Svět kolem nás je plný rozmanitých informací, které náš mozek neustále zpracovává. Tyto informace získáváme prostřednictvím smyslových orgánů, z nichž každý odpovídá za svůj podíl signálů: oči (zrak), jazyk (chuť), nos (čich), kůže (hmat), vestibulární aparát (rovnováha, poloha v prostoru a pocit váhy) a uši (zvuk). Sestavením signálů ze všech těchto orgánů může náš mozek vytvořit přesný obraz okolního prostředí. Ale daleko od všech aspektů zpracovávání vnějších signálů je nám známo. Jedním z těchto tajemství je mechanismus lokalizace zdrojů zvuků.
Vědci z laboratoře neuroinženýrství řeči a sluchu (technologický institut New Jersey) navrhli nový model neuronového procesu lokalizace zvuku. Jaké konkrétní procesy probíhají v mozku během vnímání zvuku, jak náš mozek chápe polohu zdroje zvuku a jak tato studie může pomoci v boji proti poruchám sluchu. O tom se dozvíme z zprávy výzkumné skupiny. Pojďme na to.
Základ výzkumu
Informace, které náš mozek získává ze smyslových orgánů, se liší jak z hlediska zdroje, tak z hlediska jejího zpracování. Některé signály se okamžitě objevují před naším mozkem jako přesné informace, jiné však vyžadují dodatečné výpočetní procesy. Zjednodušeně řečeno, dotyk cítíme okamžitě, zatímco při slyšení zvuku musíme ještě zjistit, odkud přichází.
Základem lokalizace zvuků v horizontální rovině je interaurální* rozdíl v čase (ITD od interaural time difference) zvuků, které dosahují uší posluchače.
Interaurální základna* je vzdálenost mezi ušima.
V mozku existuje určitá oblast (mediální horní oliva nebo MVO), která za tento proces odpovídá. V okamžiku, kdy je přijímán zvukový signál, dochází v MVO k transformaci interaurálních rozdílů v čase na rychlost reakce neuronů. Tvar křivky rychlosti výstupního signálu MVO jako funkce ITD připomíná tvar vzájemné korelační funkce vstupních signálů pro každé ucho.
Způsob, jakým je informace v MVO zpracovávána a interpretována, zůstává ne zcela jasný, což vedlo k několika poměrně kontroverzním teoriím. Nejznámější a v podstatě klasická teorie lokalizace zvuku je model Jeffresse (Lloyd A. Jeffress). Zakládá se na značkované linii* neuronů-detektorů, které jsou citlivé na binaurální synchronizaci neuronových vstupních signálů z každého ucha, přičemž každý neuron je nejcitlivější na konkrétní hodnotu ITD (1A).
Princip značkované linie* je hypotéza, která vysvětluje, jak různé nervy, všechny využívající stejné fyziologické principy při přenosu impulsů podél svých axonů, mohou vytvářet různé vjemy. Strukturovaně podobné nervy mohou generovat různé senzorické vnímání, pokud jsou spojeny s jedinečnými neurony v centrálním nervovém systému, které jsou schopny dekódovat podobné nervové signály různými způsoby.
Obrázek č. 1
Tento model má výpočetní podobu s neuronovým kódováním, které je založeno na neomezených vzájemných korelacích zvuků, které dosahují obou uší.
Existuje také model, který předpokládá, že lokalizace zvuku může být modelována na základě rozdílů ve rychlosti reakce určitých populací neuronů z různých hemisfér mozku, tj. model interhemisférické asymetrie (1A).
Dosud bylo obtížné jednoznačně tvrdit, která z těchto dvou teorií (modelů) je správná, vzhledem k tomu, že každá z nich předpovídá různé závislosti lokalizace zvuku na intenzitě zvuku.
V dnešním zkoumaném výzkumu se vědci rozhodli sloučit oba modely, aby pochopili, zda je vnímání zvuků založeno na neuronovém kódování nebo na rozdílu v reakci jednotlivých populací neuronů. Bylo provedeno několik experimentů, kterých se účastnili lidé ve věku od 18 do 27 let (5 žen a 7 mužů). Audiometrie (měření sluchové ostrosti) účastníků byla 25 dB nebo vyšší při frekvenci od 250 do 8000 Hz. Účastníci pokusů byli umístěni do zvukotěsné místnosti, kde bylo umístěno speciální vybavení, kalibrované s vysokou přesností. Účastníci měli, když zaslechli zvukový signál, indikovat směr, odkud vychází.
Výsledky výzkumu
Pro hodnocení závislosti laterality* mozkové aktivity na intenzitu zvuku byly použity údaje o rychlosti reakce neuronů v laminarě jádru mozku sýčka.
Laterálnost* — asymetrie levé a pravé poloviny těla.
Pro hodnocení závislosti laterality mozkové aktivity na rychlosti reakce určitých populací neuronů byly použity údaje o aktivitě dolního četverhranu mozku makaka rhesuse, po čemž byly dále spočteny rozdíly v rychlosti neuronů z různých hemisfér.
Model označené linie neuronů-detektorů předpokládá, že při snižování intenzity zvuku se laterálnost vnímaného zdroje bude blížit k průměrným hodnotám, které jsou podobné pro vztah tichých a hlasitých zvuků (1B).
Model hemisférické asymetrie pak předpokládá, že při snižování intenzity zvuku na téměř prahové úrovně se vnímaná laterálnost posune k střední linii (1C).
Při vyšší celkové intenzitě zvuku se předpokládá, že lateralizace bude invariantní podle intenzity (vložky na 1B a 1C).
Proto analýza toho, jak intenzita zvuku ovlivňuje vnímaný směr zvuku, umožňuje přesně určit povahu procesů probíhajících v daném okamžiku — neurony z jedné společné oblasti nebo neurony z různých hemisfér.
Je zřejmé, že schopnost člověka rozlišovat ITD může kolísat v závislosti na intenzitě zvuku. Vědci však uvádějí, že je dost obtížné interpretovat předchozí závěry týkající se citlivosti na ITD a posouzení směru zdroje zvuku posluchačem jako funkce intenzity zvuku. Některé studie uvádějí, že když intenzita zvuku dosáhne kritického prahu, vnímaná laterálnost zdroje klesá. Jiné studie tvrdí, že na vnímání intenzity vůbec žádný vliv nemá.
Jinými slovy, vědci „jemně“ naznačují, že v literatuře je poměrně málo informací týkajících se vztahu ITD, intenzity zvuku a určení směru jeho zdroje. Existují teorie, které existují jako jakési axiom, obecně přijímaný vědeckou komunitou. Proto bylo rozhodnuto podrobně prověřit všechny teorie, modely a možné mechanismy vnímání sluchu v praxi.
První experiment byl proveden na základě využití psychofyzikální paradigmy, což umožnilo studovat lateralizaci na základě ITD jako funkci intenzity zvuku ve skupině deseti normálně slyšících účastníků experimentu.
Obrázek č. 2
Zdroje zvuku byly speciálně nastaveny tak, aby pokrývaly většinu frekvenčního spektra, v rámci kterého lidé dokážou rozpoznat ITD, tj. od 300 do 1200 Hz (2A).
V každém z pokusů měl posluchač uvést předpokládanou lateralitu, měřenou jako funkci úrovně pocitů, v rozmezí hodnot ITD od 375 do 375 ms. K určení vlivu intenzity zvuku se používal nelineární model smíšeného efektu (NMLE), který zahrnoval jak fixní, tak náhodnou intenzitu zvuku.
Graf 2V ukazuje odhadovanou lateralizaci se spektrálně plochým šumem při dvou intenzitách zvuku pro reprezentativního posluchače. A graf 2C ukazuje neupravená data (kruhy) a data přizpůsobená modelu NMLE (čáry) všech posluchačů.
Tabulka č. 1
Tabulka výše ukazuje všechny parametry NLME. Je patrné, že vnímaná lateralita vzrůstala se zvyšujícím se ITD, jak očekávali vědci. Se snížením intenzity zvuku se vnímání stále více posouvalo směrem k střední linii (vložení v grafu 2C).
Tyto trendy byly potvrzeny modelem NLME, který ukázal významný vliv ITD a intenzity zvuku na maximální úroveň lateriality, potvrzující model mezihemisferických rozdílů.
Kromě toho měl zanedbatelný vliv na vnímanou lateralitu průměrný audiometrický práh čistých tónů. Intenzita zvuku pak výrazně neovlivnila výsledky psychometrických funkcí.
Hlavním cílem druhého experimentu bylo zjistit, jak se výsledky z předchozího experimentu změní s ohledem na spektrální vlastnosti podnětů (zvuků). Nezbytnost ověření spektrálně plochého šumu při nízké intenzitě zvuku spočívá v tom, že části spektra nemusí být slyšitelné, což může ovlivnit určení směru zvuku. Tím pádem se jako výsledky prvního experimentu může omylem považovat fakt, že šířka slyšitelné části spektra se může zmenšovat s klesající intenzitou zvuku.
Proto bylo rozhodnuto provést ještě jeden pokus, ale již s použitím zpětně A-vážených* hluků.
A-vážením* se rozumí aplikace na úrovně zvuku, aby se zohlednila relativní hlasitost vnímaná lidským uchem, jelikož ucho je méně citlivé na nízké zvukové frekvence. A-vážení se realizuje aritmetickým přidáváním hodnot uvedených v oktávových pásmech k naměřeným úrovním zvukového tlaku v dB.
Na grafu 2D jsou zobrazeny nezpracované údaje (kruhy) a modelu NMLE přizpůsobené údaje (čáry) všech účastníků experimentu.
Analýza dat ukázala, že když jsou všechny části zvuku přibližně stejně slyšitelné (jak v prvním, tak ve druhém experimentu), vnímaná lateralita a sklon na grafu, který vysvětluje změnu laterality s ITD, se s poklesem intenzity zvuku snižují.
Takže výsledky druhého experimentu potvrdily výsledky prvního. Tedy v praxi bylo prokázáno, že model navržený Jeffressem již v roce 1948 není správný.
Z toho vyplývá, že lokalizace zvuků se zhoršuje při snižující se intenzitě zvuku, zatímco Jeffress považoval, že zvuky jsou vnímány a zpracovávány člověkem stejně bez ohledu na jejich intenzitu.
Pro podrobnější seznámení se s nuancemi výzkumu doporučuji nahlédnout do .
Epilog
Teoretické předpoklady a potvrzující praktické pokusy ukázaly, že neurony v mozku savců se aktivují různou rychlostí v závislosti na směru zvukového signálu. Následně mozek porovnává tyto rychlosti mezi všemi neurony zapojenými do procesu, aby dynamicky vytvořil mapu zvukového prostředí.
Model Jeffressona není zcela chybná, protože může perfektně popsat lokalizaci zdroje zvuku u sýčků. Ano, pro sýčky intenzita zvuku nehraje roli, i tak určí polohu jeho zdroje. Tato model však neplatí pro makaky rhesus, jak ukázaly dříve provedené pokusy. Proto model Jeffressona nemůže popsat lokalizaci zvuků pro všechny živé bytosti.
Experimenty s účastníky prokázaly, že lokalizace zvuků probíhá u různých organismů různě. Mnoho účastníků nebylo schopno správně určit polohu zdroje zvukových signálů kvůli nízké intenzitě zvuků.
Vědci se domnívají, že jejich práce ukazuje určitou podobnost mezi tím, jak vidíme a jak slyšíme. Oba procesy souvisejí se rychlostí neuronů v různých částech mozku, stejně jako s hodnocením tohoto rozdílu za účelem určení polohy jak viditelných předmětů v prostoru, tak zdroje slyšeného zvuku.
V budoucnu plánují výzkumníci provést řadu experimentů, aby podrobněji prozkoumali spojení mezi sluchem a zrakem člověka, což umožní lépe pochopit, jakým způsobem náš mozek dynamicky vytváří mapu okolního světa.
Děkuji za pozornost, zůstávejte zvědaví a přeji všem dobrý pracovní týden, kamarádi! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavých materiálů? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením známým, , 30 % sleva pro uživatele Habra na jedinečný analog entry-level serverů, který jsme pro vás vymysleli: (k dispozici varianty s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40GB DDR4).
Dell R730xd za polovinu ceny? Jen u nás v Nizozemsku! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Čtěte o tom
Zdroj: habr.com
