Com'è fatto l’orecchio e come funziona

La funzione dell’orecchio è talmente nota che non sembra nemmeno necessario precisarne il compito senza cadere in considerazioni banali: l’orecchio è l’organo di senso che ci permette di sentire. Alcune precisazioni sono però necessarie:

• con il termine orecchio non intendiamo solo la parte visibile (essa si chiama padiglione auricolare), bensì un complesso di elementi che permettono di trasformare una variazione della pressione dell’aria provocata da una sorgente vibrante (una persona che parla, uno strumento musicale, un petardo che esplode,..), in un impulso elettrico capace di generare, a livello cerebrale, la sensazione sonora;
• tecnicamente si dice che l’orecchio è un trasduttore, cioè un apparato in grado di trasformare l'energia da una forma ad un'altra: qui l'energia meccanica dell'onda sonora diventa, attraverso vari passaggi, segnale elettrico nervoso;
• meccanismi evolutivi hanno probabilmente contribuito ad aumentare l’efficienza di tale trasformazione e a determinare una struttura dell’orecchio, globalmente inteso, molto simile in tutti i mammiferi.

Passiamo ora alla descrizione dell’anatomia delle varie parti da cui è costituito l’orecchio e una breve descrizione della loro funzionalità.

L’orecchio esterno

L’orecchio esterno è costituito dal padiglione auricolare e dal condotto uditivo esterno, un sottile “tubo” che termina in una membrana detta timpano. Le funzioni del padiglione auricolare sono di

• raccogliere una porzione significativa delle onde acustiche (proporzionale all’area del padiglione) e di convogliarle, tramite il condotto uditivo, alla membrana timpanica;
• determinare la localizzazione della sorgente sonora (operazione che non potrebbe essere effettuata con uguale precisione se avessimo un solo orecchio anziché due);
• di protezione della membrana timpanica da lesioni meccaniche;
• di mantenere tale delicata membrana in condizioni di temperatura, umidità e lubrificazione costanti, in modo da preservarne le caratteristiche elastiche.

Il condotto uditivo esterno ha mediamente un diametro di 7.5 mm e una lunghezza di 22-25 mm e non sembra avere altra funzione se non quella di convogliare l’onda sonora verso la membrana timpanica. In realtà la lunghezza di tale condotto gioca un ruolo decisivo nel determinare l'intervallo di frequenze di massima sensibilità uditiva. Con un rapido calcolo è facile mostrare che se si tratta il condotto come un tubo con una estremità aperta esso entra in risonanza alla frequenza di circa 3500 Hz (anche se poi, per la concomitanza di altri processi, la regione di massima sensibilità uditiva si colloca attorno ai 3800 Hz).

L’orecchio medio

È costituito dalla membrana timpanica, da tre ossicini (martello, incudine, staffa), da una seconda membrana, la finestra ovale, che costituisce la porta di accesso all’orecchio interno.

• Il timpano è una sottilissima membrana, tenuta in tensione dal muscolo timpanico, e capace di entrare in vibrazione, se investita dall’onda sonora proveniente dall’esterno attraverso il condotto uditivo. Grazie alle proprietà di elasticità di tale membrana e ad un meccanismo di amplificazione che descriveremo tra poco la sensibilità del timpano è straordinaria:
  • è sufficiente un livello di pressione pari a 0,2 miliardesimi della pressione atmosferica per attivare la sensazione sonora;
  • a questi livelli di pressione lo spostamento della membrana timpanica è dell'ordine di 10^-9 cm (un decimo circa del raggio dell'atomo di idrogeno).

• La catena degli ossicini ha lo scopo di trasferire la vibrazione della membrana timpanica alla finestra ovale determinando al tempo stesso quel processo di amplificazione della vibrazione timpanica cui si è sopra accennato. Il martello è, con un’estremità, a diretto contatto con il timpano; esso è poi “incernierato” all’altra estremità all’incudine, la quale, a sua volta, spinge la staffa contro la membrana della finestra ovale. È bene precisare che
  • il processo di amplificazione è ottenuto solo marginalmente con il principio della leva dato che il “braccio” delle forze agenti sul martello e sull’incudine è all’incirca lo stesso, (si pensi al bambino che invece riesce ad equilibrare sul “pinco-panco” sedendosi più lontano dal fulcro, con la sua minor forza peso, il peso del padre); il sistema degli ossicini trasferisce praticamente inalterata (il guadagno è circa di un fattore 1.3) la forza che il timpano esercita sul martello, alla finestra ovale.
  • il processo di amplificazione viene invece ottenuto applicando tale forza sulla finestra ovale la cui area (circa 3.2 mm² ) è circa di un fattore 17 inferiore all’area efficace (cioè che entra realmente in vibrazione del timpano) del timpano (circa 55 mm²). La pressione (rapporto tra la forza normale alla superficie e la superficie stessa) è aumentata quindi circa di un fattore 22 (1.3 per gli effetti di leva meccanica per 17 per gli effetti di diminuzione dell’area).
  • il processo di amplificazione della pressione (e non della forza) è utile in quanto la pressione esercitata sulla finestra ovale si trasferisce al liquido contenuto in quella meravigliosa struttura dell’orecchio interno detta coclea (o chiocciola). A causa della loro sostanziale incomprimibilità i liquidi sono in grado, secondo il principio di Pascal, di trasferire efficacemente la pressione esercitata su di una loro parte, all'intero liquido;
  • per capire quanto è efficace la soluzione che la natura ha sviluppato per trasferire l'energia dell'onda sonora al liquido cocleare, si pensi che se fosse direttamente l'aria a mettere in moto il liquido a causa del pessimo adattamento di impedenza tra i due mezzi, (l'aria ha un impedenza acustica di 41,5 ohm acustici, il fluido cocleare di 143000) solo 1/1000 dell'energia dell'onda sonora verrebbe trasferita al liquido e il resto verrebbe riflesso impedendoci, di fatto, di sentire!

L’orecchio interno

Come già detto, ai fini del processo uditivo, le strutture fondamentali dell’orecchio interno sono:

• la coclea: un canale a forma di chiocciola scavato nell’osso temporale all’interno del quale corrono diverse gallerie riempite di liquido (le due gallerie principali contengono la perilinfa) e quindi in grado di trasferire la pressione esercitata dalla staffa sulla finestra ovale che separa l’orecchio medio dalla coclea;

• la membrana basilare, una sottile membrana che divide due gallerie (denominate zona vestibolare e zona timpanica) all’interno della chiocciola e che va allargandosi e diventando meno rigida man mano che ci si allontana dalla finestra ovale. Essa termina in un'apertura detta elicotrema che mette in comunicazione le due gallerie e permette alla perilinfa di passare da una parte all'altra della membrana basilare.

La funzione di tale membrana è di entrare in oscillazione se sollecitata dall’onda di pressione del liquido cocleare, in modo non dissimile a quello di una corda pizzicata. L'apertura dell'elicotrema fa sì che l'onda di pressione si propaghi sia sopra che sotto la membrana basilare. Poiché la membrana cambia larghezza e rigidità lungo il suo percorso, ogni frequenza la fa vibrare soprattutto in un punto diverso: le frequenze alte nella parte iniziale, stretta e rigida, vicina alla finestra ovale; le frequenze basse nella parte finale, larga e cedevole, vicina all'elicotrema. In questo modo un suono composto viene "smistato" lungo la membrana nelle sue componenti di diversa frequenza (si veda fisiologia del sistema uditivo). La comprensione delle modalità di oscillazione di tale membrana in rapporto all’intensità, alla frequenza e alla composizione spettrale dell’onda sonora “catturata” dal padiglione auricolare, gioca un ruolo fondamentale nel meccanismo di trasduzione, che è il primo livello alla base della percezione dell'intensità, della percezione dell'altezza e del timbro dei suoni.

• l’organo del Corti è una struttura appoggiata alla membrana basilare, formata da cellule munite di ciglia (le cellule ciliate) collegate alle fibre nervose. Le ciglia vengono flesse partecipando del moto oscillatorio della membrana basilare. È tale movimento ad indurre le cellule dell’organo del Corti a generare impulsi elettrici da inviare alle terminazioni nervose che, tramite il nervo uditivo, vengono convogliate al cervello. Il meccanismo di trasduzione vero e proprio avviene quindi a livello dell’organo del Corti. Anche in questo caso i fisiologi hanno condotto una serie di esperimenti per determinare le correlazioni tra il moto della membrana basilare, la produzione di impulsi nervosi e loro elaborazione a livello cerebrale.

Altre funzioni dell'orecchio

Vi sono due parti non direttamente coinvolte nel processo di percezione dell'onda sonora. Esse sono:

• la tromba di Eustachio, un condotto che collega la faringe all'orecchio medio. Questo condotto, in condizioni normali, è chiuso, ma si apre quando si sbadiglia o si deglutisce. Durante questi momenti l'aria può così giungere all'orecchio medio in modo da equilibrare i valori della pressione sulle due facce del timpano. Questo meccanismo risulta molto utile quando si verificano improvvise e forti variazioni di pressione atmosferica, quando si percorre un pendio ripido o durante il decollo di un aereo (tutti abbiamo sperimentato la sensazione di orecchio "che si stappa" in queste condizioni). Senza questo meccanismo di compensazione, il timpano potrebbe essere danneggiato dalla differenza di pressione tra il suo interno e l'esterno.

• il labirinto che è una mirabile struttura, connessa alla coclea, formata da tre canali semicircolari orientati secondo tre direzioni ortogonali e pieni di liquido. Grazie alla disposizione di tali canali ogni movimento della testa mette in moto, con una certa inerzia, il liquido contenuto nei canali. Questo, a sua volta determina l'eccitazione di diverse popolazioni neuronali, portando all'elaborazione dell'informazione sullo stato di movimento del capo. Il sistema nervoso centrale, integrando queste informazioni con quelle provenienti dagli occhi e dai muscoli del corpo, ci permetterà di mettere in atto gli aggiustamenti posturali necessari per il mantenimento dell'equilibrio e la guida del movimento volontario. Esso inoltre ci consente di valutare consciamente la nostra posizione in un sistema di riferimento geocentrico. È noto che in molte affezioni dell'orecchio (labirintiti, otiti, Sindrome di Ménière...) si manifestano turbe dell'equilibrio dovute alla compromissione della corretta funzionalità del labirinto stesso.

Verifica la comprensione

Approfondimenti e collegamenti

• Se sei interessato ad approfondire gli aspetti percettivi e fisiologici del funzionamento dell’orecchio visita le pagine relative alla percezione del suono e alla Fisiologia del sistema uditivo

• Se vuoi eseguire semplici esperimenti di fisiologia dell’orecchio, visita la pagina Percorsi App Fourier nella quale troverai percorsi guidati finalizzati ad evidenziare le complessità del meccanismo percettivo.

• Se sei interessato alle tematiche di tipo musicale, relative alla consonanza e dissonanza e alle problematiche relative alla produzione simultanea di più suoni (come ad esempio nei complessi musicali), visita la sezione Bande critiche e Mascheramento.

Di seguito riportiamo altri collegamenti utili

• Localizzazione della sorgente sonora
• Percezione dell'intensità
• Percezione dell'altezza
• Percezione del timbro
• Battimenti
• Effetti e illusioni acustiche