La cóclea es una estructura enrollada situada en el oído interno que contiene células ciliadas, los receptores sensoriales del sistema auditivo. Las ondas sonoras se transmiten a la cóclea por pequeños huesos unidos al tímpano llamados osículos, que hacen vibrar la ventana oval que conduce al oído interno. Esto hace que el líquido en las cámaras de la cóclea se mueva, haciendo vibrar a la membrana basilar.

La membrana basilar se extiende desde el extremo basal de la cóclea cerca de la ventana oval hasta el extremo apical en su punta. Aunque la cóclea en sí se estrecha hacia el extremo apical, la membrana basilar tiene la geometría opuesta, cada vez más ancha y flexible hacia el extremo apical.

Principalmente debido a estas características físicas, el extremo apical de la membrana basilar vibra al máximo cuando se expone a sonidos de baja frecuencia, mientras que el extremo basal más estrecho y rígido vibra al máximo cuando se expone a altas frecuencias. Este gradiente de respuesta de frecuencia crea tonotopia (un mapa topográfico de tono) en la cóclea.

Las células ciliadas son estimuladas por la fuerza de cizallamiento creada por la vibración de la membrana basilar por debajo de ellas, en relación con la membrana tectoria, más rígida y por encima de ellas. Debido a la tonotopia de la membrana basilar, las células ciliadas son estimuladas al máximo por diferentes frecuencias dependiendo de dónde se encuentran en la cóclea. Los que están en el extremo basal responden mejor a las frecuencias altas, y los que están en el extremo apical responden mejor a las frecuencias bajas. En consecuencia, sus células postsinápticas, —las células nerviosas auditivas— tienen el mismo patrón tonotópico de respuestas.

Esta tonotopía se mantiene a lo largo de la vía auditiva, con información de diferentes regiones de la cóclea que viajan en vías organizadas y paralelas a través del cerebro. En última instancia, la corteza auditiva primaria contiene un "mapa" de entradas desde el extremo basal hasta el extremo apical de la cóclea. Las neuronas que se estimulan dentro de este mapa se correlacionan con las frecuencias que se escucharon, ayudando en la discriminación del tono.

Por lo tanto, la cóclea desempeña un papel vital tanto en la transducción de información sonora en señales neuronales como en la codificación inicial del tono.