Za kaj imamo le sesalci tri ušesne koščice?

Zakaj imamo v vsem živalskem svetu edino sesalci v srednjem ušesu tri drobne koščice, se že dolgo sprašujejo tako paleontologi kot strokovnjaki za sluh. Na ameriški univerzi Stanford so ta mesec postregli s študijo o nekaterih podrobnostih prenosa zvoka po kosteh, ki utegne izboljšati razumevanje tako delovanja sluha kot tudi nekaterih vrst izgube slušnih sposobnosti.

Inženir strojništva, profesor Sunil Puria, diplomant Peter Gottlieb in podoktorski raziskovalec Nam Keun Kim so z laserskim (Dopplerjevim) vibrometrom izvedli vrsto meritev vibracij v človeškem ušesu – najprej v pravem, nato pa še na tridimenzionalnem računalniškem modelu srednjega in notranjega ušesa. In tudi ta trojica si je za eno od izhodišč postavila vprašanje, zakaj imamo sesalci v srednjem ušesu tri koščice.

»Plazilci jih nimajo,« šaljivo našteva dr. Puria. »Tudi ptiči jih nimajo. Skratka, po najdbi fosilnega ostanka živali je najzanesljivejši način, da ugotovimo, ali smo našli ostanke sesalca, prav ta, da pogledamo za temi koščicami. Mene pa zanima predvsem, zakaj jih sesalci imamo. Za kaj natanko jih potrebujemo.«

Profesor Puria, ki se je osredotočil na proučevanje biomehaničnega delovanja srednjega in notranjega ušesa, se je resno lotil iskanja odgovora na to vprašanje. Skrivnostim sluha je posvetil skoraj vse poklicno življenje; in tudi ena njegovih zadnjih raziskav je bila namenjena popolnejšemu razumevanju vloge kosti pri prenosu zvoka.

»Zvok slišimo po dveh poteh,« pojasni. »Prva je prenos po zraku – zvok po zraku pripotuje do našega ušesnega kanala in zavibrira bobnič. Te vibracije se prenesejo na senzorični organ, imenovan polž, a ne direktno, temveč prek treh drobnih koščic: kladivca, nakovalca in stremenca.«

Drugi način delovanja našega sluha je torej prenos zvoka po kosteh. »Tako navsezadnje slišimo svoj lastni glas,« pove dr. Puria. »Ko govorimo, vibriranje naših glasilk vzbudi ustrezno vibriranje kosti v naši lobanji in tako stimulira polža. S tem drugim načinom tudi znatno ojačimo zvok, ki do nas pripotuje po zraku.«

Po zraku in po kosteh

Marsikdo se je že pošteno začudil, ko je prvikrat slišal posnetek lastnega glasu. Zdel se mu je čudno spremenjen, malone »popačen«, a le zato, ker pri tovrstnem poslušanju ni udeležen prenos zvoka po kosteh.

Nasprotni učinek sluha profesor Puria demonstrira s slušalkami, ki imajo namesto običajnih ušesnih čepkov dva kovinska kontakta. »Če si ju prislonimo na mastoidno kost spodaj za ušesi, glasbo slišimo samo s prenosom zvoka po kosteh. Takrat nam zveni precej drugače, kakor če jo poslušamo ‘po zraku’: nizki toni so udušeni, visoki pa bogatejši, bolj resonančni.«

Tudi kadar zvok potuje po glavni slušni poti, torej po zraku, prenos zvoka po kosteh očitno igra vse prej kot zanemarljivo sekundarno vlogo. S tehnološkega stališča je prav ta celo najzanimivejša. Na tej podlagi so navsezadnje zasnovani sodobni slušni pripomočki, čedalje pomembnejšo vlogo pa dobiva tudi pri novih elektronskih napravah. Googlova večpredstavnostna očala Glass, denimo, izkoriščajo prav prenos zvoka po kosteh, zato ušesni čepki niso potrebni.

Pri pojasnjevanju prenosa zvoka po kosteh profesor Puria poudari predvsem vlogo stremenca – najmanjše koščice v človeškem telesu. »Stremence povezuje s polžem obročasti ligament, nekakšno miniaturno tesnilo. In za delovanje stremenca je ključno, da ta ligament čim dlje ostane mehak in prožen.«

Reševanje uganke

Bolezen otoskleroza zato omogoča boljši vpogled v mehanizem prenosa zvoka po kosteh, zlasti kar zadeva vlogo stremenca. Pri otosklerozi namreč omenjeni obročasti ligament okosteni, zato ovira gibanje stremenca in tako omejuje prenos zvoka do polža.

Pionir avdiološke znanosti Raymond Carhart je že leta 1950 dognal, da ljudje z otosklerozo izgubijo kar 10 do 20 decibelov sluha, a le v frekvenčnem območju enega do dveh kilohercev; ne pri nižjih ne pri višjih frekvencah te izgube ni. To ozko »izgubljeno območje« je od tedaj poimenovano »Carhartova zareza« in velja za poglavitni pokazatelj napredujoče otoskleroze.

Dosedanje raziskave so na splošno potrdile, da je Carhartova zareza posledica onemogočenega prostega premikanja treh koščic srednjega ušesa zaradi okostenelega obročastega ligamenta, ki stremence povezuje s polžem. Kladivce, nakovalce in stremence se ne morejo neovirano premikati, zato ne morejo učinkovito prenašati vibracij na polža.

»Tu pa nastopi uganka,« poudari profesor Puria. »Zvočne vibracije, zlasti nizkofrekvenčne, stimulirajo vsako kost lobanje enako. Edino tri koščice srednjega ušesa – kladivce, stremence in nakovalce – ki tako rekoč prosto visijo v lobanji, podprte le z bobničem, nekaj tetivami in ligamenti, zavirajo njihovo potovanje po preostalih kosteh lobanje. Tudi same sicer še vedno vibrirajo in stimulirajo polža, toda slušni občutek je precej bolj podoben normalni zaznavi zvoka, ki do nas pripotuje po zraku, ne po kosteh. Torej bi morali tudi v tem primeru zaznati izgubo nizkofrekvenčnih zvokov, vendar je ne. A zakaj ne?«

Sodobna znanost

Za odgovor na to vprašanje so profesor Puria in oba sodelavca uporabili tridimenzionalni računalniški model človeškega notranjega in srednjega ušesa in na njem preizkusili različne situacije.

Najprej so ga izpostavili samo inercijskemu gibanju, nato pa mu dodali še kompresijsko komponento – stiskanje ušesnih koščic – do česar lahko privede takšno gibanje.

»Pri zgolj inercijski stimulaciji se je Carhartova zareza res pojavila v območju enega do dveh kilohercev. Toda hkrati je prišlo do izgube sluha nizkih frekvenc,« pojasnjuje dr. Puria, »to pa je bilo v nasprotju z vsemi kliničnimi preiskavami, ki takšne izgube sluha niso zaznale.«

»Ko smo računalniški simulaciji dodali še kompresijsko, se je sluh po kosteh prenašanega zvoka nizkih frekvenc bistveno izboljšal in potrdil ugotovitve kliničnih preiskav. Skratka, raziskovalci doslej kompresiji niso pripisovali pomembnejše vloge pri prenosu nizkofrekvenčnega zvoka po kosteh. Mi pa smo ugotovili, da je prav kompresija pri tem zelo pomembna.«

In kako pomembno je to dognanje? Googlova večpredstavnostna očala, kot rečeno, že s pridom izkoriščajo prenos zvoka po kosteh, zato bo dokončna pojasnitev tega fenomena zagotovo vzbudila precejšnjo pozornost med biomehaniki. Toda profesorja Purio bolj kakor goli znanstveni vidik zanima širši, družbeni pomen dognanja njegove skupine, torej potencialna korist za vse, ki imajo težave s sluhom.

Skrivnostne koščice

A vrnimo se k začetnemu vprašanju: Zakaj imamo sesalci tri slušne koščice?

»Posredni odgovor nam lahko ponudi bolezen, imenovana dehiscenca polkrožnih kanalov,« pove profesor Puria. »Pri njej se stanjša eden od treh polkrožnih ušesnih kanalov, zato se znatno ojača zvok, ki se prenaša po kosteh. Človek s takšno okvaro včasih sliši bitje lastnega srca ali celo premikanje zrkel v očesnih jamicah. To pa utegne biti zelo nevarno, za vse sesalce. Pri tako ojačanem prenosu zvoka po kosteh namreč preslišimo številne druge zvoke iz okolja, in lahko se nam zgodi, da pravočasno ne opazimo bodisi plena bodisi plenilca. Zato lahko ostanemo brez kosila – ali pa smo sami komu drugemu za kosilo.«

Skratka: tri drobne ušesne koščice pri sesalcih morda služijo tudi temu, da blažijo prenos zvoka po kosteh glave. »Ta domneva je vsekakor zanimiva. Zagotovo jo bomo še zelo podrobno proučili in jo poskusili dokazati,« je odločen profesor Puria.