귀의 구조와 음파 및 주파수, 그리고 청각겉질에 대해 알아보겠습니다. 청각계가 있기에 인간은 소리를 들을 수 있습니다. 인간의 청각계는 많은 종류의 정보를 탐지하고 해석하도록 적응이 잘 되어 있습니다.
귀와 소리 및 청각계
귀의 구조
귀의 구조는 굉장히 복잡한 구조를 이룹니다. 해부학자들은 귀를 바깥귀, 가운데귀, 속귀로 구분합니다. 바깥귀는 귓바퀴를 포함하는데, 이것은 머리 양쪽에 붙어있는 살과 연골로 이루어진 구조입니다. 귓바퀴는 음파의 반사를 변경시켜 음원의 장소를 찾을 수 있게 해줍니다. 또한 인간의 귓바퀴는 모양이 서로 다릅니다. 소리길을 통과한 음파는 가운데귀의 고막을 두드립니다. 고막은 음파와 동일한 주파수로 진동합니다. 고막은 안뜰창이라는 속귀의 막으로 진동을 전달하는 세 개의 작은 뼈와 붙어있습니다. 이들 뼈를 망치뼈, 모루뼈, 등자뼈라고 합니다. 고막은 안뜰창으로 연결되는 등자뼈보다 거의 20배 정도 더 큽니다.
고막의 진동은 크기가 훨씬 작은 등자뼈의 더 강력한 진동으로 전환됩니다. 결과로 나타나는 순효과는 음파가 더 큰 압력을 가진 파로 전환되어 작은 안뜰창으로 전달되는 것입니다. 이러한 전환이 매우 중요한 이유는, 양쪽이 모두 공기인 고막을 움직이는 것보다 안뜰창 뒤쪽의 점액성 체액을 움직이는데 더 큰 힘이 필요하기 때문입니다. 속귀에는 달팽이관이라는 달팽이 모양의 구조가 있습니다. 달팽이관의 횡단면을 살펴보면 안뜰계단, 중간계단, 고실계단이라는 체액으로 채워진 3개의 긴 터널이 있습니다. 등자뼈는 안뜰계단의 입구에서 안뜰창에 진동을 일으켜 달팽이관의 체액을 움직이게 합니다. 털 세포라는 청각 수용체는 달팽이관의 바닥막과 덮개 막 사이에 위치합니다. 달팽이관의 체액이 진동하면 털 세포에 변위가 일어납니다. 털 세포는 작은 변위에도 마이크로초 이내에 반응하여 털 세포막의 이온통로를 엽니다. 털 세포는 8번 뇌신경의 일부인 청각신경의 세포를 흥분시킵니다.
음파와 주파수
음파는 물, 공기 그리고 다른 매질의 주기적인 압축입니다. 음파는 진폭과 주파수에서 서로 다르게 나타납니다. 음파의 진폭은 음파의 강도입니다. 예를 들어 번개가 칠 때 아주 큰 진폭의 음파가 생성됩니다. 또한 소리의 주파수는 초당 압축 수이고, 측정 단위는 헤르츠입니다. 음높이는 주파수와 관련된 지각을 말합니다. 소리의 주파수가 높을수록 음높이도 높습니다. 대부분의 성인은 15Hz에서 20,000Hz에 이르는 공기의 진동을 들을 수 있습니다. 아동은 어른보다 고주파수의 소리를 훨씬 더 잘 듣는데, 이는 고주파수의 소리를 듣는 능력이 나이가 많아짐에 따라 점차 감소하기 때문입니다.
주파수의 구분에 대한 여러 이론에 대해 알아보겠습니다. 장소 이론에 따르면 각 주파수는 바닥막의 특정 장소에 있는 털 세포만을 활성화하고, 신경계는 어느 뉴런이 활성화되었는가를 근거로 주파수를 구별합니다. 주파수 이론에 따르면 바닥막이 소리와 동기화된 진동을 하고, 그에 따라 청각신경 축삭에서 그와 동일한 주파수의 활동전위가 일어난다고 합니다. 현재의 이론은 장소 이론과 주파수 이론의 수정판입니다. 저주파수의 소리에 대해서는 바닥막이 음파와 동기화되어 진동하고, 청각신경 축삭은 음파마다 하나의 활동전위를 발생시킵니다. 따라서 저주파수에서는 신경충동의 빈도로 음높이를 식별하고, 흥분하는 세포의 수로는 음의 강도를 식별합니다.
일차 청각겉질
일차 청각겉질(primary auditory cortex, A1 영역)이란 청각에서 들어오는 정보의 최종 목표가 되는 곳입니다. 중간뇌에서 축삭들이 교차하기 때문에 각 뇌 반구는 반대쪽에서 유입되는 많은 청각 입력을 받아들일 수 있습니다. 청각겉질의 구조는 시각겉질과 유사합니다. 시각겉질이 시각적 심상을 상상하는 동안 활성화되는 것과 마찬가지로 일차 청각겉질은 청각적 심상에 중요합니다. 일차 청각겉질은 실제 소리는 물론 상상의 소리에 대해서도 서로 반응합니다. 또한 시각계와 마찬가지로 청각계가 완전하게 발달하기 위해서는 경험이 필요합니다.
하지만 시각계와 청각계가 다른 면도 있습니다. 일차 청각겉질에 손상을 입은 사람들은 손상이 겉질 아래 뇌 영역으로 확장되지만 않으면 단순한 소리는 잘 들을 수 있습니다. 주요 결함은 음악이나 말을 듣는 것과 같이 소리의 조합과 순서를 인식하는 능력에서 나타나고, 겉 질은 모든 듣기가 아니라 고급 정보처리가 일어나는 듣기에 필요합니다. 또한 일차 청각겉질에는 각 세포가 선호하는 음조가 있습니다. 낮은 음조에 반응하는 겉 질의 영역에서부터 점점 더 높은 음조에 반응하는 영역에 이르는 기울기가 존재합니다. 청각에는 일종의 소리 지도가 있는데 이를 음조 위상도라고 부릅니다. 깨어있는 각성 상태의 동물에서 일차 청각겉질의 각 세포는 선호하는 소리에는 반응하고 다른 소리에는 거의 반응하지 않습니다. 반응 속성은 세포에 따라 다릅니다. 단일 음조에만 민감하게 반응하는 세포가 있는가 하면 이웃하는 음조에도 반응하는 세포도 있습니다. 또 순간적으로 반응하는 세포도 있고 보다 지속해서 반응하는 세포도 있습니다. 일차 청각겉질을 둘러싸고 있는 것이 추가적인 청각겉질입니다. 시각계에 단순한 선에 반응하는 세포에서부터 면을 비롯한 다른 복잡한 자극에 반응하는 세포까지 있듯이 청각계도 마찬가지입니다. 일차 청각겉질 바깥의 세포들은 우리가 청각적 대상이라고 하는 동물의 울음, 기계의 소음, 음악, 그리고 식별할 수 있는 소리에 가장 잘 반응합니다.