Svijet oko nas ispunjen je raznovrsnim informacijama koje naš mozak neprekidno obrađuje. Dobiva te informacije preko osjetila, od kojih svako doprinosi svom dijelu signala: oči (vid), jezik (okusi), nos (miris), koža (dodir), vestibularni aparat (ravnoteža, položaj u prostoru i osjećaj težine) i uši (zvuk). Kombinirajući signale iz svih tih organa, naš mozak može sastaviti preciznu sliku okolnog svijeta. No, nisu svi aspekti obrade vanjskih signala poznati. Jedna od takvih tajni je mehanizam lokalizacije izvora zvuka.
Znanstvenici iz laboratorija neuroinženjerstva govora i sluha (Tehnološki institut New Jersey) predložili su novi model neuralnog procesa lokalizacije zvuka. Koji točno procesi se odvijaju u mozgu tijekom percepcije zvuka, kako naš mozak razumije položaj izvora zvuka i kako ovo istraživanje može pomoći u borbi protiv oštećenja sluha. O tome ćemo saznati iz izvještaja istraživačke grupe. Krenimo.
Osnova istraživanja
Informacije koje naš mozak prima od osjetila razlikuju se jedno od drugog i s obzirom na izvor i s obzirom na njihovu obradu. Neki signali odmah dolaze do našeg mozga kao točne informacije, dok drugi zahtijevaju dodatne proračunske procese. Grubo rečeno, dodir osjećamo odmah, dok, kada čujemo zvuk, moramo još pronaći odakle dolazi.
Osnova lokalizacije zvukova u horizontalnoj ravnini je interauralna* razlika u vremenu (ITD od interaural time difference) zvukova koji dopiru do ušiju slušatelja.
Interauralna baza* — udaljenost između ušiju.
U mozgu postoji određeno područje (medijalna gornja oliva ili MGO) koje je odgovorno za ovaj proces. Kada se zvučni signal primi, u MGO se odvija pretvorba interauralnih razlika u vremenu u brzinu reakcije neurona. Oblik krivulja brzine izlaznog signala MGO kao funkcije ITD podsjeća na oblik međusobne korelacijske funkcije ulaznih signala za svako uho.
Način na koji se informacije obrađuju i interpretiraju u MBO ostaje nejasan, zbog čega postoji nekoliko prilično kontroverznih teorija. Najpoznatija i zapravo klasična teorija lokalizacije zvuka je model Jeffressa (Lloyd A. Jeffress). Temelji se na označenoj liniji* neurona-detekora koji su osjetljivi na binauralnu sinkronost neuronskih ulaznih signala iz svake uši, pri čemu je svaki neuron najosjetljiviji na određenu vrijednost ITD (1A).
Princip označene linije* je hipoteza koja objašnjava kako različiti živci, svi od kojih koriste iste fiziološke principe pri prijenosu impulsa duž svojih aksona, mogu generirati različite senzorne percepcije. Strukturno slični živci mogu generirati različita senzorna iskustva ako su povezani s jedinstvenim neuronima u centralnom živčanom sustavu, koji mogu dekodirati slične nervne signale na različite načine.
Slika br. 1
Ovaj model je u računarskom smislu sličan neuronskom kodiranju, temeljenom na neograničenim međusobnim korelacijama zvukova koji dopiru do obiju ušiju.
Također postoji model koji sugerira da se lokalizacija zvuka može modelirati na temelju razlika u brzini reakcije određenih populacija neurona iz različitih hemisfera mozga, tj. model interhemisfere asimetrije (1В).
Do sada je bilo teško jednoznačno tvrditi koja od dvije teorije (modela) je ispravna, s obzirom na to da svaka od njih predviđa različite ovisnosti lokalizacije zvuka o intenzitetu zvuka.
U istraživanju koje danas razmatramo, znanstvenici su odlučili kombinirati oba modela kako bi shvatili je li percepcija zvukova zasnovana na neuronskom kodiranju ili na razlici u reakciji pojedinih populacija neurona. Provedeno je nekoliko eksperimenata u kojima su sudjelovali ljudi u dobi od 18 do 27 godina (5 žena i 7 muškaraca). Audiometrija (mjerenje oštrine sluha) sudionika iznosila je 25 dB ili više pri frekvenciji od 250 do 8000 Hz. Sudionici su bili smješteni u zvučno izoliranu sobu, u kojoj je bila postavljena posebna oprema, kalibrirana visokom preciznošću. Sudionici su trebali, nakon što čuju zvučni signal, ukazati na smjer iz kojeg dolazi.
Rezultati istraživanja
Za procjenu ovisnosti lateralizacije* moždanih aktivnosti u odnosu na intenzitet zvuka na temelju označenih neurona korišteni su podaci o brzini reakcije neurona u laminarnoj jezgri mozga sova.
Lateralnost* — asimetrija lijeve i desne polovice tijela.
Za procjenu ovisnosti lateralizacije moždane aktivnosti od brzine reakcije određenih populacija neurona korišteni su podaci o aktivnostima donjeg četvrtohrbta mozga majmuna-rezusa, nakon čega su dodatno izračunate razlike u brzini neurona iz različitih polutki.
Model označenih linija neurona-detekora pretpostavlja da će, smanjenjem intenziteta zvuka, lateralnost za percipirani izvor biti usklađena na srednjim vrijednostima, sličnim za odnos tihih i glasnih zvukova (1C).
Model međupolutke asimetrije, pak, sugerira da će, smanjenjem intenziteta zvuka na gotovo graničnu razinu, percipirana lateralnost biti pomerena prema srednjoj liniji (1D).
Pri višoj ukupnoj intenziteti zvuka, očekuje se da će lateralizacija biti invariantna po intenzitetu (ubacivanje na 1C i 1D).
Stoga, analiza kako intenzitet zvuka utječe na percipiranu smjer zvuka omogućava precizno određivanje prirode procesa koji se odvijaju u tom trenutku — neuroni iz jedne zajedničke oblasti ili neuroni iz različitih polutki.
Očigledno je da sposobnost čovjeka da razlikuje ITD može varirati ovisno o intenzitetu zvuka. Međutim, znanstvenici tvrde da je prilično teško interpretirati prethodne zaključke koji povezuju osjetljivost na ITD i procjenu smjera izvora zvuka od strane slušatelja kao funkciju intenziteta zvuka. Neka istraživanja sugeriraju da s povećanjem intenziteta zvuka prema graničnom pragu, percipirana lateralnost izvora opada. Druga istraživanja, međutim, ukazuju na to da intenzitet uopće nema utjecaj na percepciju.
Drugim riječima, znanstvenici "suptilno" sugeriraju da u literaturi nedostaje informacija o vezi između ITD, intenziteta zvuka i određivanja smjera njegovog izvora. Postoje teorije koje postoje kao svojevrsne aksiome, općeprihvaćene u znanstvenoj zajednici. Stoga je odlučeno detaljno provjeriti sve teorije, modele i moguće mehanizme percepcije sluha u praksi.
Prvi eksperiment bio je postavljen na temelju korištenja psihofizičke paradigme, što je omogućilo proučavanje lateralizacije na temelju ITD kao funkcije intenziteta zvuka u grupi od deset normalno čujućih sudionika eksperimenta.
Slika br. 2
Izvori zvuka bili su posebno podešeni kako bi obuhvatili veći dio frekvencijskog raspona, unutar kojeg ljudi mogu prepoznati ITD, tj. od 300 do 1200 Hz (2A).
U svakom od ispitivanja slušatelj je trebao označiti pretpostavljenu lateralnost, mjereno kao funkcija razine osjećaja, u rasponu vrijednosti ITD od 375 do 375 ms. Kako bi se odredio utjecaj intenziteta zvuka, korišten je nelinearni model miješanih efekata (NMLE), koji je uključivao kako fiksnu, tako i nasumičnu intenzitet zvuka.
Grafikon 2B demonstrira procijenjenu lateralizaciju sa spektralno ravnom bukom pri dvije intenziteta zvuka za reprezentativnog slušatelja. A grafikon 2C prikazuje neobrađene podatke (krugovi) i prilagođene modelu NMLE (linije) svih slušatelja.
Tablica br. 1
Gore navedena tablica prikazuje sve parametre NLME. Vidljivo je da je percepirana lateralnost rasla s povećanjem ITD, što su znanstvenici i očekivali. S smanjenjem intenziteta zvuka, percepcija se sve više pomicala prema srednjoj liniji (umetanje na grafikonu 2C).
Ove tendencije podržane su modelom NLME, koji je pokazao značajan utjecaj ITD i intenziteta zvuka na maksimalni stupanj lateralnosti, potvrđujući model interhemisferičnih razlika.
Osim toga, blagi utjecaj na percipiranu lateralnost imali su prosječni audiometrijski pragovi čistih tonova. Međutim, intenzitet zvuka nije značajno utjecao na pokazatelje psihometrijskih funkcija.
Osnovna svrha drugog eksperimenta bila je utvrđivanje kako će se rezultati dobiveni u prethodnom eksperimentu promijeniti uzimajući u obzir spektralne osobine podsticaja (zvukova). Potreba za provjerom spektralno ravnog šuma pri niskoj intenziteti zvuka leži u tome što dijelovi spektra mogu biti nečujni, a to može utjecati na određivanje smjera zvuka. Slijedom toga, rezultati prvog eksperimenta mogli bi pogrešno pokazati da se širina čujnog dijela spektra smanjuje s smanjenjem intenziteta zvuka.
Stoga je odlučeno provesti još jedan eksperiment, ali s primjenom natrag A-težinskih* šumova.
A-težinsko* mjerenje primjenjuje se na razine zvuka kako bi se uzeo u obzir relativni dojam glasnoće koji ljudsko uho percipira, budući da je uho manje osjetljivo na nizke zvučne frekvencije. A-težinsko mjerenje ostvaruje se aritmetičkim zbrajanjem tablice vrijednosti iz oktačnih pojasova na mjerene razine zvučnog tlaka u dB.
Na grafikonu 2D prikazani su neobrađeni podaci (krugovi) i podaci usklađeni s NMLE modelom (linije) svih sudionika eksperimenta.
Analiza podataka pokazala je da, kada su svi dijelovi zvuka približno jednako čujni (kao u prvom i drugom eksperimentu), percipirana lateralnost i nagib na grafu, koji objašnjava promjenu lateralnosti s ITD-om, smanjuju se sa padom intenziteta zvuka.
Tako su rezultati drugog eksperimenta potvrdili rezultate prvog. Drugim riječima, praktično je pokazano da model koji je 1948. godine predložio Jeffress nije ispravan.
Ispostavlja se da se lokalizacija zvukova pogoršava smanjenjem intenziteta zvuka, dok je Jeffress smatrao da se zvukovi percipiraju i obrađuju od strane ljudi jednako bez obzira na njihovu intenzitet.
Za detaljnije upoznavanje s nijansama istraživanja preporučujem da zavirite u .
Epilog
Teorijske pretpostavke i praksa koja ih potvrđuje pokazala je da se neuroni ljudskog mozga aktiviraju različitim brzinama ovisno o smjeru zvučnog signala. Potom mozak uspoređuje te brzine između svih neurona uključenih u proces radi dinamičkog stvaranja karte zvučnog okruženja.
Jeffressov model nije u potpunosti netočan, jer se njome može savršeno opisati lokalizacija izvora zvuka kod siva. Da, za sove intenzitet zvuka nije presudan, one će svakako odrediti položaj njegovog izvora. Međutim, ovaj model ne funkcionira s makakama, što su ranije provedeni eksperimenti pokazali. Stoga Jeffressov model ne može opisati lokalizaciju zvukova za sve žive vrste.
Eksperimenti s ljudima ponovno su potvrdili da se lokalizacija zvukova odvija različito kod različitih organizama. Mnogi sudionici nisu mogli točno odrediti položaj izvora zvučnih signala zbog niske intenziteta zvukova.
Znanstvenici smatraju da njihov rad pokazuje određenu sličnost između načina na koji vidimo i kako čujemo. Oba procesa povezana su s brzinom neurona u različitim dijelovima mozga, kao i s ocjenjivanjem te razlike za određivanje položaja vidljivih objekata u prostoru, kao i položaja izvora zvuka koji čujemo.
U budućnosti, istraživači planiraju provesti niz eksperimenata kako bi detaljnije istražili vezu između ljudskog sluha i vida, što će omogućiti bolje razumijevanje načina na koji naš mozak dinamički skicira kartu okolnog svijeta.
Hvala na pažnji, ostanite radoznali i svima želim uspješan radni tjedan, društvo! 🙂
Hvala što ostajete s nama. Sviđa li vam se naše članke? Želite li vidjeti više zanimljivih materijala? Podržite nas narudžbom ili preporučite prijateljima, , 30% popusta za korisnike Habr-a na jedinstveni analog entry-level servera, koji smo stvorili za vas: (dostupne opcije s RAID1 i RAID10, do 24 jezgre i do 40GB DDR4).
Dell R730xd za pola cijene? Samo kod nas u Nizozemskoj! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Pročitajte o tome
Izvor: habr.com
