O mundo que nos rodea está cheo de todo tipo de información, que o noso cerebro procesa continuamente. Recibe esta información a través dos nosos sentidos, cada un dos cales é responsable da súa propia parte de sinais: ollos (visión), lingua (gusto), nariz (olfacto), pel (tacto), sistema vestibular (equilibrio, posición no espazo e percepción do peso) e oídos (son). Ao combinar os sinais de todos estes órganos, o noso cerebro pode construír unha imaxe precisa do contorno. Pero non entendemos todos os aspectos de como se procesan os sinais externos. Un deses misterios é o mecanismo de localización das fontes sonoras.
Científicos do Laboratorio de Neuroenxeñaría da Fala e a Audición do Instituto Tecnolóxico de Nova Jersey propuxeron un novo modelo do proceso neuronal de localización do son. Que procesos ocorren no cerebro durante a percepción do son, como entende o noso cerebro a posición dunha fonte sonora e como pode esta investigación axudar a combater as deficiencias auditivas? Aprenderemos sobre isto no informe do equipo de investigación. Comecemos.
Base de investigación
A información que o noso cerebro recibe dos sentidos varía tanto na súa orixe como na forma en que se procesa. Algúns sinais preséntanse inmediatamente ao noso cerebro como información precisa, mentres que outros requiren procesos computacionais adicionais. En termos xerais, percibimos o tacto inmediatamente, pero cando escoitamos un son, aínda temos que averiguar de onde provén.
A base para localizar sons no plano horizontal é interaural* diferenza horaria (ITD desde diferenza horaria internacional) sons que chegan aos oídos do oínte.
Base interaural* — a distancia entre as orellas.
Hai unha área específica no cerebro (a oliva medial superior ou MSO) responsable deste proceso. Cando se recibe un sinal sonoro, a MSO converte as diferenzas de tempo interaural en taxas de resposta neuronal. A forma das curvas de velocidade do sinal de saída da MSO en función da ITD parécese á función de correlación cruzada dos sinais de entrada para cada oído.
O xeito en que se procesa e interpreta a información no MVO segue sen estar claro, o que leva a varias teorías moi contraditorias. A teoría da localización do son máis coñecida e, de feito, clásica é o modelo de Jeffress (Lloyd A. Jeffress). Está baseado en liña marcada* neuronas detectoras que son sensibles á sincronía binaural dos sinais de entrada neuronais de cada oído, sendo cada neurona máximamente sensible a un determinado valor ITD (1A).
O principio da liña marcada* — unha hipótese que explica como diferentes nervios, todos os cales empregan os mesmos principios fisiolóxicos para transmitir impulsos ao longo dos seus axóns, son capaces de xerar diferentes sensacións. Os nervios estruturalmente similares poden xerar diferentes percepcións sensoriais se están conectados a neuronas únicas no sistema nervioso central que son capaces de descodificar sinais neuronais similares de diferentes xeitos.
Imaxe #1
Este modelo é computacionalmente similar á codificación neuronal baseada en correlacións cruzadas ilimitadas de sons que chegan a ambos oídos.
Tamén existe un modelo que suxire que a localización do son pode modelarse en función das diferenzas na velocidade de resposta de certas poboacións de neuronas de diferentes hemisferios do cerebro, é dicir, o modelo de asimetría interhemisférica (1V).
Ata o de agora, foi difícil afirmar con claridade cal das dúas teorías (modelos) é a correcta, dado que cada unha delas predí diferentes dependencias da localización do son en función da intensidade do son.
No estudo que revisamos hoxe, os científicos decidiron combinar ambos os modelos para comprender se a percepción do son se basea na codificación neuronal ou nas diferenzas nas respostas das poboacións neuronais individuais. Realizáronse varios experimentos con participantes de entre 18 e 27 anos (cinco mulleres e sete homes). As lecturas audiométricas (agudeza auditiva) dos participantes foron de 25 dB ou superiores en frecuencias que oscilaban entre os 250 e os 8000 Hz. Os participantes foron colocados nunha sala insonorizada que contiña equipos especializados e altamente calibrados. Pedíuselles aos participantes que indicasen a dirección dun sinal sonoro ao escoitalo.
Resultados da investigación
Para avaliar a dependencia lateralización* Para determinar a actividade cerebral a partir da intensidade do son en resposta ás neuronas marcadas, empregáronse datos sobre a taxa de reacción das neuronas no núcleo laminar do cerebro da curuxa común.
Lateralidade* - asimetría das metades esquerda e dereita do corpo.
Para avaliar a dependencia da lateralización da actividade cerebral da velocidade de reacción de certas poboacións neuronais, empregáronse datos sobre a actividade do colículo inferior do cerebro do macaco rhesus, tras os cales calculáronse adicionalmente as diferenzas na velocidade das neuronas de diferentes hemisferios.
O modelo de neurona detectora de liñas etiquetadas predí que a medida que a intensidade do son diminúe, a lateralidade da fonte percibida converxerá a valores medios que son similares para a proporción de sons silenciosos e fortes (1S).
O modelo de asimetría hemisférica, pola súa banda, suxire que a medida que a intensidade do son diminúe ata preto do limiar, a lateralidade percibida desprazarase cara á liña media (1D).
A maior intensidade sonora global, espérase que a lateralización sexa invariante á intensidade (insercións en 1S и 1D).
Polo tanto, analizar como a intensidade do son afecta á dirección percibida do son permítenos determinar con precisión a natureza dos procesos que ocorren nese momento: neuronas dunha área común ou neuronas de diferentes hemisferios.
Claramente, a capacidade dunha persoa para discriminar os trastornos intraauriculares (TDI) pode variar dependendo da intensidade do son. Non obstante, os científicos afirman que é difícil interpretar os achados previos que relacionan a sensibilidade aos TDI e a avaliación da dirección da fonte sonora por parte do oínte como unha función da intensidade do son. Algúns estudos suxiren que, a medida que a intensidade do son se achega a un limiar, a lateralidade percibida da fonte diminúe. Outros estudos suxiren que a intensidade non ten ningún efecto na percepción.
Noutras palabras, os científicos están a insinuar "silenciosamente" que a literatura contén moi pouca información sobre a relación entre a ITD, a intensidade do son e a determinación da dirección da súa fonte. Existen teorías que existen como unha especie de axiomas, xeralmente aceptadas pola comunidade científica. Polo tanto, decidiuse probar exhaustivamente todas as teorías, modelos e posibles mecanismos de percepción auditiva na práctica.
O primeiro experimento realizouse empregando un paradigma psicofísico, que nos permitiu estudar a lateralización baseada en ITD como función da intensidade do son nun grupo de dez participantes con audición normal.
Imaxe #2
As fontes sonoras foron axustadas especificamente para cubrir a maior parte do rango de frecuencias dentro do cal os humanos son capaces de recoñecer as distorsións interpersoais, é dicir, de 300 a 1200 Hz (2A).
En cada proba, pedíuselle ao oínte que indicase a súa lateralidade estimada, medida en función do nivel de sensación, nun rango de valores ITD de 375 a 375 ms. Para determinar o efecto da intensidade do son, utilizouse un modelo de efectos mixtos non lineal (NMLE), que incluía intensidades de son fixas e aleatorias.
Programar 2V mostra a lateralización estimada con ruído espectralmente plano a dúas intensidades sonoras para un oínte representativo. Un gráfico 2S mostra datos brutos (círculos) e datos axustados ao modelo NMLE (liñas) para todos os oíntes.
Táboa nº 1
A táboa anterior mostra todos os parámetros NLME. É evidente que a lateralidade percibida aumentou ao aumentar a ITD, como se esperaba. A medida que a intensidade do son diminuía, a percepción desprazouse cada vez máis cara á liña media (recadro no gráfico). 2C).
Estas tendencias foron corroboradas polo modelo NLME, que mostrou efectos significativos da ITD e da intensidade do son no grao máximo de lateralidade, o que apoia o modelo de diferenzas hemisféricas.
Ademais, os limiares audiométricos medios de tons puros tiveron un efecto menor na lateralidade percibida. Non obstante, a intensidade do son non tivo un efecto significativo no rendemento psicométrico.
O obxectivo principal do segundo experimento foi determinar como cambiarían os resultados obtidos no experimento anterior ao ter en conta as propiedades espectrais dos estímulos (sons). A necesidade de probar o ruído espectralmente plano a baixas intensidades sonoras débese ao feito de que algunhas partes do espectro poden ser inaudibles, o que pode afectar á determinación da dirección do son. En consecuencia, o feito de que a anchura da parte audible do espectro poida diminuír ao diminuír a intensidade do son podería confundirse cos resultados do primeiro experimento.
Polo tanto, decidiuse levar a cabo outro experimento, pero esta vez usando o método oposto. Ponderación A* ruídos.
Ponderación A* A ponderación A aplícase aos niveis sonoros para ter en conta a intensidade relativa percibida polo oído humano, xa que o oído é menos sensible ás baixas frecuencias. A ponderación A impleméntase sumando aritmeticamente unha táboa de valores listados en bandas de oitava aos niveis de presión sonora medidos en dB.
No gráfico 2D Móstranse os datos brutos (círculos) e os datos axustados por NMLE (liñas) para todos os participantes no experimento.
A análise de datos mostrou que cando todas as partes dun son son aproximadamente igualmente audibles (tanto na primeira como na segunda proba), a lateralidade percibida e a pendente do gráfico que explica o cambio na lateralidade coa ITD diminúen a medida que diminue a intensidade do son.
Así, os resultados do segundo experimento confirmaron os resultados do primeiro. Noutras palabras, demostrouse que o modelo proposto por Jeffress en 1948 era incorrecto.
Resulta que a localización do son deteriorase coa diminución da intensidade do son, e Jeffress cría que os sons son percibidos e procesados polos humanos por igual independentemente da súa intensidade.
Para un coñecemento máis detallado dos matices do estudo, recoméndolle ollar .
Epílogo
As suposicións teóricas e os experimentos prácticos que as respaldan demostraron que as neuronas do cerebro dos mamíferos activan velocidades diferentes dependendo da dirección do sinal sonoro. O cerebro compara entón estas velocidades entre todas as neuronas implicadas no proceso para construír dinamicamente un mapa do ambiente auditivo.
O modelo de Jeffresson non é 100 % incorrecto, xa que describe perfectamente a localización das fontes sonoras nas curuxas comúns. Si, a intensidade do son non lles importa ás curuxas comúns; localizarán a súa fonte de todos os xeitos. Non obstante, este modelo non funciona para os macacos rhesus, como demostraron experimentos previos. Polo tanto, o modelo de Jeffresson non pode describir a localización do son para todas as criaturas vivas.
Experimentos con humanos confirmaron ademais que a localización do son varía entre os diferentes organismos. Moitos participantes non puideron localizar con precisión a fonte dos sinais sonoros debido á baixa intensidade do son.
Os científicos cren que o seu traballo revela certas semellanzas entre como vemos e como oímos. Ambos procesos implican a velocidade das neuronas en diferentes áreas do cerebro, así como a avaliación desta diferenza para determinar tanto a posición espacial dos obxectos que vemos como a localización da fonte dos sons que escoitamos.
No futuro, os investigadores planean levar a cabo unha serie de experimentos para examinar con máis detalle a conexión entre a audición e a visión humanas, o que lles permitirá comprender mellor como o noso cerebro constrúe dinamicamente un mapa do mundo circundante.
Grazas pola vosa atención, manteña a curiosidade e que teñades unha boa semana a todos! 🙂
Grazas por estar connosco. Gústanche os nosos artigos? Queres ver máis contido interesante? Apóyanos facendo un pedido ou recomendando a amigos, , Desconto do 30 % para os usuarios de Habr nun análogo único de servidores de nivel de entrada, que inventamos nós para ti: (dispoñible con RAID1 e RAID10, ata 24 núcleos e ata 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 veces máis barato? Só aquí nos Países Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - desde $ 99! Ler sobre
Fonte: www.habr.com
