🥇Локализация на звуците: как мозъкът разпознава източниците на звуци

Локализация на звуците: как мозъкът разпознава източниците на звуци

Светът около нас е изпълнен с информация, която мозъкът ни обработва непрекъснато. Той получава тази информация чрез органите на чувствата, всеки от които отговаря за своя дял от сигналите: очите (зрение), езика (вкус), носа (обоняние), кожата (осезание), вестибуларния апарат (равновесие, положение в пространството и чувство за тежест) и ушите (звуци). Събрали сигналите от всички тези органи, нашият мозък може да построи точна картина на околната среда. Но не всички аспекти на обработката на външните сигнали са ни известни. Една от тези тайни е механизмът за локализация на звуковите източници.

Учени от лабораторията по нейроинженеринг на речта и слуха (технологичен институт на Ню Джърси) предложиха нова модел на невронния процес на локализация на звука. Какви точно процеси се извършват в мозъка по време на възприемането на звука, как мозъкът ни разбира местоположението на звуковия източник и как това изследване може да помогне в борбата с проблемите на слуха. За това ще научим от доклада на изследователската група. Да започваме.

Основата на изследването

Информацията, която нашият мозък получава от органите на чувствата, се различава помежду си както по източника, така и по начина на обработка. Някои сигнали достига до мозъка ни веднага като точна информация, а други изискват допълнителни изчислителни процеси. Грубо казано, усещането за допир го чувстваме веднага, докато при чуването на звук, трябва още да намерим откъде идва той.

Основата на локализацията на звуците в хоризонталната равнина е интерауралната* разлика във времето (ITD от interaural time difference) на звуците, достигащи до ушите на слушателя.

Интерауралната база* е разстоянието между ушите.

В мозъка има определена област (медиална горна олива или МВО), която отговаря за този процес. В момента на получаване на звуковия сигнал в МВО се преобразуват интерауралните разлики във времето в скоростта на реакция на невроните. Формата на кривите на скоростта на изходния сигнал на МВО като функция на ITD наподобява формата на взаимнокорелационната функция на входните сигнали за всяко ухо.

Начинът, по който информацията се обработва и интерпретира в МВО, остава не напълно ясен, което води до съществуването на няколко доста противоречиви теории. Най-известната и по същество класическа теория за локализация на звука е моделът на Джеффреса (Лойд А. Джеффрес). Той е основан на маркирана линия* от неврони-детектори, които са чувствителни към бинауралната синхронност на невронните входящи сигнали от всяко ухо, при което всеки неврон е най-чувствителен към определена стойност на ITD (1А).

Принцип на маркираната линия* — хипотеза, която обяснява как различни нерви, всички от които използват едни и същи физиологични принципи при предаването на импулси по своите аксони, могат да генерират различни усещания. Структурно сходни нерви могат да генерират различни възприятия, ако са свързани с уникални неврони в централната нервна система, които могат да декодират подобни нервни сигнали по различни начини.

Локализация на звуците: как мозъкът разпознава източниците на звуци
Изображение №1

Тази модель в изчислителен аспект е подобна на невронното кодиране, основано на неограничени взаимни корелации на звуците, достигащи до двете уши.

Съществува и модел, при който се предполага, че локализацията на звука може да бъде моделирана на основата на разлики в реакционната скорост на определени популации неврони от различни полукълба на мозъка, тоест модел на междуполукълбова асиметрия (1В).

Досега беше трудно да се заяви категорично коя от двете теории (модели) е правилна, като се има предвид, че всяка от тях предсказва различни зависимости на локализацията на звука от интензивността на звука.

В разглежданото днес изследване учените решиха да комбинират двете модели, за да разберат дали възприятието на звуците се основава на невронно кодиране или на разликата в реакцията на отделни популации неврони. Проведени бяха няколко експеримента, в които участваха хора на възраст от 18 до 27 години (5 жени и 7 мъже). Аудиометрията (измерване на острота на слуха) на участниците беше 25 дБ или повече при честота от 250 до 8000 Hz. Участниците в опитите бяха поставени в звукоизолирана стая, в която бе разположено специално оборудване, калибрирано с висока точност. Участниците трябваше, след като чуят звуков сигнал, да посочат посоката, от която идва.

Резултати от изследването

За оценка на зависимостта латерализация* на мозъчната активност от интензивността на звука в отговор на маркираните неврони бяха използвани данни за скоростта на реакция на невроните в ламинарното ядро на мозъка на совата.

Латералност* — асиметрия на лявата и дясната половина на тялото.

За оценка на зависимостта на латерализацията на мозъчната активност от скоростта на реакция на определени популации от неврони бяха използвани данни за активността на долния коленчест ядро на макака резус, след което допълнително бяха изчислени разлики в скоростта на невроните от различни полукълба.

Моделът на маркираната линия на невроните-детектори предполага, че при намаляване на интензивността на звука латералността на възприемания източник ще се приближава до средни стойности, подобни на тези за тихи и силни звукове (1С).

Моделът на междуполукълбовата асиметрия, от своя страна, предполага, че при намаляване на интензивността на звука до почти прагова стойност, възприеманата латералност ще бъде изместена към средната линия (1D).

При по-висока обща интензивност на звука се предполага, че латерализацията ще е инвариантна по отношение на интензивността (вмъквания на 1С и 1D).

Следователно, анализът на това как интензивността на звука влияе на възприеманата посока на звука позволява точно да се определи природата на протичащите в този момент процеси — неврони от една обща област или неврони от различни полукълба.

Ясно е, че способността на човек да различава ITD може да варира в зависимост от интензивността на звука. Въпреки това учените твърдят, че е достатъчно трудно да се интерпретират предишните заключения, свързващи чувствителността към ITD и оценката от слушателя на посоката на източника на звука като функция на интензивността на звука. Някои изследвания сочат, че при достигане на интензивността на звука до граничен праг, се намалява възприеманата латералност на източника. Други изследвания обаче твърдят, че влиянието на интензивността върху възприятието изобщо не съществува.

С други думи, учените 'нежно' намекват, че в литературата има недостатъчно информация относно връзката между ITD, интензивността на звука и определянето на посоката на неговия източник. Съществуват теории, които се приемат за своеобразни аксиоми от научната общност. Поради това беше решено да се проучат детайлно всички теории, модели и възможни механизми на слуховото възприятие на практика.

Първият експеримент беше поставен на основата на психофизична парадигма, което позволи да се изучи латерализацията на основата на ITD като функция на интензивността на звука в група от десет нормално чуващи участници.

Локализация на звуците: как мозъкът разпознава източниците на звуци
Изображение №2

Източниците на звук бяха специално настроени, за да обхващат широк спектър от честоти, в които хората могат да разпознават ITD, т.е. от 300 до 1200 Hz (2А).

Във всяко от изпитанията слушателят трябваше да посочи предполагаемата латералност, измервана като функция на нивото на усещания, в диапазона на стойности ITD от 375 до 375 ms. За да се определи влиянието на интензивността на звука, беше използван нелинеен модел с микс от ефекти (NMLE), който включваше както фиксирана, така и случайна интензивност на звука.

График 2В демонстрира оценената латерализация със спектрално плосък шум при две интензивности на звука за представителен слушател. А графикът 2С показва необработените данни (окръжности) и приспособените към модела NMLE (линии) на всички слушатели.

Локализация на звуците: как мозъкът разпознава източниците на звуци
Таблица №1

Таблицата по-горе показва всички параметри на NLME. Ясно е, че възприеманата латералност нараства с увеличаването на ITD, както и очакваха учените. С намаляването на интензивността на звука възприемането все повече се измествало към средната линия (вмъкване на графика 2C).

Тези тенденции бяха подкрепени от модела NLME, който показа съществено влияние на ITD и интензивността на звука върху максималната степен на латералност, потвърдявайки модела на междуполушарните различия.

Освен това, незначително влияние върху възприеманата латералност оказаха средните аудиометрични прагове на чистите тонове. Интензивността на звука обаче не оказа съществено влияние върху показателите на психометричните функции.

Основната цел на втория експеримент беше да се определи как получените в предишния експеримент резултати ще се променят, като се вземат предвид спектралните особености на стимулите (звуците). Необходимостта от проверка на спектрално плоските шумове при ниска интензивност на звука се състои в това, че части от спектъра може да не са чуваеми, и това може да повлияе на определянето на посоката на звука. Следователно, резултатите от първия експеримент могат да бъдат погрешно приети за факта, че ширината на чуваемата част на спектъра може да намалява с намаляване на интензивността на звука.

Затова беше решено да се проведе още един експеримент, но вече с прилагане на обратно А-везни* шумове.

А-везнене* се прилага към нивата на звука, за да отчете относителната сила, възприемана от човешкото ухо, тъй като ухото е по-малко чувствително към ниските звукови честоти. А-везненето се реализира чрез аритметично добавяне на таблица с стойности, изброени в октавни ленти, към измерените нива на звуково налягане в дБ.

На графиката 2D показани са необработените данни (кръгове) и данните, подгонени под модела NMLE (линиите) за всички участници в експеримента.

Анализът на данните показа, че когато всички части на звука са приблизително еднакво чуваеми (както в първия, така и във втория експеримент), възприеманата латералност и наклонът на графика, обясняваща изменението на латералността с ITD, намаляват с падането на интензивността на звука.

По този начин резултатите от втория експеримент потвърдиха резултатите от първия. Тоест, в практиката беше показано, че моделът, предложен още през 1948 година от Джефрес, не е верен.

Получава се, че локализацията на звуците се влошава при намаляване на интензивността на звука, а Джефрес смяташе, че звуците се възприемат и обработват от човека по идентичен начин независимо от тяхната интензивност.

За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с доклада на учените.

Епилог

Теоретичните предположения и потвърдителните им практически опити показаха, че невроните на мозъка при бозайниците се активират с различна скорост в зависимост от посоката на звуковия сигнал. След това мозъкът сравнява тези скорости между всички участвали в процеса неврони, за да построи динамична карта на звуковата среда.

Моделът на Джефресон всъщност не е напълно грешен, тъй като с негова помощ може да се опише локализацията на звуковия източник при совите. Да, за совите интензивността на звука няма значение, те все пак ще определят позицията на неговия източник. Въпреки това, моделът не работи с макаките-резуси, както показват предишни експерименти. Следователно, моделът на Джефресон не може да опише локализацията на звуци за всички живи същества.

Експериментите с участието на хора още веднъж потвърдиха, че локализацията на звуците протича по различен начин при различни организми. Много от участниците не успяха правилно да определят позицията на източника на звукови сигнали поради ниската интензивност на звуците.

Учените смятат, че тяхната работа показва определено сходство между начина, по който виждаме и начина, по който чуваме. И двата процеса са свързани със скоростта на невроните в различни области на мозъка, както и с оценката на тази разлика за определяне как на положението на видимите от нас обекти в пространството, така и на позицията на източника на звука, който чуваме.

В бъдеще изследователите планират да проведат серия от експерименти за по-подробно разглеждане на връзката между слуха и зрението на човека, което ще позволи по-добро разбиране на начина, по който нашият мозък динамично изгражда карта на заобикалящия ни свят.

Благодаря за вниманието, оставайте любопитни и желая на всички успешна работна седмица, приятели! 🙂

Благодарим ви, че оставате с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да виждате повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на познати, облачни VPS за разработчици от $4.99, 30% отстъпка за потребителите на Хабра на уникален аналог на entry-level сървъри, който създадохме специално за вас: Цялата истина за VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ядра) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от 20 $ или как правилно да разделите сървър. (с налични опции за RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).

Dell R730xd на половин цена? Всичко това само при нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100TB от 199 $ в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от 99 $! Чете се за това Как да построим инфраструктура от корпоративен клас с помощта на сървъри Dell R730xd E5-2650 v4 на стойност 9000 евро за малко пари?

Източник: habr.com