجر به مرگ سلول‌های مویی یا آسیب به عصب شنوایی می‌شود. از آنجایی که سلول‌های مویی تعداد نسبتاً کمی دارند و در انسان بازسازی نمی‌شوند، کاهش آنها منجر به کاهش توانایی تشخیص صداها می‌شود. آزمایش وبر، یک آزمایش ساده شامل یک دیاپازون، می‌تواند برای تمایز بین این دو نوع کم‌شنوایی استفاده شود. اگر یک دیاپازون تشدیدکننده (حدود ۲۵۶ هرتز) روی رأس گوش قرار گیرد، بیمار مبتلا به کم‌شنوایی انتقالی گزارش می‌دهد که صدا در گوش آسیب‌دیده بلندتر است. در حالت “گرفتگی”، صداهایی که از طریق جمجمه پخش می‌شوند، به راحتی از طریق مجرای شنوایی دفع نمی‌شوند و بنابراین مقدار بیشتری از انرژی صوتی به حلزون گوش در سمت مسدود شده منتقل می‌شود. در مقابل، بیماری که دچار کم‌شنوایی حسی-عصبی تک‌گوشی است، گزارش می‌دهد که تست وبر در سمت سالم بلندتر به نظر می‌رسد، زیرا اگرچه گوش داخلی ممکن است در دو طرف به طور مساوی ارتعاش کند، سمت آسیب‌دیده نمی‌تواند این ارتعاش را به سیگنال عصبی تبدیل کند.

(A) An external hearing aid nestled in the ear canal. These compact devices amplify sound and are used to treat conductive hearing loss.

(الف) یک سمعک خارجی که در کانال گوش قرار می‌گیرد. این دستگاه‌های جمع و جور صدا را تقویت می‌کنند و برای درمان کم‌شنوایی انتقالی استفاده می‌شوند.

Treatment also differs for these two types of deafness. In conductive hearing losses, an external hearing aid is used to boost sounds to compensate for the reduced efficiency of the conductive apparatus. These miniature devices, which are inserted into the ear canal, contain a microphone, a speaker, and an amplifier (Figure A). Though often helpful in quiet environments, external hearing aids can be less effective in noisy environments; moreover, they do not achieve a high degree of directionality, interfering with sound localization, which is an important aid in distinguishing different sound sources. The use of digital signal processing strategies partly overcomes these problems, and hearing aids obviously provide significant benefits to many people.

درمان این دو نوع ناشنوایی نیز متفاوت است. در کم‌شنوایی‌های انتقالی، از یک سمعک خارجی برای تقویت صداها استفاده می‌شود تا کاهش کارایی دستگاه رسانا جبران شود. این دستگاه‌های مینیاتوری که در کانال گوش قرار می‌گیرند، حاوی یک میکروفون، یک بلندگو و یک تقویت‌کننده هستند (شکل A). اگرچه سمعک‌های خارجی اغلب در محیط‌های آرام مفید هستند، اما در محیط‌های پر سر و صدا می‌توانند کمتر مؤثر باشند. علاوه بر این، آنها به درجه بالایی از جهت‌یابی نمی‌رسند و در مکان‌یابی صدا که کمک مهمی در تشخیص منابع مختلف صدا است، اختلال ایجاد می‌کنند. استفاده از استراتژی‌های پردازش سیگنال دیجیتال تا حدودی بر این مشکلات غلبه می‌کند و سمعک‌ها بدیهی است که مزایای قابل توجهی برای بسیاری از افراد فراهم می‌کنند.

The treatment of profound sensorineural hearing loss is more complicated and invasive; conventional hearing aids are useless, because no amount of mechanical amplification can compensate for the inability to generate or convey a neural impulse from the cochlea.

درمان کم‌شنوایی حسی-عصبی عمیق پیچیده‌تر و تهاجمی‌تر است؛ سمعک‌های معمولی بی‌فایده هستند، زیرا هیچ مقدار تقویت مکانیکی نمی‌تواند ناتوانی در تولید یا انتقال تکانه عصبی از حلزون گوش را جبران کند.

However, if the auditory nerve is intact, cochlear implants can partially restore hearing. The implant consists of a peripherally mounted microphone and digital signal processor that decomposes a sound into its spectral components. Additional electronics use this information to activate different combinations of contacts on a multisite stimulating electrode array. The electrode is inserted into the cochlea through the round window (Figure B) and positioned along the length of the tonotopically organized basilar membrane and auditory nerve endings. This placement enables electrical stimulation of the nerve in a manner that mimics some aspects of the spectral decomposition naturally performed by the cochlea.

با این حال، اگر عصب شنوایی سالم باشد، کاشت حلزون می‌تواند تا حدی شنوایی را بازیابی کند. این کاشت شامل یک میکروفون نصب شده در محیط و یک پردازنده سیگنال دیجیتال است که صدا را به اجزای طیفی آن تجزیه می‌کند. قطعات الکترونیکی اضافی از این اطلاعات برای فعال کردن ترکیبات مختلف تماس‌ها روی یک آرایه الکترود تحریک‌کننده چند قسمتی استفاده می‌کنند. الکترود از طریق پنجره گرد (شکل B) وارد حلزون گوش می‌شود و در امتداد طول غشای پایه و انتهای عصب شنوایی که به صورت تونوتوپیک سازماندهی شده است، قرار می‌گیرد. این قرارگیری، تحریک الکتریکی عصب را به شیوه‌ای امکان‌پذیر می‌کند که برخی از جنبه‌های تجزیه طیفی را که به طور طبیعی توسط حلزون گوش انجام می‌شود، تقلید می‌کند.

(B) A coronal section at the level of the auditory meatus shows the components of the cochlear implant, including the filamentous stimulating electrode inserted into the cochlea through the round window.

(ب) برش تاجی در سطح مجرای شنوایی، اجزای کاشت حلزون، از جمله الکترود تحریک‌کننده رشته‌ای که از طریق پنجره گرد وارد حلزون گوش می‌شود را نشان می‌دهد.

Cochlear implants can be remarkably effective in restoring hearing to people with hair cell damage, permitting them engage in spoken communication. Despite such success in treating those who have lost their hearing after having learned to speak, children with severe to profound hearing loss who receive cochlear implants exhibit highly variable spoken language development outcomes. Although cochlear implants cannot help patients who have auditory nerve damage, brainstem implants currently in development use a conceptually similar approach to stimulate the cochlear nuclei directly, bypassing the auditory periphery altogether.

کاشت حلزون می‌تواند در بازیابی شنوایی افراد مبتلا به آسیب سلول‌های مویی به طرز چشمگیری مؤثر باشد و به آنها امکان برقراری ارتباط گفتاری را بدهد. با وجود چنین موفقیتی در درمان کسانی که پس از یادگیری صحبت کردن، شنوایی خود را از دست داده‌اند، کودکانی که دچار کم‌شنوایی شدید تا عمیق هستند و کاشت حلزون دریافت می‌کنند، نتایج بسیار متغیری در توسعه زبان گفتاری نشان می‌دهند. اگرچه کاشت حلزون نمی‌تواند به بیمارانی که آسیب عصب شنوایی دارند کمک کند، کاشت‌های ساقه مغز که در حال حاضر در حال توسعه هستند، از یک رویکرد مفهومی مشابه برای تحریک مستقیم هسته‌های حلزون استفاده می‌کنند و به طور کلی از حاشیه شنوایی عبور می‌کنند.

The External Ear