Улитка внутреннего уха — это сложная структура, содержащая клетки, которые преобразуют механические движения, вызванные звуком, в электрические сигналы, возбуждающие афферентные волокна слухового нерва [1]. Когда человек слышит звуки, улитка сначала воздействует на возникающие механические колебания как чувствительный и резко настроенный нелинейный фильтр, а затем преобразует колебания в нейронные импульсы. Эта удивительно четкая настройка достигается сложной схемой движения, в которой участвуют кохлеарная жидкость, Кортиев орган, текториальная мембрана и, что особенно важно, активное усиление через наружные волосковые клетки.
Понимание механизмов слуха важно не только с точки зрения решения научных задач, которые они представляют, но и потому, что такие знания позволяют диагностировать и более эффективно лечить многочисленные формы проблем со слухом, от которых страдают люди. Моделирование механики улитки помогает в этом понимании, позволяя проверять предположения о ее функциях, сравнивая ответы, предсказанные математическими моделями, с экспериментальными наблюдениями.
Обычно рассматриваются модели макро и микромеханики улитки. В моделях улитки геометрическая сложность часто игнорируется или сильно упрощается, так что весь Кортиев орган уменьшается в размерах и представлен только базилярной мембраной. Эти типы моделей называются «макромеханическими», они обычно используются для предсказания реакции базилярной мембраны на различные стимулы [2]. Макромеханические модели имеют дело с пассивным поведением улитки, это означает, что реакция не зависит от уровня стимула, за исключением масштабирования амплитуды.
В отличие от макромеханики, микромеханика улитки фокусируется на опорных и сенсорных клетках и рассматривает их взаимодействие или реакцию на акустические или электрические стимулы на микроскопическом уровне. Микромеханическая модель необходима для характеристики активного и нелинейного усиления улитки, поскольку именно взаимодействие между базилярной мембраной и наружными волосковыми клетками является движущей силой этого процесса [3].