วิทย์ประถม: หูและการได้ยิน

ผมไปทำกิจกรรมวิทยาศาสตร์ที่ศูนการเรียนปฐมธรรม เด็กๆได้รู้จักส่วนประกอบและการทำงานของหู  ได้เห็นการบันทึกคลื่นเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้าและข้อมูลในคอมพิวเตอร์ผ่านโปรแกรม Audacity และได้ทดลองฟังเสียงต่ำสุดและเสียงสูงสุดที่ยังพอจะได้ยินดูครับ (hearing range) แล้วเราเปรียบเทียบ hearing range กับสัตว์ต่างๆ และเด็กๆได้คิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากลแก้วใหญ่แก้วเล็กด้วยครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เป็นเทนมจากแก้วเล็กไปแก้วใหญ่แต่เต็มทั้งสองแก้ว:

กิจกรรมหัดอธิบายมายากลนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

ผมเอาภาพตัดขวาง (cross section) ของหูมาให้เด็กดู:

แล้วทบทวนการทำงานเหมือนสัปดาห์ที่แล้ว และเพิ่มบางรายละเอียดจากคลิปนี้:

ผมลิสต์หัวข้อสำคัญจากคลิปไว้ดังนี้นะครับ (ไม่ได้พูดทั้งหมดกับเด็กประถม แต่บันทึกไว้ใช้อ้างอิงในภายหลัง):

• การได้ยินของเราเริ่มต้นจากความสามารถของหูในการจับสัญญาณการเปลี่ยนแปลงความดันอากาศเพียงไม่กี่พันล้านส่วนของระดับบรรยากาศ และส่งสัญญาณนี้ไปยังสมองเพื่อสร้างประสบการณ์การได้ยินที่หลากหลาย.
• เซลล์รับความรู้สึกของหูเรียกว่า “เซลล์ขน” (hair cells) ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของการได้ยิน.
• ชื่อ “เซลล์ขน” มาจากลักษณะที่นักจุลทรรศน์ในยุคแรกสังเกตเห็นว่ามีกระจุกเส้นขนเล็กๆ ยื่นออกมาจากปลายด้านหนึ่งของเซลล์.
• ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสมัยใหม่ ทำให้เห็นลักษณะพิเศษที่เรียกว่า “มัดขน” (hair bundle) ซึ่งประกอบด้วยแท่งทรงกระบอกละเอียดตั้งแต่ 20 ถึงหลายร้อยแท่ง ตั้งตรงอยู่บนสุดของเซลล์.
• มัดขนนี้ทำหน้าที่เป็นเสาอากาศและเป็นกลไกในการ เปลี่ยนการสั่นสะเทือนของเสียงให้เป็นปฏิกิริยาไฟฟ้า ที่สมองสามารถตีความได้.
• ที่ส่วนบนของมัดขนแต่ละเส้น มีเส้นใยละเอียดที่เรียกว่า “สเตอริโอซิเลีย” (stereocilia) เชื่อมต่อกัน และที่ฐานของเส้นใยนี้มี ช่องไอออน (ion channels) ซึ่งเป็นโปรตีนที่ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์.
• เมื่อพลังงานเสียงกระทบ มัดขนจะถูกดันไปในทิศทางหนึ่ง ทำให้เส้นใยตึงและช่องไอออนเปิดออก ไอออนจะพุ่งเข้าสู่เซลล์. การเคลื่อนที่กลับไปกลับมาของมัดขนจะสลับกันเปิดและปิดช่องสัญญาณ ทำให้ไอออนจำนวนมหาศาลไหลเข้าสู่เซลล์.
• ไอออนที่ไหลเข้ามานี้ก่อให้เกิด กระแสไฟฟ้าที่กระตุ้นเซลล์ และสัญญาณจะถูกส่งไปยังเส้นใยประสาทและเข้าสู่สมอง.
• ความดังของเสียงถูกแสดงด้วยขนาดของการตอบสนองนี้ โดยเสียงที่ดังขึ้นจะดันมัดขนให้เคลื่อนที่ได้ไกลขึ้น เปิดช่องสัญญาณได้นานขึ้น ปล่อยไอออนเข้าสู่เซลล์ได้มากขึ้น และทำให้เกิดการตอบสนองที่ใหญ่ขึ้น.
• เซลล์ขนมีข้อได้เปรียบด้านความเร็วอย่างมาก เร็วกว่าประสาทสัมผัสอื่นๆ ถึง 1,000 เท่า ทำให้เราได้ยินเสียงที่ความถี่สูงถึง 20,000 รอบต่อวินาที.
• การได้ยินของเรายังได้รับประโยชน์จาก “กระบวนการแอคทีฟ” (active process) ซึ่งเป็นตัวขยายเสียง ทำให้เราได้ยินเสียงที่แผ่วเบามากเพียงแค่สามในสิบของนาโนเมตร (เท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของโมเลกุลน้ำหนึ่งโมเลกุล).
• กระบวนการแอคทีฟยังช่วยเพิ่ม ความสามารถในการแยกความถี่เสียง ของหู ทำให้เราสามารถแยกแยะโทนเสียงที่แตกต่างกันได้ละเอียดมาก และยังช่วยกำหนด ช่วงความเข้มเสียงที่กว้างมาก ที่หูของเราสามารถทนได้.
• เมื่อการขยายเสียงของกระบวนการแอคทีฟล้มเหลว ความไวในการได้ยินจะลดลงอย่างมาก และบุคคลนั้นอาจต้องใช้อุปกรณ์ช่วยฟังอิเล็กทรอนิกส์.
• คอเคลีย (cochlea) ซึ่งเป็นอวัยวะที่มีรูปร่างคล้ายหอยทาก ทำหน้าที่เหมือนปริซึมอะคูสติก ที่แยกเสียงที่ซับซ้อนออกเป็นความถี่องค์ประกอบต่างๆ โดยแต่ละความถี่จะถูกแสดงในตำแหน่งที่แตกต่างกันไปตามพื้นผิวของคอเคลีย.
• มัดขนไม่ได้เป็นเพียงวัตถุที่เฉื่อยชา แต่เป็นกลไกที่ทำงานอยู่ตลอดเวลา ใช้พลังงานภายในเพื่อทำงานเชิงกลและเพิ่มประสิทธิภาพการได้ยินของเรา.
• แม้จะอยู่เฉยๆ มัดขนที่ทำงานอยู่จะสั่นสะเทือนตลอดเวลา และเมื่อมีเสียงเบาๆ มากระทบ มันจะยึดติดกับเสียงนั้นและ ขยายสัญญาณให้ใหญ่ขึ้นประมาณหนึ่งพันเท่า.
• หูของเราสามารถปล่อยเสียงออกมาได้เอง ซึ่งเรียกว่าการปล่อยเสียงจากหู (otoacoustic emissions) โดย 70 เปอร์เซ็นต์ของคนปกติจะมีเสียงหนึ่งหรือมากกว่าออกมาจากหูในสภาพแวดล้อมที่เงียบสงบ.
• หูยังสามารถ ควบคุมความไวและการขยายเสียงของตัวเองได้ โดยจะปรับลดการขยายเสียงในสภาพแวดล้อมที่ดัง และเพิ่มการขยายเสียงในห้องที่เงียบมาก.
• ประเด็นสำคัญในอนาคตของการวิจัยเกี่ยวกับเซลล์ขน ได้แก่ การระบุ มอเตอร์โมเลกุลที่รับผิดชอบการขยายเสียง, การทำความเข้าใจว่า การขยายเสียงของเซลล์ขนถูกปรับอย่างไร ให้เข้ากับสถานการณ์อะคูสติก และการหาวิธี ฟื้นฟูการได้ยิน สำหรับผู้ที่มีปัญหาการได้ยิน.
• นักวิจัยเชื่อว่าหากสามารถถอดรหัสสัญญาณโมเลกุลที่สัตว์ที่ไม่ใช่สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมใช้ในการ สร้างเซลล์ขนใหม่ ได้ (เนื่องจากเซลล์ขนของมนุษย์ที่ตายไปแล้วจะไม่ถูกทดแทน) จะสามารถนำมาใช้ฟื้นฟูการได้ยินในมนุษย์ได้เช่นกัน.

ต่อจากนั้นผมให้เด็กๆเห็นการบันทึกคลื่นเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้าและเก็บเป็นข้อมูลในคอมพิวเตอร์ โดยใช้โปรแกรม  Audacity อัดเสียง เราจะเห็นกราฟความดันอากาศที่ไม่โครโฟนวัดที่เวลาต่างๆ ถ้าเราซูมเข้าไปจะเห็นเป็นคลื่น ภาพเหล่านี้จะเกิดจากการซูมดูรายละเอียดมากขึ้นเรื่อยๆ (สังเกตได้จากเวลาเป็นวินาทีในแนวนอน):

เราสามารถดูว่าเสียงที่เราอัดมามีความถี่ต่างๆผสมกันอย่างไรโดยการวาดกราฟสเปกตรัมของมัน (ใน Audacity สามารถใช้เมนู Analyze/Plot Spectrums…) แกนนอนสเปกตรัมคือความถี่ต่างๆ ความสูงของกราฟจะบอกว่ามีพลังงานอยู่ในความถี่ต่างๆเหล่านั้นเท่าไร:

จากนั้นเด็กๆก็ทดลองฟังเสียงความถี่สูงต่ำต่างๆ พยายามดูว่าแต่ละคนฟังเสียงสูงได้มากสุดกี่เฮิร์ตซ์ ฟังเสียงต่ำสุดได้กี่เฮิร์ตซ์ (เฮิร์ตซ์คือหน่วยความถี่ นับว่าคลื่นสั่นกี่ครั้งต่อวินาที เช่นคลื่นเสียง 100 เฮิร์ตซ์ก็คือเกิดจากการสั่นสะเทือน 100 ครั้งต่อวินาที) โดยเราใช้เพจนี้สร้างเสียงความถี่ต่างแล้วฟังด้วยหูฟัง: https://witpoko.com/p/tone-generator.html เพจนี้หน้าตาแบบนี้:

พวกเราฟังเสียงกันได้ตั้งแต่ไม่กี่สิบเฮิร์ตซ์ไปจนถึงหมื่นกว่าเฮิร์ตซ์ครับ

ผมให้เด็กๆดูเสียงที่สัตว์อื่นๆได้ยินด้วย พบว่าสัตว์แต่ละชนิดได้ยินเสียงที่ชนิดอื่นๆไม่ได้ยินได้ด้วย เช่นสุนัขและแมวได้ยินเสียงสูงกว่าที่เราสามารถได้ยินมาก: