Die Welt um uns herum ist voller Informationen, die unser Gehirn ununterbrochen verarbeitet. Diese Informationen erhĂ€lt es ĂŒber die Sinne, von denen jeder seinen Teil zu den Signalen beitrĂ€gt: Augen (Sehen), Zunge (Geschmack), Nase (Geruch), Haut (Tastsinn), Gleichgewichtsorgan (Gleichgewicht, rĂ€umliche Lage und Gewichtsempfinden) und Ohren (Schall). Indem es die Signale aller dieser Sinne zusammenfĂŒhrt, kann unser Gehirn ein prĂ€zises Bild der Umgebung aufbauen. Doch sind uns nicht alle Aspekte der Verarbeitung Ă€uĂerer Signale bekannt. Ein solches RĂ€tsel ist der Mechanismus der Lokalisierung von Klangquellen.
Wissenschaftler aus dem Labor fĂŒr Neuroengineering von Sprache und Hören (Technologisches Institut von New Jersey) haben ein neues Modell des neuronalen Prozesses zur Lokalisierung von GerĂ€uschen vorgeschlagen. Welche Prozesse genau im Gehirn ablaufen, wĂ€hrend wir Klang wahrnehmen, wie unser Gehirn die Position einer Klangquelle versteht und wie diese Forschung im Kampf gegen HörschĂ€den helfen kann. DarĂŒber werden wir im Bericht der Forschungsgruppe mehr erfahren. Lassen Sie uns beginnen.
Grundlage der Forschung
Die Informationen, die unser Gehirn von den Sinnesorganen erhĂ€lt, unterscheiden sich sowohl hinsichtlich der Quelle als auch der Verarbeitung. Einige Signale erreichen unser Gehirn sofort in prĂ€ziser Form, wĂ€hrend andere zusĂ€tzliche Verarbeitungsprozesse benötigen. Grob gesagt, BerĂŒhrungen spĂŒren wir sofort, wĂ€hrend wir bei einem GerĂ€usch zunĂ€chst herausfinden mĂŒssen, woher es kommt.
Die Grundlage fĂŒr die Lokalisierung von GerĂ€uschen in der horizontalen Ebene ist interaural der Zeitunterschied (ITD von interaural time difference) der GerĂ€usche, 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 fĂŒr 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 Ă€hnelt der Form der Kreuzkorrelationsfunktion der Eingangssignale fĂŒr jedes Ohr.
Die Art und Weise, wie Informationen im MBO verarbeitet und interpretiert werden, bleibt unklar, was zu mehreren widersprĂŒchlichen Theorien fĂŒhrt. 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 SynchronitĂ€t der neuronalen Eingangssignale aus jedem Ohr reagieren, wobei jedes Neuron am empfindlichsten auf eine bestimmte ITD-GröĂe reagiert (1A).
Prinzip der markierten Linie* â eine Hypothese, die erklĂ€rt, wie verschiedene Nerven, die alle dieselben physiologischen Prinzipien bei der Ăbertragung von Impulsen entlang ihrer Axone verwenden, unterschiedliche Empfindungen erzeugen können. Strukturell Ă€hnliche Nerven können verschiedene sensorische Wahrnehmungen erzeugen, wenn sie mit einzigartigen Neuronen im zentralen Nervensystem verbunden sind, die in der Lage sind, Ă€hnliche neuronale Signale auf unterschiedliche Weise zu dekodieren.
Abbildung Nr. 1
Dieses Modell Àhnelt in rechnerischer Hinsicht der neuronalen Kodierung, die auf unbegrenzten wechselseitigen Korrelationen von GerÀuschen 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 GehirnhÀlften modelliert werden kann, d.h. das Modell der interhemisphÀrischen Asymmetrie.1V).
Bisher war es schwierig, eindeutig zu bestimmen, welches der beiden Theorien (Modelle) richtig ist, da jede von ihnen unterschiedliche AbhÀngigkeiten der Schalllokalisation von der LautstÀrke vorhersagt.
In der heutigen Untersuchung haben die Wissenschaftler beschlossen, beide Modelle zu kombinieren, um zu verstehen, ob die Wahrnehmung von KlĂ€ngen auf neuronaler Kodierung oder auf der unterschiedlichen Reaktion einzelner neuronaler Populationen basiert. Es wurden mehrere Experimente durchgefĂŒhrt, an denen Menschen im Alter von 18 bis 27 Jahren (5 Frauen und 7 MĂ€nner) 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, hochprĂ€zise kalibrierte GerĂ€te vorhanden waren. Die Teilnehmer mussten, sobald sie ein akustisches Signal hörten, die Richtung angeben, aus der es kam.
Die Forschungsergebnisse
Zur Bewertung der AbhÀngigkeit Lateralisation* der GehirnaktivitÀt von der LautstÀrke wurden die Reaktionszeiten der Neuronen im laminaran Kern des Gehirns der Schleiereule genutzt.
Lateralisierung* ist die Asymmetrie der linken und rechten KörperhÀlfte.
Um die AbhĂ€ngigkeit der Lateralisierung der GehirnaktivitĂ€t von der Reaktionsgeschwindigkeit bestimmter Neuronengruppen zu bewerten, wurden AktivitĂ€tsdaten des unteren HĂŒgelganglions des Makaken verwendet. AnschlieĂend wurden die Unterschiede in der Geschwindigkeit der Neuronen aus verschiedenen HemisphĂ€ren berechnet.
Das Modell der markierten Neuronendetektoren geht davon aus, dass bei verringerter SchallintensitĂ€t die Lateralisierung der wahrgenommenen Quelle auf durchschnittliche Werte konvergiert, die fĂŒr die Beziehung zwischen leisen und lauten GerĂ€uschen Ă€hnlich sind (1C).
Das Modell der interhemisphÀrischen Asymmetrie wiederum besagt, dass bei einer Verringerung der SchallintensitÀt bis nahezu auf Schwellenwerte die wahrgenommene Lateralisierung zur Medianlinie verschoben wird (1D).
Bei höherer Gesamt-SchallintensitĂ€t wird angenommen, dass die Lateralisierung invarianzunabhĂ€ngig der IntensitĂ€t ist (EinfĂŒgungen bei 1C und 1D).
Daher ermöglicht die Analyse, wie die SchallintensitĂ€t die wahrgenommenen Richtungen beeinflusst, eine prĂ€zise Bestimmung der Natur der gerade ablaufenden Prozesse â Neuronen aus einem gemeinsamen Bereich oder Neuronen aus verschiedenen HemisphĂ€ren.
Es ist offensichtlich, dass die FĂ€higkeit eines Menschen, ITD zu differenzieren, je nach LautstĂ€rke variieren kann. Wissenschaftler erklĂ€ren jedoch, dass es schwierig ist, frĂŒhere Erkenntnisse zu interpretieren, die die Empfindlichkeit gegenĂŒber ITD mit der Bewertung der Richtung einer Schallquelle durch den Zuhörer in Beziehung setzen, als Funktion der LautstĂ€rke. Einige Studien zeigen, dass bei Erreichen der LautstĂ€rke bis zu einer Grenze die wahrgenommene Lateralisierung der Quelle abnimmt. Andere Studien behaupten dagegen, dass es ĂŒberhaupt keinen Einfluss der LautstĂ€rke auf die Wahrnehmung gibt.
Mit anderen Worten, die Wissenschaftler deuten "sanft" darauf hin, dass in der Literatur nur wenige Informationen ĂŒber die Beziehung zwischen ITD, LautstĂ€rke 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 ĂŒberprĂŒfen.
Das erste Experiment wurde auf der Grundlage einer psychophysischen Paradigmen angewendet, die es ermöglichte, die Lateralisierung anhand der ITD als Funktion der LautstÀrke in einer Gruppe von zehn normal hörenden Teilnehmern zu untersuchen.
Abbildung Nr. 2
Die Schallquellen wurden speziell so kalibriert, dass sie einen groĂen Frequenzbereich abdeckten, in dem Menschen fĂ€hig 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 LautstĂ€rke zu bestimmen, wurde ein nichtlineares gemischtes Effektmodell (NMLE) verwendet, das sowohl feste als auch zufĂ€llige LautstĂ€rken berĂŒcksichtigte.
Diagramm 2B zeigt die geschĂ€tzte Lateralisierung mit spektral flachem Rauschen bei zwei LautstĂ€rken fĂŒr einen reprĂ€sentativen 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 LautstĂ€rke verschob sich die Wahrnehmung zunehmend zur Mittellinie (siehe EinfĂŒgung im Diagramm). 2C).
Diese Trends wurden durch das NLME-Modell gestĂŒtzt, das einen signifikanten Einfluss von ITD und LautstĂ€rke auf den maximalen Grad der Lateralisierung zeigte und das Modell der hemisphĂ€rischen Unterschiede bestĂ€tigte.
Zudem hatten die mittleren audiometrischen Schwellen fĂŒr reine Töne einen geringfĂŒgigen Einfluss auf die wahrgenommene Lateralisierung. Allerdings hatte die LautstĂ€rke 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 Ă€ndern, wenn die spektralen Eigenschaften der Stimuli (GerĂ€usche) berĂŒcksichtigt werden. Es ist notwendig, den spektral flachen GerĂ€uschpegel bei niedriger SchallintensitĂ€t zu ĂŒberprĂŒfen, da Teile des Spektrums möglicherweise nicht hörbar sind, was die Bestimmung der Schallrichtung beeinflussen kann. Daher könnte der Befund des ersten Experiments fĂ€lschlicherweise annehmen, dass die Breite des hörbaren Spektrums mit abnehmender SchallintensitĂ€t abnehmen kann.
Deshalb wurde beschlossen, ein weiteres Experiment durchzufĂŒhren, jedoch mit rĂŒckwĂ€rtigem A-gewichteten* GerĂ€uschen.
A-gewichtung* wird auf Schallpegel angewendet, um die relative LautstĂ€rke zu berĂŒcksichtigen, 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 OktavbĂ€ndern aufgefĂŒhrt 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 ungefÀhr gleich hörbar sind (sowohl im ersten als auch im zweiten Experiment), die wahrgenommene LateralitÀt und die Neigung im Diagramm, das die VerÀnderung der LateralitÀt mit ITD erklÀrt, mit der Abnahme der SchallintensitÀt abnehmen.
Daher bestÀtigten 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 GerÀuschen bei sinkender SchallintensitÀt beeintrÀchtigt wird, wÀhrend Jeffress annahm, dass GerÀusche unabhÀngig von ihrer IntensitÀt gleich wahrgenommen und verarbeitet werden.
FĂŒr 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 Ăhnlichkeit 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.
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Quelle: habr.com
