El món que ens envolta està ple de tot tipus d'informació que el nostre cervell processa contínuament. Rep aquesta informació a través dels òrgans dels sentits, cadascun dels quals és responsable de la seva part de senyals: ulls (visió), llengua (gust), nas (olfacte), pell (tacte), aparell vestibular (equilibri, posició a l'espai i sentit de la pes) i les orelles (so). En combinar senyals de tots aquests òrgans, el nostre cervell pot construir una imatge precisa del nostre entorn. Però no tots els aspectes del processament de senyals externs ens són coneguts. Un d'aquests secrets és el mecanisme per localitzar la font dels sons.
Científics del Laboratory of Neuroengineering of Speech and Hearing (New Jersey Institute of Technology) han proposat un nou model del procés neuronal de localització del so. Quins processos exactes es produeixen al cervell durant la percepció del so, com el nostre cervell entén la posició de la font sonora i com aquesta investigació pot ajudar en la lluita contra els defectes auditius. Ho sabem a partir de l'informe del grup de recerca. Vés.
Base de recerca
La informació que el nostre cervell rep dels nostres sentits difereix entre si, tant pel que fa a la seva font com pel que fa al seu processament. Alguns senyals apareixen immediatament al nostre cervell com a informació precisa, mentre que altres requereixen processos computacionals addicionals. A grans trets, sentim un tacte immediatament, però quan sentim un so, encara hem de trobar d'on ve.
La base per localitzar sons en el pla horitzontal és interaural* diferència horària (ITD des de diferència horària interaural) sons que arriben a les orelles de l'oient.
Base interaural* - distància entre orelles.
Hi ha una àrea específica del cervell (l'oliva superior medial o MSO) que és responsable d'aquest procés. En el moment en què es rep el senyal sonor a l'MVO, les diferències de temps interaurals es converteixen en la velocitat de reacció de les neurones. La forma de les corbes de velocitat de sortida MBO en funció de l'ITD s'assembla a la forma de la funció de correlació creuada dels senyals d'entrada per a cada oïda.
Com es processa i interpreta la informació en MBO encara no està del tot clar, per això hi ha diverses teories molt contradictòries. La teoria més famosa i de fet clàssica de la localització del so és el model de Jeffress (Lloyd A. Jeffress). Es basa en línia marcada* neurones detectores que són sensibles a la sincronia binaural de les entrades neuronals de cada oïda, amb cada neurona màximament sensible a una certa quantitat d'ITD (1A).
Principi de línia marcada* és una hipòtesi que explica com diferents nervis, tots els quals utilitzen els mateixos principis fisiològics per transmetre impulsos al llarg dels seus axons, són capaços de generar diferents sensacions. Els nervis estructuralment similars poden generar diferents percepcions sensorials si estan connectats a neurones úniques del sistema nerviós central que són capaços de descodificar senyals nerviosos similars de diferents maneres.
Imatge #1
Aquest model és computacionalment similar a la codificació neuronal, basada en correlacions creuades sense restriccions de sons que arriben a les dues orelles.
També hi ha un model que suggereix que la localització del so es pot modelar a partir de diferències en la velocitat de resposta de determinades poblacions de neurones de diferents hemisferis del cervell, és a dir. model d'asimetria interhemisfèrica (1V).
Fins ara, era difícil afirmar sense ambigüitats quina de les dues teories (models) és correcta, atès que cadascuna d'elles prediu diferents dependències de la localització del so de la intensitat del so.
En l'estudi que estem analitzant avui, els investigadors van decidir combinar ambdós models per entendre si la percepció dels sons es basa en la codificació neuronal o en diferències en la resposta de les poblacions neuronals individuals. Es van realitzar diversos experiments en els quals van participar persones d'entre 18 i 27 anys (5 dones i 7 homes). L'audiometria dels participants (una mesura de l'agudesa auditiva) va ser de 25 dB o més entre 250 i 8000 Hz. El participant en els experiments es va col·locar en una sala insonoritzada, en la qual es van col·locar equips especials, calibrats amb gran precisió. Els participants havien d'indicar, en sentir un senyal sonor, la direcció d'on venia.
Resultats de l'estudi
Per avaluar la dependència lateralització* l'activitat cerebral a partir de la intensitat del so en resposta a les neurones etiquetades, es van utilitzar dades sobre la velocitat de reacció de les neurones al nucli laminar del cervell del mussol.
Lateralitat* - asimetria de les meitats esquerra i dreta del cos.
Per avaluar la dependència de la lateralització de l'activitat cerebral de la velocitat de reacció de determinades poblacions de neurones, es van utilitzar dades de l'activitat del col·licul inferior del cervell del mico rhesus, després de les quals es van calcular addicionalment les diferències en la velocitat de les neurones de diferents hemisferis. .
El model de línia marcada de neurones detectores prediu que a mesura que disminueix la intensitat del so, la lateralitat de la font percebuda convergirà a valors mitjans similars a la proporció de sons suaus i forts (1S).
El model d'asimetria hemisfèrica, al seu torn, suggereix que a mesura que la intensitat del so disminueix fins a nivells propers al llindar, la lateralitat percebuda es desplaçarà cap a la línia mitjana.1D).
A una intensitat de so global més alta, s'espera que la lateralització sigui invariant d'intensitat (insercions a 1S и 1D).
Per tant, analitzar com la intensitat del so afecta la direcció percebuda del so ens permet determinar amb precisió la naturalesa dels processos que ocorren en aquell moment: neurones de la mateixa àrea general o neurones de diferents hemisferis.
És evident que la capacitat d'una persona per discriminar ITD pot variar segons la intensitat del so. Tanmateix, els científics diuen que és difícil interpretar les troballes anteriors que vinculen la sensibilitat amb l'ITD i el judici dels oients sobre la direcció de la font de so en funció de la intensitat del so. Alguns estudis diuen que quan la intensitat del so arriba a un llindar límit, la lateralitat percebuda de la font disminueix. Altres estudis suggereixen que no hi ha cap efecte de la intensitat sobre la percepció.
En altres paraules, els científics estan insinuant "suaument" que hi ha poca informació a la literatura sobre la relació entre ITD, la intensitat del so i la determinació de la direcció de la seva font. Hi ha teories que existeixen com una mena d'axiomes, generalment acceptades per la comunitat científica. Per això, es va decidir provar en detall totes les teories, models i possibles mecanismes de percepció auditiva a la pràctica.
El primer experiment es va basar en un paradigma psicofísic que va permetre l'estudi de la lateralització basada en ITD en funció de la intensitat del so en un grup de deu participants amb audició normal.
Imatge #2
Les fonts sonores es van ajustar específicament per cobrir la major part del rang de freqüències dins del qual els humans són capaços de detectar ITD, és a dir. de 300 a 1200 Hz (2A).
En cada assaig, l'oient havia d'indicar la lateralitat percebuda, mesurada en funció del nivell de sensació, en un rang de valors d'ITD de 375 a 375 ms. Per determinar l'efecte de la intensitat del so, es va utilitzar un model d'efectes mixtos no lineals (NMLE) que incloïa tant la intensitat del so fixa com aleatòria.
Programar 2V demostra una lateralització estimada amb un soroll espectralment pla a dues intensitats de so per a un oient representatiu. I l'horari 2S mostra les dades en brut (cercles) i el model NMLE ajustat (línies) de tots els oients.
Taula 1
La taula anterior mostra tots els paràmetres NLME. Es pot veure que la lateralitat percebuda augmentava amb l'augment de l'ITD, tal com esperaven els científics. A mesura que la intensitat del so va disminuir, la percepció es va desplaçar cada cop més cap a la línia mitjana (insert al gràfic 2C).
Aquestes tendències van ser recolzades pel model NLME, que va mostrar efectes significatius de la ITD i la intensitat del so sobre el grau màxim de lateralitat, donant suport al model de diferències interhemisfèriques.
A més, els llindars audiomètrics mitjans per als tons purs van tenir poc efecte sobre la lateralitat percebuda. Però la intensitat del so no va afectar significativament els indicadors de les funcions psicomètriques.
L'objectiu principal del segon experiment va ser determinar com canviarien els resultats obtinguts en l'experiment anterior tenint en compte les característiques espectrals dels estímuls (sons). La necessitat de provar el soroll espectralment pla a baixa intensitat del so és que algunes parts de l'espectre poden no ser audibles i això pot afectar la determinació de la direcció del so. En conseqüència, els resultats del primer experiment es poden confondre erròniament amb el fet que l'amplada de la part audible de l'espectre pot disminuir amb la disminució de la intensitat del so.
Per tant, es va decidir fer un altre experiment, però fent servir el contrari Ponderat A* soroll
Pesatge A* aplicat als nivells sonors per tenir en compte la sonoritat relativa percebuda per l'oïda humana, ja que l'oïda és menys sensible a les freqüències sonores baixes. La ponderació A s'implementa afegint aritmèticament una taula de valors llistats en bandes d'octava als nivells de pressió sonora mesurats en dB.
Al gràfic 2D mostra les dades en brut (cercles) i les dades ajustades al model NMLE (línies) de tots els participants de l'experiment.
L'anàlisi de les dades va mostrar que quan totes les parts del so són aproximadament igual d'audibles (tant en el primer com en el segon assaig), la lateralitat percebuda i el pendent del gràfic que explica el canvi de lateralitat amb ITD disminueixen amb la disminució de la intensitat del so.
Així, els resultats del segon experiment van confirmar els resultats del primer. És a dir, a la pràctica s'ha demostrat que el model proposat l'any 1948 per Jeffress no és correcte.
Resulta que la localització del so empitjora a mesura que disminueix la intensitat del so, i Jeffress creia que els humans perceben i processen els sons de la mateixa manera, independentment de la seva intensitat.
Per a un coneixement més detallat dels matisos de l'estudi, recomano mirar .
Epíleg
Els supòsits teòrics i els experiments pràctics que els confirmen han demostrat que les neurones cerebrals dels mamífers s'activen a diferents ritmes depenent de la direcció del senyal sonor. Aleshores, el cervell compara aquestes velocitats entre totes les neurones implicades en el procés per construir de forma dinàmica un mapa de l'entorn sonor.
En realitat, el model de Jeffresson no és 100% incorrecte, ja que es pot utilitzar per descriure perfectament la localització de la font sonora en mussols. Sí, per als mussols no importa la intensitat del so; en tot cas, ells determinaran la posició de la seva font. Tanmateix, aquest model no funciona amb micos rhesus, com han demostrat experiments anteriors. Per tant, aquest model de Jeffresson no pot descriure la localització dels sons per a tots els éssers vius.
Els experiments amb participants humans han confirmat una vegada més que la localització del so es produeix de manera diferent en diferents organismes. Molts dels participants no van poder determinar correctament la posició de la font de senyals sonores a causa de la baixa intensitat dels sons.
Els científics creuen que el seu treball mostra certes similituds entre com veiem i com escoltem. Tots dos processos estan associats amb la velocitat de les neurones en diferents parts del cervell, així com amb la valoració d'aquesta diferència per determinar tant la posició dels objectes que veiem a l'espai com la posició de la font del so que sentim.
En el futur, els investigadors realitzaran una sèrie d'experiments per examinar amb més detall la connexió entre l'oïda humana i la visió, cosa que ens permetrà entendre millor com el nostre cervell construeix de manera dinàmica un mapa del món que ens envolta.
Gràcies per la vostra atenció, sigueu curiosos i que passeu una bona setmana a tots! 🙂
Gràcies per quedar-te amb nosaltres. T'agraden els nostres articles? Vols veure més contingut interessant? Doneu-nos suport fent una comanda o recomanant als amics, , 30% de descompte per als usuaris d'Habr en un únic anàleg de servidors d'entrada, que hem inventat per a tu: (disponible amb RAID1 i RAID10, fins a 24 nuclis i fins a 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 vegades més barat? Només aquí als Països Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - a partir de 99 $! Llegeix sobre
Font: www.habr.com