Vì sao có âm dễ nghe, có âm khó nghe?

Bạn có bao giờ từng hỏi vì sao tập hợp những nốt nhạc nhất định lại tạo thành giai điệu hoàn hảo trong khi những tập hợp nốt khác thì bạn chẳng muốn để lọt tai hay không? Nay các nhà vật lí học ở châu Âu vừa phát triển một mô hình đề xuất rằng những nốt nhất định nghe êm ái vì chúng kích thích nhịp nhàng các neuron trong hệ thính giác. Các nhà nghiên cứu cho biết họ đã định lượng hiệu ứng này bởi việc chứng tỏ rằng những tín hiệu thần kinh đó cách nhau những khoảng đều đặn đối với những tần số nghe dễ chịu, nhưng lại được chăng hay chớ đối với những tín hiệu khó nghe. Họ cho biết mô hình của họ còn giúp hiểu rõ những giác quan khác, như sự nhìn, sử dụng hệ thống xử lí thần kinh tương tự.

Làm thế nào con người và động vật cảm nhận âm thanh từ lâu đã mê hoặc các nhà khoa học do khả năng bất ngờ của não trong việc xử lí tín hiệu thính giác. “Hệ thính giác là bộ máy được nghiên cứu nhiều nhất. Nhưng ngay cả những tín hiệu âm thanh đơn giản – những cặp âm thuần khiết như âm do nhạc cụ phát ra – cũng có thể gây ra những hiện tượng không thể nào giải thích đơn giản”, phát biểu của Bernardo Spagnolo thuộc trường Đại học Palermo, Italy, một trong các tác giả của bài báo đăng trên tạp chí Physical Review Letters trong tháng này.

Lấy thí dụ, Spagnolo trích dẫn hai yếu tố mà các nhạc sĩ hoan nghênh: “sự cảm nhịp” và “sự cảm thuận tai và nghịch tai”. Nói đơn giản, cảm nhịp là có thể phân biệt những tần số âm rõ nét, còn sự cảm thuận tai và nghịch tai là có thể cho biết sự khác biệt giữa âm điều hòa và âm không điều hòa.

Ảnh minh họa các neuron thể hiện thông tin, ví dụ tín hiệu vào cảm giác, chuyển hóa thành những “xung gai” thần kinh trong não. (Ảnh: iStockphoto.com/ktsimage)

Trong nghiên cứu mới của họ, các nhà nghiên cứu tập trung vào sự cảm thuận tai và nghịch tai với mục tiêu nhận biết vị trí và chất lượng của tín hiệu đi cùng với sự điều hòa và không điều hòa trong não.

Sự nghe liên quan đến sự biến đổi âm thanh thành những “xung gai” thần kinh. Mô hình của các nhà cn trên gồm ba thành phần kiểu neuron. Hai trong số này biểu diễn neuron cảm giác và bị tác động bởi tiếng ồn ở hai tần số khác nhau. Tín hiệu phát ra của hai neuron, trong sự có mặt của một môi trường “ồn ào”, có liên quan synape với neuron thứ ba. Đây là một neuron nội liên kết với một neuron cảm giác dẫn đến những neuron khác ở trong não. Trên thực tế, có nhiều hơn hai neuron nội, vì tai người có thể hoạt động ở tần số từ 20 Hz đến 20 kHz và có thể phát hiện ra âm thanh trong ngưỡng rộng 120 decibel.

Xung gai phát ra của neuron nội là tâm điểm chính của nghiên cứu trên. Nghiên cứu tìm thấy rằng nếu một tín hiệu âm được hệ thính giác chuyển hóa thành các xung gai với sự phân bố đều đặn của những khoảng gai trong, thì tín hiệu được cảm nhận là êm ái. Nhưng khi các khoảng gai trong là không đều, thì tín hiệu được cảm nhận là chói tai. Tại ngõ ra của neuron nội, tín hiệu vào không điều hòa gây ra những xung gai mờ, còn tín hiệu điều hòa tạo ra các xung gai đều đặn hơn, kém “ồn” hơn.

Đội nghiên cứu đã định lượng sự đều đặn của tín hiệu ra neuron nội theo entropy của tín hiệu. “Sự đều đặn này liên hệ tuyến tính với entropy thông tin: những âm êm ái gây ra sự đều đặn xung gai cao và vì thế entropy thấp; những tín hiệu không điều hòa thì gây ra sự đều đặn xung gai thấp và vì thế entropy cao”.

Spagnolo cho biết mô hình trên có thể nghiên cứu vài trò của “sự nhiễu do môi trường” bên ngoài và bên trong trong hệ thần kinh, đối với những hiện tượng cảm giác “ghi nhận” và “tính vĩnh cửu của thông tin” chứa trong những tín hiệu vào phức tạp trong não. “Nghiên cứu quá trình này có thể giúp tìm hiểu những loại tín hiệu vào nào có thể sống sót trong môi trường ồn ào của não, làm sáng tỏ cơ chế của quá trình này, và giải thích nó có nghĩa là gì từ quan điểm cảm giác và nhận thức”, Spagnolo nói. Ông cũng cho biết việc nghiên cứu và tìm hiểu hệ thính giác cung cấp một cơ sở cho những hệ cảm giác ít được nghiên cứu khác “biểu hiện những nguyên lí tương tự của sự chuyển hóa kích thích do môi trường thành xung gai thần kinh”.

Nguồn: physicsworld.com