Subscription request:

podpiska@panor.ru

For all questions:

+7 495 274-22-22

UDK: 534.12; 616.8 DOI:10.33920/med-01-2403-10

Mathematical modeling of cochlear mechanics

Ivankova Anastasiya Evgenievna 6th year student, Pirogov Russian National Research Medical University, E-mail: Ivankova_Anastasiya_ev@mail.ru
Trofimova Polina Pavlovna 6th year student, Pirogov Russian National Research Medical University, E-mail: P.trofimova2012@yandex.ru
Utovka Oksana Vladimirovna 6th year student, Pirogov Russian National Research Medical University, E-mail: Oksanauto@mail.ru
Mirzaliev Magomed Mutallimovich 3rd year student, Pirogov Russian National Research Medical University, E-mail: magomed200495@gmail.com
Magomedov Magomed Aliaskhabovich 4th year PhD student, Dagestan State Technical University, E-mail: magha2011@mail.rt, Makhachkala
Temirov Alibulat Temirbekovich PhD Candidate in Physics and Mathematics, lecturer, Dagestan State Technical University, Makhachkala, E-mail: alibulat.temirov@bk.ru

The cochlea plays a crucial role in sound perception. It acts as a frequency analyzer and amplifier of low-frequency sounds. The mechanisms underlying these functions are not fully understood, as its anatomical position as well as its active nonlinear behavior can be altered by invasive observation. The article therefore focuses on improving our understanding of cochlear function by considering different approaches to modeling its mechanics, which is intended to aid in the interpretation of experimental observations. The methodological framework of the article is based on the following set of methods: analysis, synthesis, modeling, and systematization. In the framework of the ongoing research, mathematical modeling of cochlear mechanics is presented, in particular, the general formulation of the state space of the cochlea is outlined. Special attention is paid to the modeling of the auditory nerve synapse and nonlinear damping.

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].

For citation:
Ivankova Anastasiya Evgenievna, Trofimova Polina Pavlovna, Utovka Oksana Vladimirovna, Mirzaliev Magomed Mutallimovich, Magomedov Magomed Aliaskhabovich, Temirov Alibulat Temirbekovich, Mathematical modeling of cochlear mechanics. Bulletin of Neurology, Psychiatry and Neurosurgery. 2024;3.
The full version of the article is available for subscribers of the journal
Article language:
Actions with selected: