Die Welt um uns herum ist voller Informationen, die unser Gehirn ununterbrochen verarbeitet. Diese Informationen erhält es über die Sinne, von denen jeder seinen Teil zu den Signalen beiträgt: Augen (Sehen), Zunge (Geschmack), Nase (Geruch), Haut (Tastsinn), Gleichgewichtsorgan (Gleichgewicht, räumliche Lage und Gewichtsempfinden) und Ohren (Schall). Indem es die Signale aller dieser Sinne zusammenführt, kann unser Gehirn ein präzises Bild der Umgebung aufbauen. Doch sind uns nicht alle Aspekte der Verarbeitung äußerer Signale bekannt. Ein solches Rätsel ist der Mechanismus der Lokalisierung von Klangquellen.
Wissenschaftler aus dem Labor für Neuroengineering von Sprache und Hören (Technologisches Institut von New Jersey) haben ein neues Modell des neuronalen Prozesses zur Lokalisierung von Geräuschen vorgeschlagen. Welche Prozesse genau im Gehirn ablaufen, während wir Klang wahrnehmen, wie unser Gehirn die Position einer Klangquelle versteht und wie diese Forschung im Kampf gegen Hörschäden helfen kann. Darüber werden wir im Bericht der Forschungsgruppe mehr erfahren. Lassen Sie uns beginnen.
Grundlage der Forschung
Die Informationen, die unser Gehirn von den Sinnesorganen erhält, unterscheiden sich sowohl hinsichtlich der Quelle als auch der Verarbeitung. Einige Signale erreichen unser Gehirn sofort in präziser Form, während andere zusätzliche Verarbeitungsprozesse benötigen. Grob gesagt, Berührungen spüren wir sofort, während wir bei einem Geräusch zunächst herausfinden müssen, woher es kommt.
Die Grundlage für die Lokalisierung von Geräuschen in der horizontalen Ebene ist interaural der Zeitunterschied (ITD von interaural time difference) der Geräusche, die die Ohren des Hörers erreichen.
Die interaurale Basis ist der Abstand zwischen den Ohren.
Im Gehirn gibt es einen bestimmten Bereich (mediale obere Olive oder MVO), der für diesen Prozess verantwortlich ist. Bei der Empfang von Schallsignalen erfolgt in der MVO die Umwandlung der interauralen Zeitunterschiede in die Reaktionsgeschwindigkeit der Neuronen. Die Form der Ausgangssignalgeschwindigkeitskurven der MVO als Funktion der ITD ähnelt der Form der Kreuzkorrelationsfunktion der Eingangssignale für jedes Ohr.
Die Art und Weise, wie Informationen im MBO verarbeitet und interpretiert werden, bleibt unklar, was zu mehreren widersprüchlichen Theorien führt. Die bekannteste und klassischste Theorie der Schalllokalisation ist das Modell von Jeffress (Lloyd A. Jeffress). Sie basiert auf einer markierten Linie* von Neuronen-Detektoren, die empfindlich auf die binaurale Synchronität der neuronalen Eingangssignale aus jedem Ohr reagieren, wobei jedes Neuron am empfindlichsten auf eine bestimmte ITD-Größe reagiert (1A).
Prinzip der markierten Linie* — eine Hypothese, die erklärt, wie verschiedene Nerven, die alle dieselben physiologischen Prinzipien bei der Übertragung von Impulsen entlang ihrer Axone verwenden, unterschiedliche Empfindungen erzeugen können. Strukturell ähnliche Nerven können verschiedene sensorische Wahrnehmungen erzeugen, wenn sie mit einzigartigen Neuronen im zentralen Nervensystem verbunden sind, die in der Lage sind, ähnliche neuronale Signale auf unterschiedliche Weise zu dekodieren.
Abbildung Nr. 1
Dieses Modell ähnelt in rechnerischer Hinsicht der neuronalen Kodierung, die auf unbegrenzten wechselseitigen Korrelationen von Geräuschen basiert, die beide Ohren erreichen.
Es gibt auch ein Modell, das annimmt, dass die Lokalisation von Schall auf der Grundlage von Reaktionsgeschwindigkeitsunterschieden bestimmter Neuronengruppen aus verschiedenen Gehirnhälften modelliert werden kann, d.h. das Modell der interhemisphärischen Asymmetrie.1V).
Bisher war es schwierig, eindeutig zu bestimmen, welches der beiden Theorien (Modelle) richtig ist, da jede von ihnen unterschiedliche Abhängigkeiten der Schalllokalisation von der Lautstärke vorhersagt.
In der heutigen Untersuchung haben die Wissenschaftler beschlossen, beide Modelle zu kombinieren, um zu verstehen, ob die Wahrnehmung von Klängen auf neuronaler Kodierung oder auf der unterschiedlichen Reaktion einzelner neuronaler Populationen basiert. Es wurden mehrere Experimente durchgeführt, an denen Menschen im Alter von 18 bis 27 Jahren (5 Frauen und 7 Männer) teilnahmen. Die Audiometrie (Messung des Hörvermögens) der Teilnehmer lag bei 25 dB oder höher im Frequenzbereich von 250 bis 8000 Hz. Die Versuchsteilnehmer wurden in einem schalldichten Raum platziert, in dem spezielle, hochpräzise kalibrierte Geräte vorhanden waren. Die Teilnehmer mussten, sobald sie ein akustisches Signal hörten, die Richtung angeben, aus der es kam.
Die Forschungsergebnisse
Zur Bewertung der Abhängigkeit Lateralisation* der Gehirnaktivität von der Lautstärke wurden die Reaktionszeiten der Neuronen im laminaran Kern des Gehirns der Schleiereule genutzt.
Lateralisierung* ist die Asymmetrie der linken und rechten Körperhälfte.
Um die Abhängigkeit der Lateralisierung der Gehirnaktivität von der Reaktionsgeschwindigkeit bestimmter Neuronengruppen zu bewerten, wurden Aktivitätsdaten des unteren Hügelganglions des Makaken verwendet. Anschließend wurden die Unterschiede in der Geschwindigkeit der Neuronen aus verschiedenen Hemisphären berechnet.
Das Modell der markierten Neuronendetektoren geht davon aus, dass bei verringerter Schallintensität die Lateralisierung der wahrgenommenen Quelle auf durchschnittliche Werte konvergiert, die für die Beziehung zwischen leisen und lauten Geräuschen ähnlich sind (1C).
Das Modell der interhemisphärischen Asymmetrie wiederum besagt, dass bei einer Verringerung der Schallintensität bis nahezu auf Schwellenwerte die wahrgenommene Lateralisierung zur Medianlinie verschoben wird (1D).
Bei höherer Gesamt-Schallintensität wird angenommen, dass die Lateralisierung invarianzunabhängig der Intensität ist (Einfügungen bei 1C und 1D).
Daher ermöglicht die Analyse, wie die Schallintensität die wahrgenommenen Richtungen beeinflusst, eine präzise Bestimmung der Natur der gerade ablaufenden Prozesse — Neuronen aus einem gemeinsamen Bereich oder Neuronen aus verschiedenen Hemisphären.
Es ist offensichtlich, dass die Fähigkeit eines Menschen, ITD zu differenzieren, je nach Lautstärke variieren kann. Wissenschaftler erklären jedoch, dass es schwierig ist, frühere Erkenntnisse zu interpretieren, die die Empfindlichkeit gegenüber ITD mit der Bewertung der Richtung einer Schallquelle durch den Zuhörer in Beziehung setzen, als Funktion der Lautstärke. Einige Studien zeigen, dass bei Erreichen der Lautstärke bis zu einer Grenze die wahrgenommene Lateralisierung der Quelle abnimmt. Andere Studien behaupten dagegen, dass es überhaupt keinen Einfluss der Lautstärke auf die Wahrnehmung gibt.
Mit anderen Worten, die Wissenschaftler deuten "sanft" darauf hin, dass in der Literatur nur wenige Informationen über die Beziehung zwischen ITD, Lautstärke und der Bestimmung der Richtung der Schallquelle vorhanden sind. Es gibt Theorien, die wie eine Art Axiom existieren und in der wissenschaftlichen Gemeinschaft anerkannt sind. Daher wurde beschlossen, alle Theorien, Modelle und möglichen Mechanismen der Hörwahrnehmung detailliert praxisnah zu überprüfen.
Das erste Experiment wurde auf der Grundlage einer psychophysischen Paradigmen angewendet, die es ermöglichte, die Lateralisierung anhand der ITD als Funktion der Lautstärke in einer Gruppe von zehn normal hörenden Teilnehmern zu untersuchen.
Abbildung Nr. 2
Die Schallquellen wurden speziell so kalibriert, dass sie einen großen Frequenzbereich abdeckten, in dem Menschen fähig sind, die ITD zu erkennen, d.h. von 300 bis 1200 Hz (2A).
In jedem der Tests musste der Zuhörer die vermutete Lateralisierung angeben, gemessen als Funktion des Empfindungsniveaus, im ITD-Wertbereich von 375 bis 375 ms. Um den Einfluss der Lautstärke zu bestimmen, wurde ein nichtlineares gemischtes Effektmodell (NMLE) verwendet, das sowohl feste als auch zufällige Lautstärken berücksichtigte.
Diagramm 2B zeigt die geschätzte Lateralisierung mit spektral flachem Rauschen bei zwei Lautstärken für einen repräsentativen Zuhörer. Das Diagramm 2C zeigt die unverarbeiteten Daten (Punkte) und die an das NMLE-Modell angepassten (Linien) aller Zuhörer.
Tabelle Nr. 1
Die obige Tabelle zeigt alle NLME-Parameter. Es ist zu erkennen, dass die wahrgenommene Lateralisierung mit zunehmendem ITD anstieg, wie von den Wissenschaftlern erwartet. Mit abnehmender Lautstärke verschob sich die Wahrnehmung zunehmend zur Mittellinie (siehe Einfügung im Diagramm). 2C).
Diese Trends wurden durch das NLME-Modell gestützt, das einen signifikanten Einfluss von ITD und Lautstärke auf den maximalen Grad der Lateralisierung zeigte und das Modell der hemisphärischen Unterschiede bestätigte.
Zudem hatten die mittleren audiometrischen Schwellen für reine Töne einen geringfügigen Einfluss auf die wahrgenommene Lateralisierung. Allerdings hatte die Lautstärke keinen signifikanten Einfluss auf die Ergebnisse der psychometrischen Funktionen.
Das Hauptziel des zweiten Experiments bestand darin, festzustellen, wie sich die im vorherigen Experiment gewonnenen Ergebnisse ändern, wenn die spektralen Eigenschaften der Stimuli (Geräusche) berücksichtigt werden. Es ist notwendig, den spektral flachen Geräuschpegel bei niedriger Schallintensität zu überprüfen, da Teile des Spektrums möglicherweise nicht hörbar sind, was die Bestimmung der Schallrichtung beeinflussen kann. Daher könnte der Befund des ersten Experiments fälschlicherweise annehmen, dass die Breite des hörbaren Spektrums mit abnehmender Schallintensität abnehmen kann.
Deshalb wurde beschlossen, ein weiteres Experiment durchzuführen, jedoch mit rückwärtigem A-gewichteten* Geräuschen.
A-gewichtung* wird auf Schallpegel angewendet, um die relative Lautstärke zu berücksichtigen, die vom menschlichen Ohr wahrgenommen wird, da das Ohr weniger empfindlich auf niedrige Frequenzen reagiert. A-gewichtung wird durch die arithmetische Addition einer Tabelle von Werten, die in Oktavbändern aufgeführt sind, zu den gemessenen Schalldruckpegeln in dB realisiert.
Im Diagramm 2D Die Rohdaten (Punkte) und die an das NMLE-Modell angepassten Daten (Linien) aller Teilnehmer des Experiments werden angezeigt.
Die Analyse der Daten hat gezeigt, dass, wenn alle Schallteile ungefähr gleich hörbar sind (sowohl im ersten als auch im zweiten Experiment), die wahrgenommene Lateralität und die Neigung im Diagramm, das die Veränderung der Lateralität mit ITD erklärt, mit der Abnahme der Schallintensität abnehmen.
Daher bestätigten die Ergebnisse des zweiten Experiments die Ergebnisse des ersten. Praktisch wurde gezeigt, dass das von Jeffress im Jahr 1948 vorgeschlagene Modell nicht korrekt ist.
Es zeigt sich, dass die Lokalisierung von Geräuschen bei sinkender Schallintensität beeinträchtigt wird, während Jeffress annahm, dass Geräusche unabhängig von ihrer Intensität gleich wahrgenommen und verarbeitet werden.
Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Feinheiten der Forschung empfehle ich einen Blick in .
Epilog
Theoretical assumptions and supporting practical experiences have shown that the neurons in the brains of mammals are activated at different speeds depending on the direction of the sound signal. Subsequently, the brain compares these speeds among all the neurons involved in the process to dynamically construct a map of the auditory environment.
Jeffress's model is not actually 100% incorrect, as it can perfectly describe the localization of sound sources in owl species. Yes, for owls, sound intensity does not matter; they will determine the position of the source regardless. However, this model does not work with rhesus macaques, as shown by previously conducted experiments. Therefore, Jeffress's model cannot describe sound localization for all living beings.
Experiments involving humans have once again confirmed that sound localization occurs differently across various organisms. Many of the participants could not accurately determine the position of sound signal sources due to low sound intensity.
Wissenschaftler sind der Ansicht, dass ihre Arbeit eine gewisse Ähnlichkeit zwischen dem, wie wir sehen, und dem, wie wir hören, aufzeigt. Beide Prozesse sind mit der Geschwindigkeit von Neuronen in verschiedenen Teilen des Gehirns verbunden, sowie mit der Bewertung dieser Unterschiede zur Bestimmung sowohl der Position sichtbarerer Objekte im Raum als auch der Quelle des hörbaren Schalls.
In Zukunft planen die Forscher eine Reihe von Experimenten, um die Beziehung zwischen dem menschlichen Hören und Sehen detaillierter zu untersuchen, was es ermöglichen wird, besser zu verstehen, wie unser Gehirn dynamisch eine Karte der Umgebung erstellt.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und eine produktive Woche für alle! 🙂
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Quelle: habr.com
