Свет, які атачае нас, напоўнены разнастайнай інфармацыяй, якую наш мозг бесперапынна апрацоўвае. Атрымлівае ён гэтую інфармацыю з дапамогай органаў пачуццяў, кожны з якіх адказвае за сваю долю сігналаў: вочы (зрок), мова (густ), нос (нюх), скура (дотык), вестыбюлярны апарат (раўнавагу, становішча ў прасторы і пачуццё вагі) і вушы (гук). Сабраўшы разам сігналы ад усіх гэтых органаў, наш мозг можа пабудаваць дакладную карціну навакольнага асяроддзя. Але далёка не ўсе аспекты апрацоўкі вонкавых сігналам нам вядомыя. Адной з такіх таямніц з'яўляецца механізм лакалізацыі крыніцы гукаў.
Навукоўцы з лабараторыі нейроинженерии прамовы і слыху (тэхналагічны інстытут Нью-Джэрсі) прапанавалі новую мадэль нейронавага працэсу лакалізацыі гуку. Якія менавіта працэсы працякаюць у галаўным мозгу падчас успрымання гуку, як наш мозг разумее становішча крыніцы гуку і як дадзенае даследаванне можа дапамагчы ў дужанні з дэфектамі слыху. Пра гэта мы даведаемся з даклада даследчай групы. Паехалі.
Аснова даследавання
Інфармацыя, якую атрымлівае наш мозг ад органаў пачуццяў, адрозніваецца сябар ад сябра як з пункта гледжання крыніцы, так і з пункта гледжання яе апрацоўкі. Адны сігналы адразу паўстаюць перад нашым мозгам у выглядзе дакладнай інфармацыі, іншыя ж маюць патрэбу ў дадатковых вылічальных працэсах. Грубіянска кажучы, дакрананне мы адчуваем адразу, а вось пачуўшы гук, нам маецца быць яшчэ знайсці адкуль ён зыходзіць.
Асновай лакалізацыі гукаў у гарызантальнай плоскасці з'яўляецца інтэрураальны* розніца ў часе (ITD ад interaural time difference) гукаў, якія дасягаюць вушэй слухача.
Інтэраўральная база* - адлегласць паміж вушамі.
У галаўным мозгу маецца вызначаны ўчастак (медыяльная верхняя аліва ці МВА), які адказвае за гэты працэс. У момант атрымання гукавога сігналу ў МВА адбываецца пераўтварэнне інтерурауральных розніц у часе ў хуткасць рэакцыі нейронаў. Форма крывых хуткасці выходнага сігналу МВА як функцыі ITD нагадвае форму ўзаемнакарэляцыйную функцыю ўваходных сігналаў для кожнага вуха.
Тое, як апрацоўваецца і інтэрпрэтуецца інфармацыя ў МВА, застаецца не да канца ясным, з-за чаго існуе некалькі вельмі супярэчлівых тэорый. Самай вядомай і па факце класічнай тэорыяй лакалізацыі гуку з'яўляецца мадэль Джэфрэса (Lloyd A. Jeffress). Яна заснавана на маркіраванай лініі* нейронаў-дэтэктараў, якія адчувальныя да бинауральной сінхроннасці нейронавых уваходных сігналаў ад кожнага вуха, прычым кожны нейрон максімальна адчувальны да вызначанай велічыні ITD (1А).
Прынцып маркіраванай лініі* - гіпотэза, якая тлумачыць, як розныя нервы, усе з якіх выкарыстоўваюць адны і тыя ж фізіялагічныя прынцыпы пры перадачы імпульсаў уздоўж сваіх аксонаў, здольныя генераваць розныя адчуванні. Структурна падобныя нервы могуць генераваць розныя сэнсарныя ўспрыманні, калі яны злучаны з унікальнымі нейронамі ў цэнтральнай нервовай сістэме, якія здольныя дэкадаваць падобныя нервовыя сігналы рознымі спосабамі.
Выява №1
Дадзеная мадэль у вылічальным плане падобная на нейронавае кадаваньне, заснаванае на неабмежаваных узаемных карэляцыях гукаў, якія дасягаюць абодвух вушэй.
Таксама існуе мадэль, у якой мяркуецца, што лакалізацыя гуку можа быць змадэляваныя на аснове адрозненняў у хуткасці рэакцыі пэўных папуляцый нейронаў з розных паўшар'яў мозгу, г.зн. мадэль міжпаўшарнай асіметрыі (1В).
Дагэтуль было складана адназначна заявіць якая з двух тэорый (мадэляў) правільная, улічваючы што кожная з іх прадказвае розныя залежнасці лакалізацыі гуку ад інтэнсіўнасці гуку.
У разгляданым намі сёння даследаванні навукоўцы вырашылі аб'яднаць абедзве мадэлі, каб зразумець, ці заснавана ўспрыманне гукаў на нейронавым кадаванні ці на розніцы рэакцыі асобна ўзятых нейронавых папуляцый. Было праведзена некалькі эксперыментаў, у якіх бралі ўдзел людзі ва ўзросце ад 18 да 27 гадоў (5 жанчын і 7 мужчын). Аўдыяметрыя (вымярэнне вастрыні слыху) удзельнікаў складала 25 дб або вышэй пры частаце ад 250 да 8000 Гц. Удзельніка доследаў размяшчалі ў гукаізаляваным пакоі, у якім было размешчана спецыяльнае абсталяванне, адкалібраванае з высокай дакладнасцю. Удзельнікі павінны былі, пачуўшы гукавы сігнал, указаць кірунак, адкуль ён зыходзіць.
вынікі даследавання
Для ацэнкі залежнасці латэралізацыі* мазгавой актыўнасці ад інтэнсіўнасці гуку ў адказ на маркіраваныя нейроны былі выкарыстаныя дадзеныя аб хуткасці рэакцыі нейронаў у ламінарным ядры мозгу сіпухі.
Латэральнасць* - Асіметрыя левай і правай палоў цела.
Для ацэнкі залежнасці латэралізацыі мазгавой актыўнасці ад хуткасці рэакцыі пэўных папуляцый нейронаў былі выкарыстаны дадзеныя актыўнасці ніжняга двухолміі мозгу макакі-рэзусу, пасля чаго дадаткова былі разлічаны адрозненні ў хуткасці нейронаў з розных паўшар'яў.
Мадэль маркіраванай лініі нейронаў-дэтэктараў мяркуе, што пры памяншэнні інтэнсіўнасці гуку латэральнасць успрыманай крыніцы будзе збягацца ў сярэдніх значэннях, падобных для стаўлення ціхіх і гучных гукаў (1С).
Мадэль міжпаўшарнай асіметрыі, у сваю чаргу, мяркуе, што пры зніжэнні інтэнсіўнасці гуку да амаль парогавых успрыманая латэральнасць будзе перамяшчацца да сярэдняй лініі (1D).
Пры больш высокай агульнай інтэнсіўнасці гуку мяркуецца, што латэралізацыя будзе інварыянтнай па інтэнсіўнасці (устаўкі на 1С и 1D).
Такім чынам, аналіз таго, як інтэнсіўнасць гуку ўплывае на ўспрыманае кірунак гуку, дазваляе сапраўды вызначыць прыроду якія праходзяць у гэты момант працэсаў - нейроны з адной агульнай вобласці або нейроны з розных паўшар'яў.
Відавочна, што здольнасць чалавека адрозніваць ITD можа вар'іравацца ў залежнасці ад інтэнсіўнасці гуку. Аднак навукоўцы заяўляюць, што досыць складана інтэрпрэтаваць папярэднія высновы, якія злучаюць адчувальнасць да ITD і адзнаку слухачом кірунку крыніцы гуку як функцыі інтэнсіўнасці гуку. Адны даследаванні кажуць, што пры дасягненні інтэнсіўнасці гуку да межавага парога, змяншаецца ўспрыманая латэральнасць крыніцы. Іншыя ж даследаванні гавораць аб тым, што ўплыву інтэнсіўнасці на ўспрыманне няма наогул.
Іншымі словамі, навукоўцы "мякка" намякаюць, што ў літаратуры дастаткова мала інфармацыі адносна сувязі ITD, інтэнсіўнасці гуку і вызначэння напрамкі яго крыніцы. Ёсць тэорыі, якія існуюць як свайго роду аксіёмы, агульнапрынятыя навуковай супольнасцю. Таму было вырашана дэталёва праверыць усе тэорыі, мадэлі і магчымыя механізмы ўспрымання слыху на практыку.
Першы эксперымент быў пастаўлены на аснове выкарыстання псіхафізічнай парадыгмы, што дазволіла вывучыць латэралізацыю на аснове ITD як функцыю інтэнсіўнасці гуку ў групе з дзесяці нармальна якія чуюць удзельнікаў досведу.
Выява №2
Крыніцы гуку былі спецыяльна настроены так, каб ахопліваць большую частку частотнага дыяпазону, у межах якога людзі здольныя распазнаваць ITD, г.зн. ад 300 да 1200 Гц (2А).
У кожным з выпрабаванняў слухач павінен быў паказаць меркаваную латэральнасць, якая вымяраецца як функцыю ўзроўню адчуванняў, у дыяпазоне значэнняў ITD ад 375 да 375 мс. Каб вызначыць уплыў інтэнсіўнасці гуку, выкарыстоўвалася нелінейная мадэль змешанага эфекту (NMLE), якая ўключала як фіксаваную, так і выпадковую інтэнсіўнасць гуку.
Графік 2В дэманструе ацэненую латэралізацыю са спектральна плоскім шумам пры двух інтэнсіўнасці гуку для рэпрэзентатыўнага слухача. А графік 2С паказвае неапрацаваныя дадзеныя (кругі) і падагнаныя пад мадэль NMLE (лініі) усіх слухачоў.
табліца №1
Табліца вышэй паказвае ўсе параметры NLME. Відаць, што ўспрыманая латэральнасць узрастала пры павелічэнні ITD, як таго і чакалі навукоўцы. З памяншэннем інтэнсіўнасці гуку ўспрыманне ўсё больш ссоўвалася ў бок сярэдняй лініі (устаўка на графіцы 2C).
Гэтыя тэндэнцыі былі падмацаваныя мадэллю NLME, якая паказала істотны ўплыў ITD і інтэнсіўнасці гуку на максімальную ступень латэральнасці, пацвярджаючы мадэль міжпаўшарных адрозненняў.
Акрамя таго, нязначны ўплыў на ўспрыманую латэральнасць мелі сярэднія аўдыяметрычныя парогі чыстых тонаў. А вось інтэнсіўнасць гуку істотна не ўплывала на паказчыкі псіхаметрычных функцый.
Асноўнай мэтай другога эксперыменту было вызначэнне таго, як атрыманыя ў папярэднім эксперыменце вынікі памяняюцца пры ўліку спектральных асаблівасцяў стымулаў (гукаў). Неабходнасць праверкі спектральна плоскага шуму пры нізкай інтэнсіўнасці гуку складаецца ў тым, што часткі спектру могуць быць не чутныя, і гэта можа паўплываць на азначэнне кірунку гуку. Такім чынам, за вынікі першага эксперыменту можна памылкова прыняць факт таго, што шырыня чутнай часткі спектру можа памяншацца з памяншэннем інтэнсіўнасці гуку.
Таму было вырашана правесці яшчэ адзін досвед, але ўжо з ужываннем зваротна. А-ўзважаных* шумоў.
А-ўзважванне* ужываецца да ўзроўняў гуку, каб улічыць адносную гучнасць, якая ўспрымаецца чалавечым вухам, паколькі вуха меней адчувальна да нізкіх гукавых частот. А-ўзважванне рэалізуецца шляхам арыфметычнага дадання табліцы значэнняў, пералічаных у актаўных палосах, да вымераным узроўням гукавога ціску ў дб.
На графіцы 2D паказаны неапрацаваныя дадзеныя (кругі) і падагнаныя пад мадэль NMLE дадзеныя (лініі) усіх удзельнікаў эксперыменту.
Аналіз дадзеных паказаў, што калі ўсе часткі гуку з'яўляюцца прыкладна аднолькава чутнымі (як у першым, так і ў другім досведзе), якая ўспрымаецца латэральнасць і нахіл на графіцы, які тлумачыць змену латэральнасці з ITD, памяншаюцца з падзеннем інтэнсіўнасці гуку.
Такім чынам, вынікі другога эксперымента пацвердзілі вынікі першага. Гэта значыць, на практыцы было паказана, што мадэль, прапанаваная яшчэ ў 1948 годзе Джэфрэсам, не з'яўляецца правільнай.
Атрымліваецца, што лакалізацыя гукаў пагаршаецца пры зніжэнні інтэнсіўнасці гуку, а Джэфрэс лічыў, што гукі ўспрымаюцца і апрацоўваюцца чалавекам аднолькава па-за залежнасцю ад іх інтэнсіўнасці.
Для больш дэталёвага азнаямлення з нюансамі даследавання рэкамендую зазірнуць у .
Эпілог
Тэарэтычныя здагадкі і якія пацвярджаюць іх практычныя досведы паказалі, што нейроны галаўнога мозгу ў млекакормячых актывуюцца з рознай хуткасцю ў залежнасці ад кірунку гукавога сігналу. Следам мозг параўноўвае гэтыя хуткасці паміж усімі задзейнічанымі падчас нейронных для дынамічнай пабудовы карты гукавой асяроддзя.
Мадэль Джэфрэсана насамрэч не на 100% памылковая, бо з яе дапамогай можна ідэальна апісаць лакалізацыю крыніцы гуку ў сівух. Так, для сіпух інтэнсіўнасць гуку не мае значэння, яны ў любым выпадку вызначаць становішча яго крыніцы. Аднак гэтая мадэль не працуе з макакамі-рэзусамі, як паказалі раней праведзеныя доследы. Такім чынам, гэтая мадэль Джэфрэсана не можа апісаць лакалізацыю гукаў для ўсіх жывых істот.
Эксперыменты з удзелам людзей лішні раз пацвердзілі, што лакалізацыя гукаў працякае ў розных арганізмаў па-рознаму. Многія з удзельнікаў не змаглі дакладна вызначыць становішча крыніцы гукавых сігналаў з-за нізкай інтэнсіўнасці гукаў.
Навукоўцы лічаць, што іх праца паказвае пэўнае падабенства між тым, як мы бачым і як мы чуем. Абодва працэсу звязаны з хуткасцю нейронаў у розных участках мозгу, а таксама з ацэнкай гэтай розніцы для вызначэння як становішча бачных намі прадметаў у прасторы, так і палажэнні крыніцы чутнага намі гуку.
У далейшым даследчыкі збіраюцца правесці шэраг эксперыментаў для больш дэталёвага разгляду сувязі паміж слыхам і зрокам чалавека, што дазволіць лепш зразумець, як менавіта наш мозг дынамічна будуе карту навакольнага свету.
Дзякую за ўвагу, заставайцеся цікаўнымі і добрай усім працоўнага тыдня, хлопцы! 🙂
Дзякуй, што застаяцеся з намі. Вам падабаюцца нашыя артыкулы? Жадаеце бачыць больш цікавых матэрыялаў? Падтрымайце нас, аформіўшы замову ці парэкамендаваўшы знаёмым, , 30% зніжка для карыстальнікаў Хабра на ўнікальны аналаг entry-level сервераў, які быў прыдуманы намі для Вас: (даступныя варыянты з RAID1 і RAID10, да 24 ядраў і да 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 разы танней? Толькі ў нас у Нідэрландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – ад $99! Чытайце аб тым
Крыніца: habr.com