Текст книги "Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия"

Сосочки имеют три формы в зависимости от расположения на языке. Грибовидные сосочки облюбовали кончик языка и его среднюю часть, по внешнему виду они напоминают маленькие грибы, возвышающиеся над поверхностью, и содержат до двух вкусовых почек каждый. Желобовидные сосочки расположены ближе к корню языка, а листовидные сосочки – по его бокам. На нёбе и в горле тоже есть вкусовые сосочки. Их даже нашли в легких, но их функция в этой ткани неизвестна.

Плотность сосочков на языке напрямую коррелирует со способностями человека воспринимать вкус: у супердегустаторов – более тридцати штук на 100 мм², у дегустаторов – от пятнадцати до тридцати на 100 мм², а у недегустаторов – менее пятнадцати на 100 мм². Число сосочков в данном случае зависит не от генетики, а от основного процесса развития. Недавно было расшифровано, как именно сосочки появляются на языке, и сейчас идет проверка интересных гипотез о том, как во время развития определяются расположение и количество сосочков. В процессе этой работы выявился странный факт: зубы и сосочки имеют сходные гены.

Как же можно узнать количество вкусовых сосочков на определенной области языка? Все способы связаны с окрашиванием сосочков, и самый приятный из них – прополоскать рот красным вином. Если сделать это правильно, можно разглядеть на языке небольшие шишечки, это и есть сосочки. Затем возьмите лист из записной книжки со сменными блоками, оснащенной кольцевым механизмом: пробитые в бумаге отверстия имеют диаметр около 6 миллиметров. Оторвите кусочек с отверстием и положите на язык. Теперь просто подсчитайте количество сосочков, которые вы видите в пробитом отверстии. Если получилось меньше четырех, то вы, скорее всего, недегустатор. От четырех до восьми сосочков означает принадлежность к дегустаторам. Если же их больше восьми, то вы, вероятно, супердегустатор или даже суперсупердегустатор (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Сосочки языка и типы людей по принципу восприятия вкуса

Хотите верьте, хотите нет, восприятие вкуса очень похоже на восприятие боли. Фактически один из лучших способов описать, как работают болевые рецепторы, – это взглянуть на вкусы, вызывающие болевые ощущения, такие как очень острая и пряная еда.

Он плескался в пиве, он купался в шоколаде (кажется, молочном), он резвился в пюре из полутора тысяч печенюшек Oreo, но последняя его ванна – это просто нечто. Кемре Кандар, интернет-сенсация (что бы это ни было, что бы это ни значило), набрал более пятнадцати миллионов просмотров, демонстрируя свои трюки на YouTube. А его «подвиг» в 2016 году в первую же неделю побил все рекорды: два миллиона зрителей прильнули к мониторам, чтобы взглянуть на живое воплощение мема «Слабоумие и отвага». Кандар вылил в ванну тысячу двести пятьдесят бутылочек острого соуса, щедрой рукой добавил туда же перцы чили и с головой погрузился в эту адскую смесь. Не делайте так никто и никогда: даже смотреть на это мучительно больно.

Кемре Кандар – поистине странный человек, и это купание в остром соусе было, по его признанию, весьма и весьма болезненным. А почему? Это же просто жидкость, не так ли? Но острый соус и перец чили, хоть и состоят из большого количества воды и солей, еще содержат молекулу под названием капсаицин. Это химическое вещество, обнаруженное во многих видах перцев, реагирует с определенными клетками нашего организма, трансдуцируя их. Именно количество капсаицина в перце определяет, насколько острым будет соус. Существует и единица измерения остроты перца, она называется единицей шкалы Сковилла (ЕШС). Для определения жгучести используется спиртовая вытяжка из перца, раствор которой предлагают протестировать группе экспертов: концентрацию экстракта постепенно снижают, разбавляя тот подслащенной водой до тех пор, пока большинство членов группы не перестают чувствовать остроту. Концентрация, при которой жгучесть уже не ощущается, и называется уровнем жгучести. Продемонстрируем шкалу жгучести на примере перца халапеньо. Это же очень острый перец, правда? Каждый подтвердит. А знаете перец, который называется «Каролинский жнец»? Честно говоря, лучше с ним и не знакомиться. У обычного халапеньо рейтинг по шкале Сковилла составляет 2500 ЕШС, а у «Каролинского жнеца», самого острого из всех известных перцев, – 2 500 000 ЕШС. В тысячу раз больше! По видео трудно судить, но вроде бы Кемре Кандар наполнил ванну соусом табаско и украсил стручками красного перца чили. Соус табаско (он бывает разных видов) имеет рейтинг примерно 5000 ЕШС, перец чили – тоже около того. Если бы блогер взял что-то вроде соуса Blair’s 16 Million Reserve, ванна получилась бы очень дорогой (это элитный продукт) и жутко жгучей – содержимое бутылочки оценивается в 16 миллионов ЕШС. А ведь даже с относительно мягким табаско и красным чили концентрация капсаицина в ванне Кандара была приличной. Так что же происходило с телом отважного безумца при медленном погружении в адскую смесь?

Когда Кандар залез в ванну, молекулы капсаицина ринулись в атаку. Кожа имеет все виды клеток, уже упомянутые при рассмотрении тактильных ощущений, но в некоторых клетках есть транзиторный рецепторный белок (TRP), встроенный в мембрану (тот, что сильно пострадал от ванны острого соуса, называется TRPV1). Этот белок немного похож на белки хеморецепторов, которые обсуждались ранее, только он вплетается в мембрану, проходя через нее не семь раз, как другие хеморецепторы, а шесть. Однако главное отличие в том, что у TRP нет двух концов, расположенных внутри и снаружи клетки, как у обонятельного рецептора, и он для своего функционирования создает в мембране канал с шестью трансмембранными доменами.

Этот канал активируют высокая температура, низкий pH (кислая среда) и небольшие молекулы вроде капсаицина. Аллилизотиоционат – органическое вещество, входящее в состав острой горчицы и васаби, – также участвует в активации. Каждый из этих факторов раздражает кожу и открывает канал так, что образующееся отверстие может затем регулировать внеклеточную концентрацию Ca++ и Na+ (и их внутриклеточные эквиваленты). Не вдаваясь слишком глубоко в нейрохимию, можно сказать, что эта химическая регуляция влияет на регуляцию напряжения и лежит в основе потенциала действия, который затем посылает информацию в мозг через нервную систему. В случае с Кемре Кандаром капсаицин попал в каналы TRPV1 и широко открыл их, заставляя клетку перемещать ионы Ca++ туда-сюда, чтобы регулировать концентрацию этой молекулы. Это вызвало регуляцию напряжения в клетке, которая затем передалась через нервную систему Кандара в виде потенциала действия к мозгу, и реакцией мозга было чувство боли. Чем глубже блогер погружался в адскую смесь, тем больше его клеток открывали свои каналы TRPV1 и тем больше потенциала действия устремлялось к его мозгу, чтобы вызвать болевую реакцию. И да, он осознал, что весь горит, потому что каналы TRPV1 передали и это сообщение в мозг. В этой красной слизи невозможно разглядеть, как Кемре Кандар потел, но он наверняка делал это, и весьма обильно, потому как хорошо известно, что физиологической реакцией на перевозбуждение каналов TRPV1 капсаицином становится потоотделение. Чувство боли в данном конкретном случае было вызвано глупым пристрастием парня к экстриму, а ведь болевая реакция – это защита организма: встречаются прискорбные случаи, когда потеря ощущения боли приводит к пагубным последствиям.

В 2006 году ученых-медиков заинтересовал поразительный случай: при обследовании у шести детей из Пакистана обнаружили очень странные многочисленные травмы – зажившие и свежие. Не все дети были родственниками: трое были из одной семьи, двое – из другой, один – из третьей. При получении всех этих травм дети ни разу не пожаловались на боль. У некоторых не было кончиков языков – они откусили их в раннем детстве, даже не пикнув. Старшие дети научились притворяться, что им больно, если их травмы выглядели особенно ужасно. Почти у каждого была как минимум одна конечность со сросшимся переломом, о котором родители даже не подозревали. Эти удивительные дети просто не чувствовали боли. А ведь они ощущали прикосновения, реагировали на температуру и боялись щекотки. Ученые предположили, что все же корень проблемы зарыт в семье. А так как дети не воспринимали только боль, появилась гипотеза, что у них не функционирует рецептор определенного вида. По семейному анамнезу и образцам ДНК родственников Джеймс Кокс и его коллеги смогли сопоставить потерю болевого рецептора с определенной локацией на хромосоме 2. Затем они клонировали большую часть области генома, где было локализовано поражение, и исследовали ее на наличие генов, которые могут быть связаны с неврологической функцией в целом и болевым восприятием в частности. Они сосредоточились на гене под названием SCN9A, который кодирует натриевый канал в нервной системе, и правильно сделали. Когда Кокс и его коллеги изучили ген SCN9A у всех шести детей, они обнаружили не одну-единственную мутацию, ответственную за отсутствие боли, а целых три разных генетических изменения в трех разных семьях, продуцировавших усеченные гены. Эти гены были фактически нефункциональны и приводили к отсутствию функциональных натриевых каналов болевого рецептора у детей.

За десятилетие, прошедшее после этого исследования, была проделана большая работа по генетике болевых рецепторов у человека. Нарушение нормального восприятия боли и передачи ее в мозг оказалось чрезвычайно сложным явлением. При аномальном восприятии боли нарушаются многие функции клеток, включая пути, участвующие в регуляции серотонина, эстрогена, ГАМК, глутамина и катехоламина. Кроме того, в развитии участвуют факторы роста и другие важные белки. Создается впечатление, что существует много типов боли, которые опосредованы различными хеморецептивными и ионными канальными механизмами.

7. Где я?
Пределы слуха и равновесия человека

Что для одного – крик, для другого – писк; что для одного – музыка, для другого – невыносимый шум.

Генри Роллинз, музыкант

Любой, кто хоть раз испытывал тяжелое похмелье после бурно проведенной ночи, знает, каково это, когда все плывет, кружится и качается перед глазами. В мае 2006 года четверо техногиков в течение четырнадцати часов обсуждали этот феномен в чате, наперебой предлагая «лекарства» от этого недуга. Вот один гэг оттуда: «Единственное, что я могу вам посоветовать, – это забиться в угол комнаты и изо всех сил держаться за стены. Затем позвоните предкам и скажите им, что мир на самом деле вращается вокруг вас». Перебор с алкоголем – дело нешуточное, но на этом примере легко объяснить, как работает равновесие у человека. В главе 5 я описывал строение внутреннего уха. Часть этой структуры необходима для слуха, но полукружные каналы внутреннего уха предназначены для равновесия.

Полукружные каналы формируют своего рода трехмерную систему координат с осями X – Y – Z, известную как вестибулярный аппарат. Все три полукружных канала заканчиваются ампулами, и в этой области они сходятся вместе. Сами каналы заполнены жидкостью – эндолимфой. Внутри каждая из трех ампул заполнена желеобразной ячеистой структурой. Это купула, на которой расположены небольшие реснички, или волоски, отходящие от ее поверхности. Эти реснички снабжены нервами и соединены с мозгом. Если вы поворачиваете голову, жидкость смещается под действием инерции, вызванной поворотом головы. Каждая купула, как поплавок на удочке, движется в обратном направлении, чуть запаздывая, что вызывает изгиб ресничек в ампуле. Сгибание волосков вызывает потенциал действия в каналах, который передается в мозг, где информация интерпретируется, чтобы помочь нам удержать равновесие. Однако равновесие – это не только то, где в пространстве находится наша голова.

Вокруг нас постоянно какое-то движение, да и мы сами движемся. Даже то, как мы воспринимаем свое положение в пространстве, включает в себя хаотичное движение – броуновское движение жидкости в полукружных каналах. Если бы все это броуновское движение распознавалось вестибулярным аппаратом, с равновесием была бы полная неразбериха: мозг бы просто задымился от перегрузки, получая столько ложной информации. Меес Мюллер с коллегами разработал модель для изучения того, как полукружные каналы справляются с воздействием броуновского движения. Эта модель рассматривает несколько особенностей строения волосковых клеток купулы. Стоит отметить, что волоски этих клеток в десять раз длиннее, чем волоски в слуховой системе, в десять раз более упруги (кохлеарные волоски слуховой системы сгибаются намного легче) и в сто раз труднее смещаются, чем кохлеарные волоски. Благодаря волосковым клеткам купулы эта странная система с трехосным вестибулярным аппаратом позволяет справиться с броуновским движением и сохранить равновесие (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Строение внутреннего уха. Органы равновесия – слева, а слуховой аппарат – справа

Вся информация из полукружных каналов отправляется в мозг и объединяется с информацией из трех других источников – глаз, мышц и суставов[22]22
  Информация от мышц, связок, суставных сумок называется проприоцептивной чувствительностью и позволяет ощущать относительное положение частей тела и их движение. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Информация из всех трех органов чувств передается в ствол головного мозга, где интерпретируется, взаимодействуя с мозжечком и корой головного мозга. Эти две области мозга важны, потому что позволяют остальной части тела реагировать на первоначальное движение, из-за которого возникла потребность в равновесии. Мозжечок играет важную роль, поскольку координирует сложные движения тела, а кора головного мозга – потому что предоставляет информацию из памяти и усвоенного опыта для того, чтобы «устранить крен».

Фигуристы лучше всех держат равновесие. Их пируэты – сложнейший вызов вестибулярному аппарату, но спортсмены справляются с нагрузкой. Как только фигурист начинает вращаться в какую-то сторону, купула быстро смещается в противоположном направлении из-за инерционных свойств эндолимфы. Реснички купулы, или волоски, сгибаются, указывая мозгу, что голова движется в направлении вращения. Но по мере увеличения количества оборотов (примерно через десять секунд) жидкость в каналах полностью увлекается окружением, и чувствительность к этому вращению исчезает. Даже при таких экстремальных возмущениях купулы, как во время исполнения классических элементов – винта, бильмана, волчка, либелы или заклона, фигуристы грациозно выходят из вращения. В 2006 году Наталья Канунникова установила мировой рекорд по вращению стоя – 308 оборотов в минуту! – после чего заскользила по льду как ни в чем не бывало.

Как же фигуристы, такие как Канунникова, сохраняют равновесие и справляются с головокружением? Отчасти это врожденные способности, поэтому и великим спортсменом стать не так-то уж просто. Но конечно же, есть и уловки, помогающие преодолеть причуды вестибулярного аппарата. Одна из хитростей при вращении – постановка ног и, следовательно, расположение центральной оси, вдоль которой вращается фигурист. Если четко держать эту ось в стабильно вертикальном положении, зафиксировав на ней центр тяжести, тело будет сохранять равновесие. Конечно, для совершенствования техники требуются годы практики, но это того стоит. Есть еще один трюк – сверхбыстрое вращение надо выполнять в конце программы. Если фигурист ставит эффектную точку в выступлении, заканчивая вращение в стабильной (но драматичной) позе, восстановить равновесие ему сильно проще. Другой фокус состоит в том, чтобы выйти из вращения, войдя в широкую дугу, во время которой можно восстановить даже пошатнувшийся баланс. Дугу часто считают движением поэтичным и артистичным, а на самом деле это средство выживания, которое фигурист использует, чтобы оставаться в равновесии.

А вот за похмелье и «танцующие» стены ответственен этанол. Если ночь удалась и алкоголя было выпито больше, чем печень может детоксифицировать, этанол остается в кровотоке и путешествует по всему организму. Одно из мест, где он скапливается в довольно ощутимом для физиологии количестве, – внутреннее ухо, и особенно полукружные каналы. Купула полукружного канала не привыкла к этаноловым ваннам и после подобного купания искажает свою форму, из-за чего реснички остаются в постоянном контакте со сторонами ампул. Затем связанные с купулами нервные клетки посылают импульс в мозг, сигнализируя о неполадках с равновесием, и тот реагирует, пытаясь компенсировать ошибочную информацию. В частности, мозг запускает вращение зрительной системы – вот откуда «вертолетики» перед глазами. Пьяный человек может просто заснуть, не испытывая какого-то дискомфорта. Во время сна этанол испарится[23]23
  Большая часть этанола не испаряется, а активно метаболизируется организмом. – Прим. науч. ред.


[Закрыть] и купулы восстановят первоначальную форму. Но после пробуждения человек может обнаружить, что комната все еще вращается. Это вращение – результат «памяти» мозга: он воспроизводит ошибочную информацию прошлой ночи и снова заставляет зрительную систему вращаться, чтобы компенсировать это воспоминание.

Все супергерои и крутые парни обладают идеальным чувством баланса. Разве обычный человек может сравниться с ними? Неуклюжий чудак – персонаж многих забавных историй, из которых складывается наше представление о человеческих возможностях. Один из самых известных случаев супербаланса связан с индейцами-скайуокерами (см. вставку 7.1).

7.1 Скайуокеры?

Есть много историй о представителях различных этнических групп, демонстрирующих чудеса равновесия. Могавки – индейцы из Лиги ирокезов – долгое время считались крутыми специалистами по балансу и благодаря такой репутации легко находили себе работу на высоте, на строительных площадках небоскребов к примеру, за что и получили прозвище – скайуокеры[24]24
  Скайуокер (от англ. Skywalker) – «ходящий по небу». Персонаж «Звездных войн» Люк Скайуокер не был связан с индейцами, а унаследовал фамилию от бабушки Шми Скайуокер.


[Закрыть]. В Нью-Йорке действительно почти 10 % монтажников-высотников на небоскребах – выходцы из племени ирокезов. Но вся история о суперспособностях этих людей всего лишь миф. Могавки Канаваке (это маленькое индейское государство-резервация в Канаде), которые считались первыми скайуокерами, жили в конце 1880-х годов неподалеку от строящегося железнодорожного моста. Компания, занимающаяся строительством, наняла нескольких мужчин-могавков для работы на мосту, и там они показали себя с лучшей стороны, – казалось, что они совсем не боятся высоты. А потом выяснилось, что все совсем наоборот: они очень боялись, но никак не показывали свой страх. Это было бы ниже их достоинства, ведь полное презрение к опасности – часть их культуры. Для могавков карьера скайуокера была и остается сродни пути воина, поэтому эта традиция и укоренилась в устое племени. На самом же деле скайуокеры держат равновесие ничуть не лучше, чем другие люди.

По данным Национального института глухоты и других коммуникативных расстройств, входящего в состав Национальных институтов здоровья, многие медицинские аномалии коренятся в вестибулярном аппарате. Головокружение, к примеру, весьма неприятное состояние. Оно может быть вызвано несколькими анатомическими и физиологическими дисфункциями и носит несколько названий. Два наиболее распространенных расстройства, которые приводят к головокружению, – доброкачественное позиционное пароксизмальное головокружение (BPPV) и синдром Меньера. Многие проблемы вестибулярного аппарата связаны со слуховой системой, поскольку эти структуры расположены рядом. При BPPV отолиты, находящиеся в слуховом аппарате, выходят из мешочка внутреннего уха и попадают в полукружные каналы. Эти похожие на камешки мелкие частицы важны для равновесия, но в полукружных каналах они давят на купулу. Если купула не компенсирует это давление, то реснички остаются загнутыми, а нервные клетки внутреннего уха вынуждены посылать в мозг ложную информацию о положении головы. И конечно же мозг будет пытаться компенсировать ошибочные сведения, настраивая зрительную систему. Причина синдрома Меньера, или лабиринтного головокружения, до конца не выяснена, но известно, что она связана с изменением объема эндолимфы – жидкости, которой заполнены каналы.

Лабиринтит (внутренний отит) и вестибулярный нейронит могут быть вызваны вирусными инфекциями. Лабиринтит вызывает отек части внутреннего уха и приводит к потере равновесия, потому что воспаление меняет положение купул в ампулах. Вестибулярный нейронит – это воспаление вестибулярного нерва, препятствующее передаче в мозг корректной информации о положении тела, поступающей из купул. А расстройство, известное как перилимфатическая фистула, может быть последствием травмы головы, как и BPPV. Травма головы при перилимфатической фистуле заставляет жидкость из среднего уха просачиваться в полукружные каналы, что нарушает положение купул и приводит к потере равновесия и головокружению. Есть еще один известный синдром – mal de debarquement[25]25
  Дословно в переводе с французского означает «болезнь того, кто сошел на берег», синдром укачивания, проявляющийся после длительного морского круиза или авиаперелета.


[Закрыть], с которым знакомы все, кто был в морских круизах. Этот синдром укачивания обычно проявляется после продолжительного пребывания на корабле. По-видимому, вестибулярная система, компенсирующая качку во время плавания, продолжает это делать и после высадки на берег.

В рамках Национального исследования здоровья и питания (NHANES) чувство равновесия изучили в соответствии с этническими и возрастными группами. Осмотры населения начались в 1960-х годах и регулярно проводятся в США с 1999 года, благодаря чему выявились тенденции в таких вопросах здравоохранения, как анемия, сердечно-сосудистые заболевания, диабет, воздействие окружающей среды, болезни глаз, потеря слуха, инфекционные заболевания, болезни почек, питание и ожирение. С 2001 по 2004 год в рамках NHANES изучали вестибулярные дисфункции в надежде понять, чем обусловлена потеря равновесия у людей пожилого возраста и представителей некоторых этнических групп. Ведь чувство равновесия – важный аспект здоровья человека, и потеря его ведет к падениям и травмам, которые могут стать смертельными.

При осмотре NHANES использовался стандартизированный тест, так называемый тест Ромберга, позволяющий выявить нарушения в функциях вестибулярного аппарата при помощи определенных поз. У теста Ромберга есть подтвержденные недостатки, но все же он может многое сказать о чувстве равновесия индивида. Тест очень простой. Испытуемого просят встать прямо, а затем закрыть глаза. Если испытуемый падает, то результат теста положительный. В 1846 году, когда Фридрих Ромберг разработал этот тест, положительный результат был признаком поражения нервной системы. Но падения опасны для здоровья человека, и по прошествии времени тест немного изменили: первоначальный вариант модифицировался в тот, который теперь полиция предлагает подозреваемым, пытаясь определить их состояние опьянения.

Исследование NHANES показало, что нет никаких «избранных» этнических групп с чувством равновесия, развитым лучше, чем у других. Никак с этой точки зрения не отличаются и представители разных полов, курильщики и некурящие, люди с гипертонией и без нее. Как ни странно, люди со средним образованием набрали на 40 % больше баллов по тесту Ромберга, чем люди без дипломов. Кроме того, диабетики показали результаты на 70 % хуже, чем люди, незнакомые с этим заболеванием, поэтому им диагностировали вестибулярную дисфункцию. Можно предположить, что обладатели дипломов в среднем читают больше, да и диабет, как известно, вызывает проблемы с глазами. Так, вероятно, эти два коррелята – диплом и диабет – объясняются каким-то феноменом зрения? Только вот установление причинно-следственных связей – это совсем другая история.

Как показало исследование, вестибулярная дисфункция прогрессирует с возрастом, причем нелинейно. Люди от пятидесяти до пятидесяти девяти лет в два раза чаще молодых проваливают тест на равновесие, а вот те, кому за восемьдесят, – уже в двадцать пять раз. И тогда совсем неудивительно, что выявляется корреляция между провалом теста Ромберга и падениями. На деле у нас все не так плохо с чувством баланса, да к тому же этот навык можно натренировать. Но к сожалению, с возрастом мы теряем и хватку, и равновесие: вероятно, со временем наш вестибулярный аппарат просто изнашивается.

При старении организма неизбежно ухудшается и слух, но у всех это проявляется по-разному. Слуховое восприятие начинается с уха: звуковые волны вначале попадают во внешнее ухо, а затем проходят в среднее ухо и внутреннее. Строение среднего и внутреннего уха предназначено для распознавания определенных характеристик звуковых волн и передачи их в мозг, где те интерпретируются и воспринимаются как разные звуки.

Все волны имеют две основные физические характеристики: высоту, или амплитуду, и частоту. Понаблюдайте за волнами в океане или собственной ванне: чем сильнее воздействие Луны, тем выше прилив; чем сильнее вы толкаете воду, тем выше волна, то есть амплитуда. Затем приглядитесь: волна за волной накатывают на берег… С какой периодичностью? Эта характеристика зависит от частоты, с которой генерировалась волна. Чем ближе друг к другу гребни волн, тем выше частота. Если волны идут медленно – частота низкая. Те же принципы применимы и к звуковой волне, разве что вместо воды там вытесненный воздух.

Чтобы понять, как наши уши воспринимают звук, нужно рассмотреть три его характеристики: интенсивность, высоту и тон. Интенсивность связана с амплитудой, или высотой волны, а высота – с частотой волны. Вопрос тона немного сложнее. Большинство источников не издают чистых звуков, это означает, что от одного источника исходят волны разных частот. Тон как раз связан с чистотой источника: к примеру, если все три инструмента в музыкальной группе имеют одинаковую высоту или частоту, тон звука будет более чистым. Группа, издающая звуки с разной частотой, по звучанию будет сильно отличаться от группы с более равномерным тоном. Обратите внимание, я избегаю оценочных суждений и не утверждаю, что какой-то из двух тонов – чистый (три инструмента играют на одной частоте) или смешанный (три разные частоты) – приятнее, чем другой. Мозг каждого человека интерпретирует тона по-своему: один наслаждается какофонией звуков, другой такое на дух не переносит.

Диапазон слуха человека насчитывает четыре порядка герц (20 Гц – 20 000 Гц; см. вставку 1.3), но лучше всего мы слышим в диапазоне от 1000 до 4000 Гц (рис. 7.2). Звуки с этой частотой относительно высокие. В этом диапазоне поют на сцене и толкают речи с трибун, но другие звуки, которые мы обрабатываем, все же находятся за его пределами.

7.2 Высота звука и звукоряд

Высота звука измеряется в герцах, но музыканты для ее записи используют ноты. В диатонической музыкальной гамме семь нот: до, ре, ми, фа, соль, ля, си, а дальше снова до. Традиционное нотное обозначение соотносится с буквенной нотацией – от A до G. Каждый набор из восьми нот – до, ре, ми, фа, соль, ля, си, до (C, D, E, F, G, A, B, C) – составляет октаву. Самая высокая октава на пианино с восьмьюдесятью восьмью клавишами имеет номер 8, а самая низкая – 0. Всего на фортепиано представлено восемь[26]26
  Точнее, семь полных октав и четыре дополнительные клавиши; от ля субконтроктавы (A0) до ноты до 5-й октавы (C5). – Прим. науч. ред.


[Закрыть] октав. И это обусловлено тем, что там есть только одна нота октавы 8 и три ноты октавы 0. Существуют ноты, которые находятся за пределами диапазона, который можно сыграть на классическом фортепиано. Частота самой низкой используемой музыкальной ноты C-1[27]27
  Стандартом MIDI (цифровой интерфейс музыкальных инструментов) в качестве употребляемых в музыкальных произведениях нот определен другой интервал – с ноты до субсубконтроктавы (C-1, 8,1758 Гц) до ноты си 9-й октавы (G9, 12,544 Гц). – Прим. науч. ред.


[Закрыть] составляет всего 8,176 Гц, тогда как самая высокая нота C7 составляет 2093 Гц. Обратите внимание, что эта самая высокая нота значительно ниже той, что берет Мэрайя Кэри в песне Emotions. Есть интересный аспект нот и их частот, который вы, возможно, заметили или уже знаете. Если частота самой низкой ноты (С-1) равна 8,176 Гц, а самой высокой ноты (C7) – 2093 Гц, то шкала не может быть линейной (попробуйте разделить 2093 на 8,176, и вы не получите восемь октав). Это связано с тем, что, когда музыканты играют звуки, относящиеся к октавам от 0 до 1, они удваивают частоту (значение в герцах). Так, нота С-1 составляет 8,176 Гц, а С0–16,352 Гц и так далее. Это означает, что даже если музыканты используют эти восемь октав, то возможно существование и более высокой октавы, чем 8, и более низкой, чем 0 (обозначенные со знаком минус).

Рис. 7.2. Диапазон звуков в Гц, включая частоты, воспринимаемые человеком

Когда Мэрайя Кэри в свистковом регистре заканчивает песню Emotions, она берет ноту соль четвертой октавы (G7) на частоте 3135,96 Гц. Даются ей и низкие ноты в 82,41 Гц. Чтобы было лучше понятно, поясню: тот раздражающий звук тестового сигнала, который ежемесячно можно услышать, когда радиостанции запускают проверку системы аварийного оповещения, и который может разбудить даже мертвого, составляет ровно 1000 Гц. В нижней части нашего диапазона, на 20 Гц, мы слышим вибрирующие звуки, такие как гудение ветра, прорывающегося через приоткрытое окно ускоряющегося автомобиля. Наверху, на отметке 20 000 Гц, расположились странные, пронзительные звуки, напоминающие тонкий свист. Мэрайя Кэри хоть и впечатляет, но все же далека от таких рекордов, зато она – живое воплощение человеческих возможностей по высоте тона: диапазон ее голоса – целых пять октав!

В некоторых культурах певцы могут выходить за пределы привычного музыкального звукоряда. Вы слышали, к примеру, тувинское горловое пение? Это поразительно: их вокализация находится в самой низкой части шкалы диапазона человека, а он ведь не такой уж и маленький. Немного удивительных фактов. Самая низкая нота – это семь октав ниже нуля[28]28
  За условный ноль в научной нотации приняты ноты субконтроктавы – нижней слышимой человеком октавы. – Прим. науч. ред.


[Закрыть], B-7, какие-то ничтожные 0,189 Гц. А самая высокая… нет, это не Мэрайя Кэри с ее феноменальной нотой G7, это Джорджия Браун, бразильская певица, которая легко выдает G10, или 25 088 Гц, и это далеко за пределами нашего слухового восприятия. Диапазон Браун – восемь октав: от G7 к G10, или от 3135 до 25 088 Гц. Но и это не предел голосовых масштабов. Американец Тим Стормс способен взять ноты десяти октав от G-5 до G5 (0,7973–807,3 Гц). Стормс – человек, издавший самую низкую ноту, когда-либо записанную (G-5). Большинство людей даже не слышит подобных звуков, ведь те находятся на крайних пределах нормального диапазона слуха.

С возрастом слух, как и равновесие, ухудшается из-за «износа» механизма, воспринимающего звуки. Не обошлось в слуховом процессе и без крошечных волосков – ресничек. Когда человек стареет, некоторые реснички обламываются и становятся нефункциональными. С подобной проблемой столкнулся и я: после многих лет совместной жизни я перестал слышать свою жену так же хорошо, как во время наших первых встреч (это моя версия событий, и я ее придерживаюсь). И я предпочитаю думать, что во всем виноват ее слишком уж высокий голос, а не недостаток внимания с моей стороны.

Как наши уши воспринимают амплитуду волны? Высота волны может быть автоматически преобразована в ее мощность. Чем сильнее звук, тем легче его распознать. Таким образом, механические датчики у нас в ушах должны обнаруживать не только пики звуковых волн, но и мощность, которую те генерируют. И они делают это, измеряя, сколько механических частей внутреннего уха смещено. Эта величина как раз и передается в мозг, который интерпретирует ее как интенсивность.