Svijet oko nas prepun je svih vrsta informacija koje naš mozak kontinuirano obrađuje. Ovu informaciju prima preko osjetilnih organa, od kojih je svaki odgovoran za svoj dio signala: oči (vid), jezik (ukus), nos (miris), koža (dodir), vestibularni aparat (ravnoteža, položaj u prostoru i osjećaj za težina) i uši (zvuk). Kombinacijom signala iz svih ovih organa, naš mozak može izgraditi tačnu sliku našeg okruženja. Ali nisu nam poznati svi aspekti obrade vanjskih signala. Jedna od tih tajni je mehanizam za lokalizaciju izvora zvukova.
Naučnici iz Laboratorije za neuroinženjering govora i sluha (New Jersey Institute of Technology) predložili su novi model neuronskog procesa lokalizacije zvuka. Koji se tačno procesi dešavaju u mozgu tokom percepcije zvuka, kako naš mozak razumije poziciju izvora zvuka i kako ovo istraživanje može pomoći u borbi protiv oštećenja sluha. O tome saznajemo iz izvještaja istraživačke grupe. Idi.
Osnova istraživanja
Informacije koje naš mozak prima od naših osjetila razlikuju se jedna od druge, kako u pogledu izvora tako i u smislu njihove obrade. Neki signali se našem mozgu odmah pojavljuju kao tačna informacija, dok drugi zahtijevaju dodatne računske procese. Grubo govoreći, dodir osjetimo odmah, ali kada čujemo zvuk, još uvijek moramo pronaći odakle dolazi.
Osnova za lokalizaciju zvukova u horizontalnoj ravni je interauralno* vremenska razlika (ITD od interauralna vremenska razlika) zvukovi koji dopiru do ušiju slušaoca.
Interauralna baza* - razmak između ušiju.
Postoji specifično područje u mozgu (medijalna superiorna maslina ili MSO) koje je odgovorno za ovaj proces. U trenutku kada je zvučni signal primljen u MVO, interauralne vremenske razlike se pretvaraju u brzinu reakcije neurona. Oblik krivulja izlazne brzine MBO kao funkcije ITD podsjeća na oblik međukorelacijske funkcije ulaznih signala za svako uho.
Kako se informacije obrađuju i tumače u MBO-u, i dalje nije sasvim jasno, zbog čega postoji nekoliko vrlo kontradiktornih teorija. Najpoznatija i zapravo klasična teorija lokalizacije zvuka je Jeffressov model (Lloyd A. Jeffress). Zasnovan je na označena linija* detektor neurona koji su osjetljivi na binauralnu sinhroniju neuronskih ulaza iz svakog uha, pri čemu je svaki neuron maksimalno osjetljiv na određenu količinu ITD (1A).
Princip označene linije* je hipoteza koja objašnjava kako različiti živci, od kojih svi koriste iste fiziološke principe u prenošenju impulsa duž svojih aksona, mogu generirati različite senzacije. Strukturno slični nervi mogu generisati različite senzorne percepcije ako su povezani sa jedinstvenim neuronima u centralnom nervnom sistemu koji su sposobni da dekodiraju slične nervne signale na različite načine.
Slika #1
Ovaj model je računski sličan neuralnom kodiranju, zasnovan na neograničenim unakrsnim korelacijama zvukova koji dopiru do oba uha.
Postoji i model koji sugerira da se lokalizacija zvuka može modelirati na osnovu razlika u brzini odgovora određenih populacija neurona iz različitih hemisfera mozga, tj. model interhemisferne asimetrije (1B).
Do sada je bilo teško jednoznačno reći koja je od dvije teorije (modela) ispravna, s obzirom da svaka od njih predviđa različite ovisnosti lokalizacije zvuka o intenzitetu zvuka.
U studiji koju danas gledamo, istraživači su odlučili kombinirati oba modela kako bi shvatili da li je percepcija zvukova zasnovana na neuralnom kodiranju ili na razlikama u odgovoru pojedinih neuronskih populacija. Provedeno je nekoliko eksperimenata u kojima su učestvovale osobe starosti od 18 do 27 godina (5 žena i 7 muškaraca). Audiometrija učesnika (mjera oštrine sluha) bila je 25 dB ili više između 250 i 8000 Hz. Učesnik eksperimenata smješten je u zvučno izoliranu prostoriju, u kojoj je postavljena posebna oprema, kalibrirana s velikom preciznošću. Učesnici su morali, nakon što čuju zvučni signal, naznačiti smjer iz kojeg je došao.
Rezultati studije
Za procjenu zavisnosti lateralizacija* moždane aktivnosti iz intenziteta zvuka kao odgovora na obilježene neurone, korišteni su podaci o brzini reakcije neurona u laminarnom jezgru mozga sove.
Lateralnost* - asimetrija leve i desne polovine tela.
Za procjenu ovisnosti lateralizacije moždane aktivnosti o brzini reakcije pojedinih populacija neurona korišteni su podaci o aktivnosti donjeg kolikulusa mozga rezus majmuna, nakon čega su dodatno izračunate razlike u brzini neurona iz različitih hemisfera. .
Model označene linije detektorskih neurona predviđa da će, kako se intenzitet zvuka smanjuje, lateralnost percipiranog izvora konvergirati na srednje vrijednosti slične omjeru tihih i glasnih zvukova (1S).
Model hemisferne asimetrije, zauzvrat, sugerira da kako intenzitet zvuka opada do nivoa blizu praga, percipirana lateralnost će se pomjeriti prema srednjoj liniji (1D).
Kod većeg ukupnog intenziteta zvuka, očekuje se da će lateralizacija biti invarijantna intenziteta (umetnuti u 1S и 1D).
Stoga, analiza kako intenzitet zvuka utječe na percipirani smjer zvuka omogućava nam da precizno odredimo prirodu procesa koji se u tom trenutku odvijaju - neurone iz istog općeg područja ili neurone iz različitih hemisfera.
Jasno je da sposobnost osobe da razlikuje ITD može varirati u zavisnosti od intenziteta zvuka. Međutim, naučnici kažu da je teško protumačiti prethodna otkrića koja povezuju osjetljivost sa ITD i prosudbu slušatelja o smjeru izvora zvuka kao funkciju intenziteta zvuka. Neke studije kažu da kada intenzitet zvuka dosegne granični prag, percipirana lateralnost izvora se smanjuje. Druge studije sugeriraju da intenzitet uopće nema utjecaja na percepciju.
Drugim riječima, naučnici "nježno" nagoveštavaju da u literaturi ima malo informacija o odnosu između ITD, intenziteta zvuka i određivanja pravca njegovog izvora. Postoje teorije koje postoje kao svojevrsni aksiomi, opšteprihvaćeni od strane naučne zajednice. Stoga je odlučeno da se u praksi detaljno ispitaju sve teorije, modeli i mogući mehanizmi slušne percepcije.
Prvi eksperiment je bio zasnovan na psihofizičkoj paradigmi koja je omogućila proučavanje lateralizacije zasnovane na ITD kao funkcije intenziteta zvuka u grupi od deset učesnika sa normalnim sluhom.
Slika #2
Izvori zvuka su posebno podešeni da pokriju većinu frekvencijskog opsega unutar kojeg ljudi mogu prepoznati ITD, tj. od 300 do 1200 Hz (2A).
U svakom ispitivanju, slušalac je morao naznačiti percipiranu lateralnost, mjerenu kao funkcija nivoa osjeta, u rasponu ITD vrijednosti od 375 do 375 ms. Za određivanje efekta intenziteta zvuka korišten je nelinearni model miješanih efekata (NMLE) koji je uključivao i fiksni i nasumični intenzitet zvuka.
Graf 2B pokazuje procijenjenu lateralizaciju sa spektralno ravnim šumom pri dva intenziteta zvuka za reprezentativnog slušaoca. I raspored 2S prikazuje neobrađene podatke (krugovi) i ugrađeni NMLE model (linije) svih slušalaca.
Tabela # 1
Gornja tabela prikazuje sve NLME parametre. Može se vidjeti da se percipirana lateralnost povećava sa povećanjem ITD, kao što su naučnici očekivali. Kako se intenzitet zvuka smanjivao, percepcija se sve više pomerala prema srednjoj liniji (umetnuti u grafikon 2C).
Ovi trendovi su podržani modelom NLME, koji je pokazao značajne efekte ITD i intenziteta zvuka na maksimalni stepen lateralnosti, podržavajući model međuhemisfernih razlika.
Pored toga, srednji audiometrijski pragovi za čiste tonove imali su mali uticaj na percipiranu lateralnost. Ali intenzitet zvuka nije značajno utjecao na pokazatelje psihometrijskih funkcija.
Glavni cilj drugog eksperimenta bio je utvrditi kako će se mijenjati rezultati dobijeni u prethodnom eksperimentu uzimajući u obzir spektralne karakteristike podražaja (zvukova). Potreba za testiranjem spektralno ravnog šuma pri niskom intenzitetu zvuka je da dijelovi spektra možda neće biti čujni i to može utjecati na određivanje smjera zvuka. Posljedično, rezultati prvog eksperimenta mogu se pogrešno zamijeniti s činjenicom da se širina čujnog dijela spektra može smanjiti sa smanjenjem intenziteta zvuka.
Stoga je odlučeno da se provede još jedan eksperiment, ali koristeći obrnuto A-ponderisan* buka
A-vaganje* primjenjuju se na nivoe zvuka kako bi se uzela u obzir relativna glasnoća koju percipira ljudsko uho, budući da je uho manje osjetljivo na niske frekvencije zvuka. A-ponderisanje se sprovodi aritmetičkim dodavanjem tabele vrednosti navedenih u oktavnim opsezima izmerenim nivoima zvučnog pritiska u dB.
Na grafikonu 2D prikazuje neobrađene podatke (krugovi) i podatke prilagođene modelu NMLE (linije) svih učesnika u eksperimentu.
Analiza podataka je pokazala da kada su svi dijelovi zvuka približno jednako čujni (i u prvom i u drugom ogledu), percipirana lateralnost i nagib na grafu koji objašnjava promjenu lateralnosti sa ITD opadaju sa smanjenjem intenziteta zvuka.
Tako su rezultati drugog eksperimenta potvrdili rezultate prvog. Odnosno, u praksi se pokazalo da model koji je 1948. predložio Jeffress nije tačan.
Ispostavilo se da se lokalizacija zvuka pogoršava kako se intenzitet zvuka smanjuje, a Jeffress je vjerovao da ljudi percipiraju i obrađuju zvukove na isti način, bez obzira na njihov intenzitet.
Za detaljnije upoznavanje sa nijansama studije, preporučujem da pogledate .
Epilog
Teorijske pretpostavke i praktični eksperimenti koji ih potvrđuju pokazali su da se neuroni mozga kod sisara aktiviraju različitom brzinom ovisno o smjeru zvučnog signala. Mozak zatim uspoređuje ove brzine između svih neurona uključenih u proces kako bi dinamički napravio mapu zvučnog okruženja.
Jeffressonov model zapravo nije 100% pogrešan, jer se može koristiti da se savršeno opiše lokalizacija izvora zvuka kod sova ušara. Da, za sove ušare intenzitet zvuka nije bitan, u svakom slučaju oni će odrediti položaj njegovog izvora. Međutim, ovaj model ne radi sa rezus majmunima, kao što su pokazali prethodni eksperimenti. Stoga, ovaj Jeffressonov model ne može opisati lokalizaciju zvukova za sva živa bića.
Eksperimenti s ljudima su još jednom potvrdili da se lokalizacija zvuka različito javlja u različitim organizmima. Mnogi od učesnika nisu mogli ispravno odrediti položaj izvora zvučnih signala zbog niskog intenziteta zvukova.
Naučnici vjeruju da njihov rad pokazuje određene sličnosti između toga kako vidimo i kako čujemo. Oba procesa povezana su sa brzinom neurona u različitim dijelovima mozga, kao i sa procjenom te razlike kako bi se odredio kako položaj objekata koje vidimo u prostoru tako i položaj izvora zvuka koji čujemo.
U budućnosti, istraživači će provesti niz eksperimenata kako bi detaljnije ispitali vezu između ljudskog sluha i vida, što će nam omogućiti da bolje razumijemo kako tačno naš mozak dinamički gradi mapu svijeta oko nas.
Hvala vam na pažnji, budite radoznali i ugodnu sedmicu svima! 🙂
Hvala vam što ste ostali s nama. Da li vam se sviđaju naši članci? Želite li vidjeti još zanimljivih sadržaja? Podržite nas naručivanjem ili preporukom prijateljima, , 30% popusta za korisnike Habra na jedinstveni analog početnih servera, koji smo mi osmislili za vas: (dostupno sa RAID1 i RAID10, do 24 jezgra i do 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji? Samo ovdje u Holandiji! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - od 99 USD! Pročitajte o
izvor: www.habr.com