[신경과학] 10.1 : 청각(hearing)의 인식 - 1

 

 

이번 포스트부터는 청각의 인식 과정에 대해 알아보도록 하자.

 

 

귀에 있는 sensory system은 크게 hearing을 sensing하는 audition system과 balance를 sensing하는 vestibular system(전정계)으로 나눌 수 있음.

 

 

 

 

audible variation은 air pressure의 condensation rarefaction 등에 의해 결정됨. 이 때 실제로는 소리가 위 그림 왼쪽에서와 같이 밀한 부분과 소한 부분의 교차에 의한 진동의 형태로 전달되며, 이 때의 밀, 소 air density 변화를 sine wave 형태로 생각할 수도 있음.

 

한편 sound frequency는 1초동안 몇 번의 파동이 진동했는지를 나타내는 지표로 단위는 Hz임. 이 때 고음은 frequency 값이 크고 저음은 frequency 값이 작음. (high pitch=high frequency, low pitch=low frequency)

 

 

 

흔히 사람이 들을 수 있는 소리의 frequency 영역을 20-20,000Hz로 보는데, 물론 이는 사람에 따라서 variation이 있음.

 

 

 

위 그림 a와 같이 실제로 높은 음이 더 frequency가 높음. 참고로 음계상에서 낮은 도와 높은 도 사이에는 정확히 두 배의 주파수 차이가 있음.

 

 

그 밖에 위 그림 b와 같이 wave 자체의 amplitude도 달라질 수 있음. 이 때 amplitude가 클수록 더 큰 소리임. 이 때 소리가 큰 정도를 흔히 데시벨 dB로 표현하는데, 이 dB는 10log(P/P0)임.

 

 

다음으로 auditory system의 구조에 대해 알아보자.

 

 

 

auditory system은 크게 outer ear, middle ear, inner ear로 구성되어 있음.

 

 

 

outer ear는 pinna(귓바퀴)와 auditory canal(귓구멍)로 구성되어 있으며 소리를 받아들이는 통로 역할을 함. middle ear는 tympanic membrane(고막)과 ossicle(이소고리)로 이루어져 있음. 이 때 우선 tympanic membrane으로 전달된 소리의 진동은 Malleus, Incus, Stapes의 3개의 뼈로 구성된 ossicle로 전달되게 됨. 그리고 이 ossicle로부터 inner ear에 있는 cochlea(와우관)으로 진동을 고스란히 전달해주는 녀석이 바로 oval window임. 이후 cochlea에서 processing된 정보는 auditory-vestibular nerve를 타고 뇌로 전달되게 됨. 참고로 이 때 cochlea 내부에는 Cochlear fluid라 불리는 림프액이 차있음.

 

 

 

 

위 그림에는 auditory system의 해부학적 구조가 다시금 나타나 있으므로 참고할 것. 이 때 앞서 그림에서는 잘 표시되어있지 않던 Eustachian tube(유스타키오관)이 나타나 있는데, 이 기관은 압력 조절과 관련되어 있음.

 

 

 

이제 본격적으로 middle ear의 역할에 대해 알아보자. 이곳에서는 일단 tympanic membrane으로부터 온 진동이 ossicle로 전달되는데, 이 때 ossicle의 3개 뼈를 거치면서 sound force가 amplify되게 됨. 이 amplification은 소리 인식에 있어 필수적이라 할 수 있는데, 앞서 말했듯 cochlea는 내부가 물로 차있으므로 진동의 전달속도는 빠를지 몰라도 진동 자체가 반감되어 전달될 것이므로 이를 이겨내고 적당한 세기의 신호를 전달하기 위해서는 ossicle을 통한 amplification이 필수적임.

 

 

 

 

한편 위 그림과 같이 tympanic membrane, ossicle과 접해있는 대표적인 두 개의 근육인 tensor tympani muscle, stapedius muscle이 있음. 이들 두 근육은 attenuation reflex를 가능케 해줌. 즉, 너무나 큰 sound가 output으로 올 시 이들 근육의 contraction에 의해서 귀가 손상되지 않게 해줌. (loud sound에 대한 adaptation을 가능케 해줌) 그리고 이 근육들에 의해서 주변에 시끄럽고 큰 noise가 있는 환경에서 그 noise에 대한 인식을 둔감하게 만들어서 결과적으로 시끄러운 장소에서도 사람들 간에 어느 정도의 대화가 가능한 것임.

 

 

 

이제 다음으로 ossicle로부터의 진동 신호가 oval window를 통해 inner ear의 cochlea로 전달되고 난 뒤에 일어나는 일들에 대해 알아보자.

 

 

 

 

일단 위 그림 아래쪽은 달팽이 모양으로 말려 있는 cochlea를 쭉 편 것에 해당함. 이 때 이들의 횡단면을 관찰하면 아래와 같음.

 

 

보면 크게 3개의 구멍이 있음. 이 중 scala tympani와 scala vestibuli에는 perirymph가 흐르며, 이 두 공간은 사실 서로 연결되어 있음. 한편 실제로 소리를 듣는데 중요한 공간은 stria vascularis라는 공간이며, 이곳에는 endolymph가 차 있음. 그리고 이 공간 내에 소리 sensing에 핵심적인 organ of corti가 있음.

 

 

참고로 endolymph의 electrical potential은 perilymph의 electrical potential에 비해 80mV정도 더 positive함. 이에 의해 endocochlear potential이 발생함.

 

 

실제로 oval window가 perilymph가 있는 공간의 membrane 부분을 밀어주게 되고 그 결과 round window membrane이 bulge하게 해줌. 한편 basilar membrane은 sound에 대한 response를 수행하게 됨.

 

 

 

참고로 Georg von Bekesy는 연구를 통해 endolymph 내에 있는 hair cell의 cochlea상의 위치에 따라서 받아들이는 소리의 frequency가 다르다는 것을 발견하기도 함.

 

 

 

 

 

이 그림을 다시 살펴보자. 보면 실제로 oval window에 의해 바로 전달된 cochlea의 앞부분 basilar membrane 부근에서는 높은 frequency의 소리가 많이 인지되고 뒤쪽 부분에서는 낮은 frequency의 소리가 많이 인지됨. 결과적으로 basilar membrane의 움직임 pattern이 소리의 종류에 따라 다름.

 

(참고로 이 때 들어온 소리는 결국 round window를 마지막으로 빠져나가게 됨)

 

 

 

 

basilar membrane 위치에 따른 인식되는 frequency를 나타내주고 있는 그림이 위와 같으므로 참고할 것. (이 때 화면 앞쪽에 해당하는 부분에 oval window가 접하고 있음)

 

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보도록 하자.