Локализация на звука: как мозъкът разпознава източниците на звук

Светът около нас е пълен с всякакъв вид информация, която мозъкът ни непрекъснато обработва. Той получава тази информация чрез сетивни органи, всеки от които отговаря за своя дял от сигнали: очи (зрение), език (вкус), нос (обоняние), кожа (докосване), вестибуларен апарат (равновесие, позиция в пространството и усещане за тегло) и ушите (звук). Чрез комбиниране на сигнали от всички тези органи мозъкът ни може да изгради точна картина на околната среда. Но не всички аспекти на обработката на външни сигнали са ни известни. Една от тези тайни е механизмът за локализиране на източника на звуци.

Учени от Лабораторията по невроинженерство на речта и слуха (Технологичния институт на Ню Джърси) предложиха нов модел на невронния процес на локализиране на звука. Какви точно процеси се случват в мозъка по време на възприемането на звука, как мозъкът ни разбира позицията на източника на звук и как това изследване може да помогне в борбата със слуховите дефекти. Това научаваме от доклада на изследователската група. Отивам.

Изследователска база

Информацията, която нашият мозък получава от нашите сетива, се различава една от друга, както по отношение на източника, така и по отношение на нейната обработка. Някои сигнали веднага се появяват в мозъка ни като точна информация, докато други изискват допълнителни изчислителни процеси. Грубо казано, усещаме допир веднага, но когато чуем звук, все още трябва да открием откъде идва.

Основата за локализиране на звуците в хоризонталната равнина е междуушен* часова разлика (ITD от междуушна разлика във времето) звуци, достигащи до ушите на слушателя.

Интераурална основа* - разстояние между ушите.

Има специфична област в мозъка (медиалната горна маслина или MSO), която е отговорна за този процес. В момента, в който звуковият сигнал се получава в MVO, междуушните времеви разлики се преобразуват в скоростта на реакция на невроните. Формата на кривите на изходната скорост на MBO като функция на ITD наподобява формата на кръстосаната корелационна функция на входните сигнали за всяко ухо.

Как се обработва и интерпретира информацията в MBO остава не съвсем ясно, поради което има няколко много противоречиви теории. Най-известната и всъщност класическа теория за звукова локализация е моделът на Джефрес (Лойд А. Джефрис). Базира се на маркирана линия* детекторни неврони, които са чувствителни към бинаурална синхронност на невронни входове от всяко ухо, като всеки неврон е максимално чувствителен към определено количество ITD (1А).

Принцип на маркираната линия* е хипотеза, която обяснява как различните нерви, всички от които използват едни и същи физиологични принципи за предаване на импулси по техните аксони, са в състояние да генерират различни усещания. Структурно подобни нерви могат да генерират различни сетивни възприятия, ако са свързани с уникални неврони в централната нервна система, които са способни да декодират подобни нервни сигнали по различни начини.

Изображение #1

Този модел е изчислително подобен на невронното кодиране, базирано на неограничени кръстосани корелации на звуци, достигащи до двете уши.

Съществува и модел, който предполага, че локализацията на звука може да се моделира въз основа на разликите в скоростта на реакция на определени популации от неврони от различни полукълба на мозъка, т.е. модел на междухемисферна асиметрия (1V).

Досега беше трудно да се каже еднозначно коя от двете теории (модели) е вярна, като се има предвид, че всяка от тях предвижда различни зависимости на локализацията на звука от интензитета на звука.

В проучването, което разглеждаме днес, изследователите решиха да комбинират двата модела, за да разберат дали възприемането на звуци се основава на невронно кодиране или на разлики в реакцията на отделните невронни популации. Проведени са няколко експеримента, в които са участвали хора на възраст от 18 до 27 години (5 жени и 7 мъже). Аудиометрията на участниците (измерване на остротата на слуха) е 25 dB или по-висока между 250 и 8000 Hz. Участникът в експериментите бил поставен в звукоизолирана стая, в която била поставена специална апаратура, калибрирана с висока точност. Участниците трябваше, след като чуят звуков сигнал, да посочат посоката, от която идва.

Резултати от проучването

За оценка на зависимостта латерализация* мозъчната активност от интензитета на звука в отговор на маркирани неврони, бяха използвани данни за скоростта на реакцията на невроните в ламинарното ядро ​​на мозъка на горската сова.

Страничност* - асиметрия на лявата и дясната половина на тялото.

За да се оцени зависимостта на латерализацията на мозъчната активност от скоростта на реакцията на определени популации от неврони, бяха използвани данни от активността на долния коликулус на мозъка на маймуната резус, след което бяха допълнително изчислени разликите в скоростта на невроните от различни полукълба .

Маркираният линеен модел на детекторните неврони прогнозира, че с намаляването на интензитета на звука, латералността на възприемания източник ще се сближи до средни стойности, подобни на съотношението между тихи и силни звуци (1S).

Моделът на хемисферичната асиметрия, от своя страна, предполага, че когато интензитетът на звука намалява до почти праговите нива, възприеманата латералност ще се измести към средната линия (1D).

При по-висок общ интензитет на звука се очаква латерализацията да бъде инвариантна на интензитета (вмъквания в 1S и 1D).

Следователно, анализирането на това как интензивността на звука влияе върху възприеманата посока на звука ни позволява точно да определим естеството на процесите, протичащи в този момент - неврони от една и съща обща област или неврони от различни полукълба.

Ясно е, че способността на човек да разграничава ITD може да варира в зависимост от интензивността на звука. Учените обаче казват, че е трудно да се интерпретират предишни открития, свързващи чувствителността с ITD и преценката на слушателите за посоката на източника на звука като функция на интензитета на звука. Някои проучвания казват, че когато интензитетът на звука достигне граничен праг, възприеманата страничност на източника намалява. Други проучвания показват, че няма никакъв ефект от интензивността върху възприятието.

С други думи, учените „леко“ намекват, че в литературата има малко информация относно връзката между ITD, интензитета на звука и определянето на посоката на неговия източник. Има теории, които съществуват като вид аксиоми, общоприети от научната общност. Затова беше решено да се тестват подробно всички теории, модели и възможни механизми на слухово възприятие на практика.

Първият експеримент се основава на психофизическа парадигма, която позволява изследването на базираната на ITD латерализация като функция на интензитета на звука в група от десет участника с нормален слух.

Изображение #2

Източниците на звук са специално настроени да покриват по-голямата част от честотния диапазон, в който хората могат да разпознаят ITD, т.е. от 300 до 1200 Hz (2А).

При всеки опит слушателят трябваше да посочи възприетата латералност, измерена като функция на нивото на усещане, в диапазон от стойности на ITD от 375 до 375 ms. За да се определи ефектът от интензитета на звука, беше използван нелинеен модел със смесени ефекти (NMLE), който включва както фиксиран, така и произволен интензитет на звука.

Планирам 2V демонстрира оценена латерализация със спектрално плосък шум при два интензитета на звука за представителен слушател. И графика 2S показва необработените данни (кръгове) и монтирания NMLE модел (линии) на всички слушатели.

Маса 1

Таблицата по-горе показва всички параметри на NLME. Може да се види, че възприеманата страничност се е увеличила с увеличаването на ITD, както очакват учените. С намаляването на интензитета на звука възприятието се измества все повече и повече към средната линия (вмъкване в графиката 2C).

Тези тенденции бяха подкрепени от модела NLME, който показа значителни ефекти на ITD и интензитета на звука върху максималната степен на латералност, подкрепяйки модела на междухемисферните разлики.

В допълнение, средните аудиометрични прагове за чисти тонове имат малък ефект върху възприеманата страничност. Но интензивността на звука не повлия значително на показателите на психометричните функции.

Основната цел на втория експеримент беше да се определи как ще се променят резултатите, получени в предишния експеримент, като се вземат предвид спектралните характеристики на стимулите (звуците). Необходимостта от тестване за спектрално плосък шум при нисък интензитет на звука е, че части от спектъра може да не се чуват и това може да повлияе на определянето на посоката на звука. Следователно резултатите от първия експеримент могат погрешно да бъдат сбъркани с факта, че ширината на чуваемата част от спектъра може да намалее с намаляване на интензитета на звука.

Затова беше решено да се проведе друг експеримент, но с обратната страна A-претеглено* шум

A-претегляне* приложено към нивата на звука, за да се вземе предвид относителната сила на звука, възприемана от човешкото ухо, тъй като ухото е по-малко чувствително към ниски звукови честоти. A-претеглянето се осъществява чрез аритметично добавяне на таблица със стойности, изброени в октавни ленти, към измерените нива на звуково налягане в dB.

На графиката 2D показва необработените данни (кръгове) и монтираните на NMLE модел данни (линии) на 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 опит), възприеманата страничност и наклонът в графиката, обясняваща промяната в страничността с ITD, намаляват с намаляване на интензивността на звука.

Така резултатите от втория експеримент потвърдиха резултатите от първия. Тоест на практика се оказа, че моделът, предложен още през 1948 г. от Джефрес, не е правилен.

Оказва се, че локализацията на звука се влошава с намаляване на интензитета на звука и Джефрес смята, че звуците се възприемат и обработват от хората по един и същи начин, независимо от интензивността им.

За по-подробно запознаване с нюансите на изследването препоръчвам да разгледате съобщават учените.

Епилог

Теоретичните предположения и практическите експерименти, които ги потвърждават, показват, че мозъчните неврони при бозайниците се активират с различна скорост в зависимост от посоката на звуковия сигнал. След това мозъкът сравнява тези скорости между всички неврони, участващи в процеса, за да изгради динамично карта на звуковата среда.

Моделът на Jeffresson всъщност не е 100% грешен, тъй като може да се използва за идеално описание на локализацията на източника на звук при горските сови. Да, за горските сови интензивността на звука няма значение, във всеки случай те ще определят местоположението на неговия източник. Този модел обаче не работи с маймуни резус, както показаха предишни експерименти. Следователно този модел на Jeffresson не може да опише локализацията на звуците за всички живи същества.

Експериментите с хора отново потвърдиха, че локализирането на звука се случва по различен начин в различните организми. Много от участниците не успяха да определят правилно позицията на източника на звукови сигнали поради ниската интензивност на звуците.

Учените смятат, че тяхната работа показва известни прилики между това как виждаме и как чуваме. И двата процеса са свързани със скоростта на невроните в различните части на мозъка, както и с оценката на тази разлика за определяне както на позицията на обектите, които виждаме в пространството, така и на позицията на източника на звука, който чуваме.

В бъдеще изследователите ще проведат серия от експерименти, за да изследват по-подробно връзката между човешкия слух и зрението, което ще ни позволи да разберем по-добре как точно мозъкът ни динамично изгражда карта на света около нас.

Благодаря ви за вниманието, бъдете любопитни и желая страхотна седмица на всички! 🙂

Благодарим ви, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите още интересно съдържание? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на приятели, облачен VPS за разработчици от $4.99, 30% отстъпка за потребителите на Habr за уникален аналог на сървъри от начално ниво, който беше измислен от нас за вас: Цялата истина за VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ядра) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как да споделите сървър? (предлага се с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 пъти по-евтин? Само тук 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV от $199 в Холандия! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Прочети за Как да изградим инфраструктура Corp. клас с използване на сървъри Dell R730xd E5-2650 v4 на стойност 9000 евро за стотинка?

Източник: www.habr.com