Only Perception: 超音波蛙：能將耳朵調整至不同頻率

2008-07-24

超音波蛙：能將耳朵調整至不同頻率

Ultrasonic frogs can tune their ears to different frequencies
http://www.physorg.com/news135937929.html

July 22, 2008

研究者發現，一種生活在中國中心地區嘈雜泉水旁的蛙，能針對不同的聲音頻率調整其耳朵，很像一部收音機上的調協器（tuner）能從某種頻率轉換到另一種。研究者說，這是動物能主動選擇牠們想聽什麼頻率的唯一已知例子。

這些發現，來自於 Illinois 大學與 UCLA 的共同合作，將出現在本週的 PNAS 上。研究團隊亦包括來自中國科學院與 Massachusetts Eye and Ear Infirmary（在哈佛醫學院）的科學家。

當研究者在檢查一種不尋常蛙類，凹耳蛙（Odorrana tormota），的鼓膜時發現這件事。凹耳蛙藉由發出如鳥一般的鳴叫，在可聽見的與超音波的頻率範圍內通訊。先前由其中二位作者所進行的研究證明，這種蛙能產生並回應超音波的鳴叫。在新研究中，他們試圖要確定這種蛙的鼓膜是否真的在振動來回應這些超高頻聲音。

使用一種雷射振動計來測量鼓膜的振動，研究者發現鼓膜能回應音波與超音波範圍中的聲音。但是他們亦瞧見一些他們無從解釋的現象：鼓膜對於超音波的的敏感性有時會全然消失。

平常的聲波打擊鼓膜並且 -- 如果它們夠強大，而且在動物可感知的頻率範圍內 -- 導致鼓膜振動。在絕大多數的蛙類研究中，鼓膜對於相同的聲音刺激會精確地以同樣方式回應。甚至是一隻死亡青蛙的鼓膜都將以不變的可預測性做出反應。

過去研究證明一隻蛙的鼓膜對於同樣的聲音刺激從未有不同的反應，該團隊領導者 Albert Feng（馮士弘）表示，Illinois 分子與整合生理學教授。

"這完全與我們所知，關於其聽覺系統的每件事情相反，" 他說。

凹耳蛙（O. tormota），凹形耳朵的湍流蛙（torrent frog，急流蛙），在其他方面與眾不同。大部分蛙類都有耳朵在身體表面，但是湍流蛙的耳朵是內嵌的（recessed）。Feng 與他的同僚先前報告凹耳蛙在吵雜環境中藉由發出高頻鳴叫，那包含超聲波，而且能以驚人的準確度將聲音定位。在聽到雌性鳴叫之後，雄性會直接朝聲音跳去，誤差不到 1%，此等功力在蛙中前所未聞。

這些研究者很幸運，凹耳蛙的鼓膜是透明的，提供一種視野能在活蛙身上觀看其內部運作。

當研究者為鼓膜振動的奇特結果感到迷惑時，他們注意到鼓膜上突然出現又突然消失的深色陰影，Feng 說。

更進一步調查揭露，此蛙能主動開啟與閉合牠們的歐氏管（Eustachian tubes），這這條狹窄的通道將咽頭（pharynx）二側與左、右耳的中耳連接起來。歐氏管狀態的改變，很容易透過從蛙的下巴往嘴照去的光束觀察到。當歐氏管開啟時，透過鼓膜可看見光線。當它們關閉時，透過耳朵發出的光環消失不見。

"我們說，「哇！這太神奇了！」" Feng 回憶道。"在所有有關蛙類聲音通訊與聽覺的教科書中，都很明白的陳述：歐氏管永遠都是打開的！"

Feng 以及他的同料觀察到，當開啟時，歐氏管實質上連接蛙的左、右耳。這種兩耳間的「聽覺耦合（acoustic coupling）」使它們對於聲音方位敏感，讓這種蛙能夠定出聲音的位置，Feng 說。

為了確定歐氏管主動關閉的後果，研究者測量歐氏管的開闔如何影響鼓膜的振動。

他們發現凹耳蛙的鼓膜變得對於高頻與超音波相當敏感，當時牠們的歐氏管關閉。當歐氏管開啟時，鼓膜絕大多數對低頻聲音產生反應。

這種蛙類顯然能隨心所欲調整到特定聲音頻率，Feng 說。當湍急流水的低頻背景噪音過於強烈時，牠們能轉換到高頻與超音波聽覺，讓牠們辨識出潛在配偶或敵人的鳴叫聲，他說。

這項研究可能牽涉到人類健康。早期對於蛙聽覺的技術性研究幫助 Feng 與其 U. of I. 同僚設計出一種「智慧型助聽器」，能提升聲音訊號強度。

※ 相關報導：

＊ Active control of ultrasonic hearing in frogs
http://www.pnas.org/content/105/31/11014.abstract

Marcos Gridi-Papp, Albert S. Feng, Jun-Xian Shen, Zu-Lin Yu,
John J. Rosowski, and Peter M. Narins
PNAS August 5, 2008 vol. 105 no. 31 11014-11019
doi: 10.1073/pnas.0802210105

＊ Ultrasonic frogs show hyperacute phonotaxis to female courtship calls
http://www.nature.com/nature/journal/v453/n7197/abs/nature06719.html

Jun-Xian Shen, Albert S. Feng, Zhi-Min Xu, Zu-Lin Yu,
Victoria S. Arch, Xin-Jian Yu & Peter M. Narins
Nature 453, 914-916 (12 June 2008)
doi: 10.1038/nature06719