El mundo que nos rodea está lleno de toda clase de información que nuestro cerebro procesa continuamente. Esta información llega a través de nuestros sentidos, cada uno de los cuales se encarga de su parte de señales: los ojos (visión), la lengua (sabor), la nariz (olfato), la piel (tacto), el aparato vestibular (equilibrio, posición en el espacio y sensación de peso) y los oídos (sonido). Al reunir las señales de todos estos órganos, nuestro cerebro puede construir una imagen precisa del entorno. Sin embargo, no conocemos todos los aspectos del procesamiento de las señales externas. Uno de estos misterios es el mecanismo de localización de las fuentes de sonido.
Investigadores del laboratorio de neuroingeniería del habla y la audición (Instituto Tecnológico de Nueva Jersey) han propuesto un nuevo modelo del proceso neuronal de localización del sonido. ¿Cuáles son los procesos que ocurren en el cerebro durante la percepción del sonido, cómo entiende nuestro cerebro la posición de la fuente sonora y cómo puede esta investigación ayudar en la lucha contra los defectos auditivos? Sobre esto nos informará el informe del grupo de investigación. Vamos.
Base de la investigación
La información que nuestro cerebro recibe de los órganos de los sentidos varía tanto en origen como en su procesamiento. Algunas señales se presentan inmediatamente a nuestro cerebro en forma de información precisa, mientras que otras requieren procesos computacionales adicionales. En términos simples, sentimos el tacto de inmediato, pero al oír un sonido, tenemos que averiguar de dónde proviene.
La base de la localización de sonidos en el plano horizontal es interaural* la diferencia de tiempo (ITD de interaural time difference) de los sonidos que llegan a los oídos del oyente.
La base interaural* es la distancia entre los oídos.
En el cerebro hay una región específica (oliva superior medial o MVO) que se encarga de este proceso. Al recibir la señal sonora en la MVO, se transforma la diferencia interaural en tiempo en la velocidad de reacción de las neuronas. La forma de las curvas de velocidad de la señal de salida de la MVO como función de ITD se asemeja a la forma de la función de correlación cruzada de las señales de entrada para cada oído.
La forma en que se procesa e interpreta la información en el MBO sigue siendo poco clara, razón por la cual existen varias teorías bastante contradictorias. La teoría de localización de sonido más conocida y, de hecho, clásica es el modelo de Jeffress (Lloyd A. Jeffress). Se basa en la línea marcada* de neuronas detectores, que son sensibles a la sincronía binaural de las señales neuronales de entrada de cada oído, siendo cada neurona especialmente sensible a un valor específico de ITD (1A).
El principio de la línea marcada* es una hipótesis que explica cómo diferentes nervios, todos los cuales utilizan los mismos principios fisiológicos para transmitir impulsos a lo largo de sus axones, pueden generar diferentes sensaciones. Nervios estructuralmente similares pueden generar diferentes percepciones sensoriales si están conectados a neuronas únicas en el sistema nervioso central, que son capaces de decodificar señales nerviosas similares de diferentes maneras.
Imagen No. 1
Este modelo es computacionalmente similar al codificación neuronal, basada en correlaciones mutuas ilimitadas de los sonidos que llegan a ambos oídos.
También existe un modelo que sugiere que la localización del sonido puede ser modelada en función de las diferencias en el tiempo de reacción de ciertas poblaciones neuronales de diferentes hemisferios del cerebro, es decir, el modelo de asimetría interhemisférica (1B).
Hasta ahora ha sido difícil afirmar cuál de las dos teorías (modelos) es la correcta, considerando que cada una de ellas predice diferentes dependencias de la localización del sonido respecto a la intensidad del sonido.
En el estudio que estamos considerando hoy, los científicos decidieron combinar ambos modelos para entender si la percepción de los sonidos se basa en la codificación neuronal o en la diferencia de reacción de poblaciones neuronales específicas. Se llevaron a cabo varios experimentos en los que participaron personas de entre 18 y 27 años (5 mujeres y 7 hombres). La audiometría (medición de la agudeza auditiva) de los participantes era de 25 dB o más a una frecuencia de entre 250 y 8000 Hz. Los participantes del experimento se colocaron en una habitación insonorizada, en la que se instaló un equipo especial calibrado con alta precisión. Los participantes debían, al escuchar una señal acústica, indicar la dirección de donde provenía.
Resultados de la investigación
Para evaluar la dependencia de lateralización* de la actividad cerebral en respuesta a la intensidad del sonido, se utilizaron datos sobre la velocidad de reacción de neuronas en el núcleo laminar del cerebro de la lechuza.
Lateralidad* — asimetría entre la mitad izquierda y derecha del cuerpo.
Para evaluar la dependencia de la lateralización de la actividad cerebral respecto a la velocidad de reacción de ciertas poblaciones de neuronas, se utilizaron datos de actividad del colículo inferior del cerebro de la maca rhesus, tras lo cual se calcularon además las diferencias en la velocidad de neuronas de diferentes hemisferios.
El modelo de línea marcada de neuronas detectores supone que al disminuir la intensidad del sonido, la lateralidad de la fuente percibida convergerá en valores medios, similares para la relación entre sonidos suaves y fuertes (1C).
El modelo de asimetría interhemisférica, por su parte, sugiere que al reducir la intensidad del sonido a niveles casi umbrales, la lateralidad percibida se desplazará hacia la línea media (1D).
Con una mayor intensidad general del sonido, se asume que la lateralización será invariante con respecto a la intensidad (inserciones en 1C y 1D).
Por lo tanto, el análisis de cómo la intensidad del sonido influye en la dirección percibida del sonido permite determinar con precisión la naturaleza de los procesos que ocurren en ese momento: neuronas de una misma área general o neuronas de diferentes hemisferios.
Es evidente que la capacidad de una persona para distinguir el ITD puede variar dependiendo de la intensidad del sonido. Sin embargo, los científicos afirman que es bastante difícil interpretar conclusiones anteriores que vinculan la sensibilidad al ITD y la evaluación por parte del oyente de la dirección de la fuente de sonido como una función de la intensidad del sonido. Algunos estudios indican que al alcanzar la intensidad del sonido al umbral límite, disminuye la lateralidad percibida de la fuente. Otros estudios, en cambio, sugieren que no hay efecto alguno de la intensidad sobre la percepción.
En otras palabras, los científicos sugieren «suavemente» que hay muy poca información en la literatura sobre la relación entre ITD, la intensidad del sonido y la determinación de la dirección de su fuente. Existen teorías que actúan como una especie de axiomas, aceptadas por la comunidad científica. Por lo tanto, se decidió revisar en detalle todas las teorías, modelos y posibles mecanismos de percepción auditiva en la práctica.
El primer experimento se basó en una metodología psicofísica, lo que permitió estudiar la lateralización en función de ITD como una función de la intensidad del sonido en un grupo de diez participantes con audición normal.
Imagen Nº 2
Las fuentes de sonido fueron ajustadas específicamente para abarcar la mayor parte del rango de frecuencias dentro del cual las personas pueden reconocer ITD, es decir, de 300 a 1200 Hz (2A).
En cada prueba, el oyente debía indicar la lateralidad percibida, medida como una función del nivel de sensaciones, en un rango de valores de ITD de 375 a 375 ms. Para determinar el efecto de la intensidad del sonido, se utilizó un modelo no lineal de efectos mixtos (NMLE), que incluía tanto la intensidad del sonido fija como aleatoria.
Gráfico 2B muestra la lateralización estimada con ruido espectralmente plano a dos intensidades de sonido para un oyente representativo. Y la gráfica 2C muestra los datos sin procesar (círculos) y ajustados al modelo NMLE (líneas) de todos los oyentes.
Tabla №1
La tabla anterior muestra todos los parámetros de NLME. Se observa que la lateralidad percibida aumentó con el incremento de ITD, como los científicos esperaban. A medida que se disminuyó la intensidad del sonido, la percepción se desplazó cada vez más hacia la línea media (inserción en la gráfica 2C).
Estas tendencias fueron respaldadas por el modelo NLME, que mostró un impacto significativo de ITD y la intensidad del sonido en el grado máximo de lateralidad, confirmando el modelo de diferencias interhemisféricas.
Además, hubo una influencia mínima en la lateralidad percibida por los umbrales audiométricos promedios de tonos puros. En cambio, la intensidad del sonido no influyó significativamente en las funciones psicométricas.
El objetivo principal del segundo experimento fue determinar cómo los resultados obtenidos en el experimento anterior cambiarían al tener en cuenta las características espectrales de los estímulos (sonidos). La necesidad de verificar el ruido de espectro plano a baja intensidad de sonido radica en que algunas partes del espectro pueden no ser audibles, lo que puede afectar la determinación de la dirección del sonido. En consecuencia, los resultados del primer experimento podrían erróneamente interpretarse como que el ancho de la parte audible del espectro puede disminuir con la reducción de la intensidad del sonido.
Por lo tanto, se decidió realizar otro experimento, pero ya con la aplicación de sonidos A-pesados*. El A-pesado*
se aplica a los niveles de sonido para tener en cuenta el volumen relativo percibido por el oído humano, ya que el oído es menos sensible a las frecuencias bajas de sonido. El A-pesado se implementa mediante la adición aritmética de una tabla de valores enumerados en bandas octavales a los niveles medidos de presión sonora en dB. Se muestran los datos sin procesar (círculos) y los datos ajustados al modelo NMLE (líneas) de todos los participantes del experimento.
En el gráfico 2D El análisis de datos mostró que cuando todas las partes del sonido son aproximadamente igual de audibles (tanto en el primer como en el segundo experimento), la lateralidad percibida y la inclinación en el gráfico, que ilustra el cambio de lateralidad con ITD, disminuyen con la caída de la intensidad del sonido.
Por lo tanto, los resultados del segundo experimento confirmaron los resultados del primero. Es decir, en la práctica se demostró que el modelo propuesto en 1948 por Jeffress no es correcto.
Resulta que la localización de los sonidos se deteriora con la disminución de la intensidad del sonido, y Jeffress creía que los sonidos son percibidos y procesados por los humanos de la misma manera independientemente de su intensidad.
Las suposiciones teóricas y los experimentos prácticos que las respaldan han demostrado que las neuronas del cerebro de los mamíferos se activan a diferentes velocidades según la dirección del señal de sonido. Entonces, el cerebro compara estas velocidades entre todas las neuronas involucradas en el proceso para construir dinámicamente un mapa del entorno sonoro.
Para un conocimiento más detallado de las sutilezas de la investigación, recomiendo echar un vistazo a .
Epílogo
Las suposiciones teóricas y los experimentos prácticos que las confirman han demostrado que las neuronas del cerebro de los mamíferos se activan a diferentes velocidades en función de la dirección de la señal sonora. Luego, el cerebro compara estas velocidades entre todas las neuronas involucradas en el proceso para construir dinámicamente un mapa sonoro.
El modelo de Jeffress en realidad no es 100% incorrecto, ya que puede describir perfectamente la localización de la fuente de sonido en las lechuzas. Sí, para las lechuzas, la intensidad del sonido no importa, siempre identifican la posición de su fuente. Sin embargo, este modelo no funciona con macacos Rhesus, como demostraron experimentos anteriores. Por lo tanto, este modelo de Jeffress no puede describir la localización de sonidos para todos los seres vivos.
Los experimentos con participación humana confirmaron una vez más que la localización de sonidos varía entre organismos. Muchos de los participantes no pudieron determinar correctamente la posición de las fuentes de señales sonoras debido a la baja intensidad de los sonidos.
Los científicos creen que su trabajo muestra una cierta similitud entre cómo vemos y cómo oímos. Ambos procesos están relacionados con la velocidad de las neuronas en diferentes áreas del cerebro, así como con la evaluación de esta diferencia para determinar tanto la posición de los objetos visibles en el espacio como la posición de la fuente del sonido que escuchamos.
Más adelante, los investigadores planean realizar una serie de experimentos para examinar más a fondo la relación entre la audición y la visión humana, lo que permitirá comprender mejor cómo nuestro cerebro construye dinámicamente un mapa del mundo circundante.
¡Gracias por su atención, sigan siendo curiosos y que tengan una buena semana laboral, chicos! 🙂
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Fuente: habr.com
