Почему инфразвук вызывает дискомфорт: ученые нашли электрический механизм восприятия низких частот, результаты исследования

В норме за слух у человека отвечает улитка — крошечный спиралевидный орган во внутреннем ухе. Звуковые волны заставляют двигаться жидкость внутри улитки, эти колебания изгибают чувствительные волосковые клетки. Внутренние волосковые клетки играют роль «микрофонов»: реагируют на движения жидкости и передают сигнал в мозг. Наружные волосковые клетки работают как механические усилители — чувствуют смещение жидкости (насколько далеко она сдвинулась) и сами сокращаются или удлиняются, настраивая чувствительность уха и усиливая тихие звуки.

Авторы нового исследования Карлос Хурадо (Норвежский университет науки и технологий) и Торстен Марквардт (University College London) обратили внимание на два необычных нюанса, связанных с восприятием человеком инфразвука.

Во‑первых, по мере снижения частоты звука чувствительность уха закономерно падает, но ниже примерно 16 Гц этот спад внезапно замедляется: слух перестает резко ослабевать. Во‑вторых, субъективная громкость инфразвука растет необычно быстро: небольшое добавление децибел делает воспринимаемый тон гораздо громче. Это навело ученых на мысль о том, что на сверхнизких частотах включается иной, нестандартный механизм восприятия звука — вероятно, не механический, а электрический.

В первом эксперименте ученые пригласили 11 здоровых взрослых с нормальным слухом (25−50 лет) и измерили их пороги слышимости на частотах 5, 15 и 30 Гц. Одновременно при помощи чувствительного микрофона в слуховом проходе регистрировали сверхтихие звуковые «эхо», которые сами наружные волосковые клетки излучают в ответ на стимуляцию. Это позволило оценить, как именно изгибаются структуры внутри улитки.

Оказалось, что ниже 15 Гц пороги слышимости точно совпадают с величиной смещения, на которое реагируют наружные волосковые клетки, а не со скоростью движения жидкости, важной для внутренних. На таких частотах жидкость просто движется слишком медленно, чтобы механически активировать внутренние клетки. Значит, именно наружные клетки «ловят» инфразвук — но как тогда сигнал попадает в мозг?

Во втором эксперименте с участием семи человек (23−50 лет) проверили гипотезу об электрическом механизме восприятия инфразвука. Участникам включали запись очень низких звуков (4−64 Гц) и определяли минимальный уровень громкости, при котором они еще слышны. Затем к ним добавляли непрерывный 500‑герцевый тон громкостью 85 дБ (такой звук можно сравнить с шумом оживленной улицы или блендера).

На фоне этого более громкого тона участники переставали слышать самые низкие частоты между 4 и 16 Гц — чтобы уловить их, требовалась существенно большая громкость. При этом слышимость тонов 32 и 64 Гц почти не менялась. Важно, что механическая волна 500 Гц не доходит до апекса улитки, где обрабатывается инфразвук, и не может «заблокировать» его физически. Видимо, она воздействует иначе — «разряжает» электрическое напряжение, которое обычно создают наружные волосковые клетки.

Для сравнения ученые включали также 140‑герцевый тон той же громкости. Его волна проникает глубже в улитку — и действительно механически «маскировала» все низкие частоты от 4 до 64 Гц. Сопоставление этих двух маскирующих тонов показало принципиальную разницу: в одном случае инфразвук гасится чисто механически, в другом — через электрическое истощение.

Из этого ученые сделали вывод: при инфразвуке наружные волосковые клетки создают достаточно сильное электрическое поле, которое напрямую возбуждает внутренние волосковые клетки, даже если механическое движение жидкости слишком слабое, чтобы вызвать их механические колебания. Чтобы проверить эту идею, они построили детальную компьютерную модель электрических свойств улитки, запрограммировали поведение волосковых клеток и распределение напряжения во внутренних жидкостях и провели через эту модель низкочастотные стимулы. Виртуальная система сгенерировала изменения напряжения вокруг внутренних волосковых клеток, достаточные для запуска нервного импульса, а пороги слышимости совпали с данными живых людей.

Практический вывод прост: инфразвук вовсе не «неслышимый шум», который никак не воспринимается организмом. Наше тело активно обрабатывает его при помощи мощного специализированного электрического механизма, из‑за чего субъективная громкость таких звуков может расти очень быстро. Это объясняет, почему гул ветроустановок, крупных вентиляторов или тяжелой техники у некоторых людей вызывает не просто раздражение, а почти физический дискомфорт, хотя звуки такой частоты попросту невозможно услышать.

Авторы подчеркивают, что их выводы пока основаны на относительно небольших группах (11 и 7 человек) и сложном моделировании: напрямую измерить электрические поля внутри улитки уха сейчас технически невозможно без нанесения необратимого вреда этому органу. В дальнейших работах ученые планируют выяснить, насколько сильно этот электрический механизм различается между людьми: возможно, именно индивидуальные особенности строения внутреннего уха могут объяснить, почему одни особенно чувствительны к низкочастотным шумам, а другие почти их не замечают. Понимание этого важно для проектирования «тихих» городов, жилых районов и промышленных объектов, где нужно учитывать не только слышимые звуки, но и скрытый, но ощутимый инфразвук.

Ранее ученые обнаружили, что слоны «слышат» ногами.