Verden omkring os er fyldt med alle slags informationer, som vores hjerne løbende bearbejder. Han modtager denne information gennem sanseorganer, som hver især er ansvarlige for sin andel af signaler: øjne (syn), tunge (smag), næse (lugt), hud (berøring), vestibulære apparater (balance, position i rummet og sans for vægt) og ører (lyd). Ved at kombinere signaler fra alle disse organer kan vores hjerne opbygge et præcist billede af vores miljø. Men ikke alle aspekter af behandling af eksterne signaler er kendt af os. En af disse hemmeligheder er mekanismen til lokalisering af lydkilden.
Forskere fra Laboratory of Neuroengineering of Speech and Hearing (New Jersey Institute of Technology) har foreslået en ny model for den neurale proces med lydlokalisering. Hvilke præcise processer sker der i hjernen under perceptionen af lyd, hvordan vores hjerne forstår lydkildens position, og hvordan denne forskning kan hjælpe i kampen mod høreskader. Det lærer vi om fra forskningsgruppens rapport. Gå.
Forskningsgrundlag
Den information, vores hjerne modtager fra vores sanser, adskiller sig fra hinanden, både med hensyn til dens kilde og med hensyn til dens behandling. Nogle signaler vises umiddelbart for vores hjerne som nøjagtig information, mens andre kræver yderligere beregningsprocesser. Groft sagt mærker vi en berøring med det samme, men når vi hører en lyd, skal vi stadig finde ud af, hvor den kommer fra.
Grundlaget for lokalisering af lyde i det vandrette plan er interaural* tidsforskel (ITD fra interaural tidsforskel) lyde når lytterens ører.
Interaural base* - afstand mellem ørerne.
Der er et specifikt område i hjernen (den mediale overlegne oliven eller MSO), der er ansvarlig for denne proces. I det øjeblik lydsignalet modtages i MVO, konverteres interaurale tidsforskelle til neuronernes reaktionshastighed. Formen af MBO-udgangshastighedskurverne som funktion af ITD ligner formen af krydskorrelationsfunktionen af inputsignalerne for hvert øre.
Hvordan information behandles og fortolkes i MBO er stadig ikke helt klart, hvorfor der er flere meget modstridende teorier. Den mest berømte og faktisk klassiske teori om lydlokalisering er Jeffress-modellen (Lloyd A. Jeffress). Det er baseret på markeret linje* detektorneuroner, der er følsomme over for binaural synkronisering af neurale input fra hvert øre, hvor hver neuron er maksimalt følsom over for en vis mængde ITD (1А).
Markeret linje princip* er en hypotese, der forklarer, hvordan forskellige nerver, som alle bruger de samme fysiologiske principper til at transmittere impulser langs deres axoner, er i stand til at generere forskellige fornemmelser. Strukturelt lignende nerver kan generere forskellige sanseopfattelser, hvis de er forbundet med unikke neuroner i centralnervesystemet, som er i stand til at afkode lignende nervesignaler på forskellige måder.
Billede #1
Denne model ligner beregningsmæssigt neural kodning, baseret på ubegrænsede krydskorrelationer af lyde, der når begge ører.
Der er også en model, der tyder på, at lydlokalisering kan modelleres ud fra forskelle i responshastigheden for visse populationer af neuroner fra forskellige hjernehalvdele, dvs. model for interhemisfærisk asymmetri (1V).
Indtil nu har det været vanskeligt entydigt at angive, hvilken af de to teorier (modeller) der er korrekte, da hver af dem forudsiger forskellige afhængigheder af lydlokalisering af lydintensitet.
I den undersøgelse, vi kigger på i dag, besluttede forskerne at kombinere begge modeller for at forstå, om opfattelsen af lyde er baseret på neural kodning eller på forskelle i responsen fra individuelle neurale populationer. Der blev udført flere eksperimenter, hvor personer i alderen 18 til 27 år (5 kvinder og 7 mænd) deltog. Deltagernes audiometri (en måling af hørestyrke) var 25 dB eller højere mellem 250 og 8000 Hz. Deltageren i forsøgene blev placeret i et lydisoleret rum, hvori der var anbragt specialudstyr, kalibreret med høj nøjagtighed. Deltagerne skulle, efter at have hørt et lydsignal, angive, hvilken retning det kom fra.
Forskningsresultater
At vurdere afhængighed lateralisering* hjerneaktivitet fra lydintensitet som reaktion på mærkede neuroner, blev data om reaktionshastigheden af neuroner i den laminære kerne af perleuglehjernen brugt.
Lateralitet* - asymmetri af venstre og højre halvdel af kroppen.
For at vurdere afhængigheden af lateraliseringen af hjerneaktivitet af reaktionshastigheden af visse populationer af neuroner, blev data fra aktiviteten af den inferior colliculus af rhesusabehjernen brugt, hvorefter forskelle i hastigheden af neuroner fra forskellige hemisfærer blev beregnet yderligere. .
Den markerede linjemodel af detektorneuroner forudsiger, at når lydintensiteten falder, vil lateraliteten af den opfattede kilde konvergere til middelværdier svarende til forholdet mellem bløde og høje lyde (1С).
Den hemisfæriske asymmetrimodel antyder til gengæld, at når lydintensiteten falder til tæt på tærskelniveauer, vil den opfattede lateralitet skifte mod midtlinjen (1D).
Ved højere samlet lydintensitet forventes lateralisering at være intensitetsinvariant (indsat i 1С и 1D).
Derfor giver analysen af, hvordan lydintensiteten påvirker den opfattede retning af lyd, os til præcist at bestemme arten af de processer, der forekommer i det øjeblik - neuroner fra det samme generelle område eller neuroner fra forskellige halvkugler.
Det er klart, at en persons evne til at skelne mellem ITD kan variere afhængigt af lydintensiteten. Forskerne siger dog, at det er svært at fortolke tidligere fund, der forbinder følsomhed med ITD og lytteres vurdering af lydkildens retning som en funktion af lydintensiteten. Nogle undersøgelser siger, at når lydintensiteten når en grænsetærskel, falder den opfattede lateralitet af kilden. Andre undersøgelser tyder på, at der overhovedet ikke er nogen effekt af intensitet på perception.
Med andre ord antyder forskere "forsigtigt" at der er lidt information i litteraturen om forholdet mellem ITD, lydintensitet og bestemmelse af retningen af dens kilde. Der er teorier, der eksisterer som en slags aksiomer, generelt accepteret af det videnskabelige samfund. Derfor blev det besluttet i detaljer at teste alle teorier, modeller og mulige mekanismer for høreopfattelse i praksis.
Det første eksperiment var baseret på et psykofysisk paradigme, der tillod studiet af ITD-baseret lateralisering som funktion af lydintensitet i en gruppe på ti normalthørende deltagere.
Billede #2
Lydkilderne var specifikt indstillet til at dække det meste af det frekvensområde, inden for hvilket mennesker er i stand til at detektere ITD, dvs. fra 300 til 1200 Hz (2А).
Ved hvert forsøg skulle lytteren angive opfattet lateralitet, målt som en funktion af sensationsniveau, over et interval af ITD-værdier fra 375 til 375 ms. For at bestemme effekten af lydintensitet blev der brugt en ikke-lineær mixed effects model (NMLE), der inkluderede både fast og tilfældig lydintensitet.
Planlæg 2V demonstrerer estimeret lateralisering med spektralt flad støj ved to lydintensiteter for en repræsentativ lytter. Og tidsplanen 2С viser rådata (cirkler) og den tilpassede NMLE-model (linjer) for alle lyttere.
Tabel 1
Tabellen ovenfor viser alle NLME-parametre. Det kan ses, at den opfattede lateralitet steg med stigende ITD, som forskerne forventede. Efterhånden som lydintensiteten faldt, skiftede opfattelsen mere og mere mod midterlinjen (indsat i grafen 2C).
Disse tendenser blev understøttet af NLME-modellen, som viste signifikante effekter af ITD og lydintensitet på maksimal grad af lateralitet, hvilket understøttede modellen for interhemisfæriske forskelle.
Derudover havde gennemsnitlige audiometriske tærskler for rene toner ringe effekt på opfattet lateralitet. Men lydintensiteten påvirkede ikke indikatorerne for psykometriske funktioner signifikant.
Hovedformålet med det andet eksperiment var at bestemme, hvordan resultaterne opnået i det foregående eksperiment ville ændre sig, når man tager de spektrale træk ved stimuli (lyde) i betragtning. Behovet for at teste for spektralt flad støj ved lav lydintensitet er, at dele af spektret muligvis ikke er hørbare, og dette kan påvirke bestemmelsen af lydretningen. Følgelig kan resultaterne af det første eksperiment fejlagtigt forveksles med det faktum, at bredden af den hørbare del af spektret kan falde med faldende lydintensitet.
Derfor blev det besluttet at udføre endnu et eksperiment, men ved at bruge det omvendte A-vægtet* støj
A-vejning* anvendt på lydniveauer for at tage højde for den relative lydstyrke, som det menneskelige øre opfatter, da øret er mindre følsomt over for lave lydfrekvenser. A-vægtning implementeres ved aritmetisk at tilføje en tabel med værdier opført i oktavbånd til de målte lydtrykniveauer i dB.
På diagrammet 2D viser rådata (cirkler) og NMLE modeltilpassede data (linjer) fra alle deltagere i forsøget.
Analyse af dataene viste, at når alle dele af lyden er omtrent lige hørbare (både i det første og i det andet forsøg), falder den opfattede lateralitet og hældningen i grafen, der forklarer ændringen i lateralitet med ITD, med faldende lydintensitet.
Således bekræftede resultaterne af det andet eksperiment resultaterne af det første. Det vil sige, at det i praksis har vist sig, at den model, som Jeffress foreslog tilbage i 1948, ikke er korrekt.
Det viser sig, at lydlokalisering forværres, når lydintensiteten falder, og Jeffress mente, at lyde opfattes og bearbejdes af mennesker på samme måde, uanset deres intensitet.
For et mere detaljeret bekendtskab med nuancerne i undersøgelsen, anbefaler jeg at se på .
Epilog
Teoretiske antagelser og praktiske eksperimenter, der bekræfter dem, har vist, at hjerneneuroner hos pattedyr aktiveres med forskellige hastigheder afhængigt af retningen af lydsignalet. Hjernen sammenligner derefter disse hastigheder mellem alle neuroner involveret i processen for dynamisk at bygge et kort over lydmiljøet.
Jeffressons model er faktisk ikke 100% forkert, da den kan bruges til perfekt at beskrive lokaliseringen af lydkilden hos krudtugler. Ja, for perleugler er intensiteten af lyden ligegyldig; under alle omstændigheder vil de bestemme placeringen af dens kilde. Denne model virker dog ikke med rhesusaber, som tidligere forsøg har vist. Derfor kan denne Jeffresson-model ikke beskrive lokaliseringen af lyde for alle levende ting.
Eksperimenter med menneskelige deltagere har endnu en gang bekræftet, at lydlokalisering forekommer forskelligt i forskellige organismer. Mange af deltagerne var ikke i stand til korrekt at bestemme placeringen af lydsignalkilden på grund af lydens lave intensitet.
Forskere mener, at deres arbejde viser visse ligheder mellem, hvordan vi ser, og hvordan vi hører. Begge processer er forbundet med hastigheden af neuroner i forskellige dele af hjernen, såvel som med vurderingen af denne forskel for at bestemme både positionen af de objekter, vi ser i rummet, og positionen af kilden til den lyd, vi hører.
I fremtiden skal forskerne udføre en række eksperimenter for at undersøge sammenhængen mellem menneskelig hørelse og syn mere detaljeret, hvilket vil give os mulighed for bedre at forstå, hvordan præcis vores hjerne dynamisk bygger et kort over verden omkring os.
Tak fordi du læste med, bliv nysgerrig og hav en god uge gutter! 🙂
Tak fordi du blev hos os. Kan du lide vores artikler? Vil du se mere interessant indhold? Støt os ved at afgive en ordre eller anbefale til venner, , 30% rabat til Habr-brugere på en unik analog af entry-level servere, som er opfundet af os til dig: (tilgængelig med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gange billigere? Kun her i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Læse om
Kilde: www.habr.com