Tần số nghe thấp có liên quan đến hình dạng ốc tai

Hình dạng rất quan trọng, ngay cả đối với thính giác. Đặc biệt là hình dạng của ốc tai – cơ quan giống hình vỏ ốc ở tai trong biến đổi sóng âm thanh thành các xung thần kinh để não có thể giải mã – có tầm quan trọng đáng ngạc nhiên.

Nghiên cứu được đăng tải mới đây trên tờ Proceedings of the National Academy of Sciences trực tuyến đã phát hiện mối liên hệ trực tiếp giữa độ cong của ốc tai và giới hạn tần số thính giác thấp ở khoảng trên 12 loài động vật có vú khác nhau.

Mối liên hệ này sẽ rất hữu ích đối với việc bảo tồn các loài động vật nếu ước lượng được ảnh hưởng của tiếng ồn từ các hoạt động của con người lên động vật như loài hổ Xiberia, gấu bắc cực và các loài động vật có vú sống dưới nước không bao giờ chịu đứng yên khi tiến hành các thí nghiệm thính giác. Nó cũng có thể cung cấp thêm nhiều thông tin mới về khả năng nghe của các loài động vật có vú đã tuyệt chủng như loài ma mút, hổ nanh kiếm; từ đó có thể cho chúng ta hiểu biết thêm về phương thức tiến hóa của thính giác.

Daphne Manoussaki – trợ lý giáo sư toán học tại đại học Vanderbilt, người chỉ đạo nghiên cứu cùng với Richard S. Chadwick, trưởng khoa thuộc viện quốc gia Khiếm thính và các chứng rối loạn giao tiếp (một trong những viện quốc gia về Sức khỏe - NIH) – cho biết: “Hóa ra chính là độ cong của ốc tai chứ không phải kích cỡ có liên quan đến giới hạn tần số thính giác thấp”.

Hình ảnh ba chiều tái dựng ốc tai nằm trong tai trong của con người nhờ sử dụng máy chụp cắt lớp độ phân giải cao tương tự với hình ảnh dùng để đo bán kính ốc tai ở các loài được phân tích trong nghiên cứu. (Ảnh: Courtesy of Darlene Ketten)

Ốc tai có hình xoắn ốc đặc trưng ở động vật có vú. Chim và bò sát có ốc tai hình đĩa hoặc hơi xoắn giới hạn thời gian bát độ chúng có thể nghe. Động vật có ốc tai hơi xoắn thường có phạm vi thính giác lớn hơn, nhưng những nỗ lực trước đó nhằm liên kết tác động của thính giác đến các đặc điểm cấu tạo của ốc tai không đem lại những kết quả thỏa đáng bởi không tính đến hiệu quả âm thanh.

Năm 2006, Manoussaki cùng các cộng sự NIH đã xuất bản một bài viết đưa ra ý kiến rằng dạng xoắn ốc của ốc tai làm tăng cường âm thanh tần số thấp nhờ hiệu quả tương tự với “hiệu ứng đường hầm dài” trong đó những âm thanh nhỏ, nhẹ khi di chuyển qua bức tường uốn cong trong một căn phòng lớn sẽ trở nên đủ to để nghe được rõ ràng từ phía đầu bên kia của căn phòng.

Khi sóng âm thanh vào tai, chúng đập vào màng nhĩ làm màng nhĩ rung lên. Các xương nhỏ trong tai mở rộng và truyền rung động vào chất dịch trong ốc tai, tạo nên sóng áp lực truyền dọc theo đường ống hẹp của bộ phận xoắn hình ống này. Đường ống đó là một trong hai căn phòng chính được tạo ra từ lớp màng co giãn chạy dọc theo chiều dài của ốc tai. Các đặc tính cơ học của màng đáy biến đổi từ rất cứng ở phía đầu ngoài rộng rãi rồi tăng dần độ linh hoạt ở bên trong khi căn phòng trở nên chật hẹp. Đặc điểm chọn lọc của lớp màng khiến cho sóng âm thanh lớn dần rồi mất. Các tần số khác nhau đạt tới đỉnh ở các vị trí khác nhau dọc theo lớp màng.

Tế bào cảm nhận gắn với lớp màng và có những túm lông nhỏ gọi là stereocilia gắn với cấu trúc điều chỉnh được trong ống. Khi màng đáy cử động, tế bào cảm nhận bị nghiêng và các sợi stereocilia bị uốn cong. Cử động này tạo ra tín hiệu điện từ truyền dọc theo các dây thần kinh thính giác đến não. Kết quả là, tế bào cảm nhận gần đầu ngoài của ốc tai nhận biết được âm thanh tần số cao như tiếng sáo kim; còn những tế bào ở đầu trong của ốc tai lại nhận biết được âm thanh tần số thấp hơn như tiếng trống trầm vang chẳng hạn.

Thứ tự phản ứng cơ học từ tần số cao đến tần số thấp vẫn họat động theo phương thức cũ dù ốc tai có dạng thẳng hay xoắn ốc. Nhưng theo tính toán của Manoussaki, hình dạng xoắn ốc khiến năng lượng của sóng âm thanh tần số thấp tích tụ lại ở phần rìa phía ngoài của căn phòng. Ngược lại sự phân phối năng lượng không đều này khiến màng đáy hướng về phía thành ngoài căn phòng nhiều hơn làm tăng độ cong của các sợi stereocilia. Độ cong tăng cực điểm tại đỉnh của đường xoắn ốc nơi thu nhận những âm thanh có tần số thấp nhất. Manoussaki và các cộng sự đã tính toán được rằng cường độ âm thanh có thể tăng thêm đến 20 dexiben tương đương với sự khác biệt giữa môi trường âm thanh của một nhà hàng yên tĩnh với một con phố tấp nập, đông đúc.

Darlene R. Ketten - nhà khoa học đầy kinh nghiệm thuộc Viện hải dương học Woods Hole đồng thời là trợ lý giáo sư tại đại học y Harvard - cũng tham gia vào nghiên cứu này. Ông cho biết: “Ý kiến cho rằng độ cong của ốc tai có ảnh hưởng lớn đến thính giác đã gây nhiều tranh cãi trong nhiều năm. Độ cong của ốc tai thường không được tính đến trong quá trình nghiên cứu hoặc là những giả thuyết đưa ra chưa thật thỏa đáng. Hiện chúng tôi đã có trong tay một giả thuyết được chứng minh bởi rất nhiều ví dụ cụ thể sử dụng hình dạng tai có thật và khả năng thính giác”.

Ketten hỗ trợ cho Manoussaki và cộng sự chiếc máy chụp cắt lớp độ phân giải cao để chụp ảnh ốc tai của rất nhiều loài động vật khác nhau sống trên đất liền và cả các loài động vật có vú sống dưới nước. Cùng với các nhà lý sinh học đồng nghiệp, Manoussaki đã phân tích các hình dạng ốc tai và nhận thấy rằng giới hạn tần số nghe thấp ở các loài từ chuột, mèo, bò đến cá voi biến đổi tương ứng với tỉ lệ bán kính của đường cong từ đáy ốc tai cho đến đỉnh. Tỉ lệ này có giá trị từ 2 đến 9. Tỉ lệ càng lớn, tần số âm thanh mà con vật nghe được càng thấp. Manoussaki cho biết: “Điều này hoàn toàn hợp lý bởi tỉ lệ càng lớn, ốc tai càng khít. Năng lượng sóng âm của những âm thanh tần số thấp buộc phải cọ xát với thành ốc tai nhiều hơn khiến nó dễ bị xây xát”.

Những con vật như chuột, có tỉ lệ khoảng bằng 2, không thể nghe rõ ở tần số dưới 1000 Hz. Các loài như bò và voi có tỉ lệ khoảng bằng 9 có thể nghe được âm thanh có tần số thấp khoảng 20 Hz. Tính xác thực của phương pháp cũng được chứng minh bằng mèo, chuột lang và sư tử biển. Ốc tai của mèo dài hơn ốc tai của chuột lang. Nhưng chuột lang có tỉ lệ là 7,2 và có thể nghe âm thanh tần số thấp đến 47 Hz. Trong khi mèo có tỉ lệ nhỏ hơn là 6,2 có thể nghe được đến ngưỡng 55 Hz. Tương tự, sư tử biển có màng đáy dài gấp 3 lần chuột lang. Nhưng tỉ lệ bán kính của nó là 5,2 thấp hơn cả mèo và chuột lang. nên nó không thể nhận biết được âm thanh nhỏ hơn 180 Hz. (Đây là giới hạn thính giác của sư tử biển khi ở trên bờ, dưới nước nó có thể nghe được âm thanh ở tần số 200 Hz)

Manoussaki phát biểu: “Điều khiến tôi thích thú chính là một đặc điểm vĩ mô của tai cũng có hiệu quả lớn đối với khả năng nghe của chúng ta. Như các đồng nghiệp đã chỉ rõ, hiện nay có quá nhiều nghiên cứu được thực hiện ở cấp độ di truyền và tế bào nên chúng ta thường không thấy được những trường hợp như thế này, khi mà chỉ một cấu trúc hình học đơn giản cũng có ý nghĩa vô cùng lớn”.

Tham gia vào nghiên cứu còn có Emilios K. Dimitriadis (Viện quốc gia Kỹ thuật sinh học và hình ảnh y sinh học), Julie Arruda (Viện hải dương học Woods Hole), và Jennifer T. O'Malley (Bệnh viện Massachusetts Ear and Infirmary)
Nghiên cứu được Viện Sức khỏe quốc gia, cơ quan Nghiên cứu hải quân, đại học kỹ thuật trực thuộc đại học Crete and Vanderbilt tài trợ.