Svijet oko nas prepun je svakakvih informacija koje naš mozak neprekidno obrađuje. Te informacije prima putem osjetilnih organa od kojih je svaki odgovoran za svoj dio signala: oči (vid), jezik (okus), nos (miris), koža (dodir), vestibularni aparat (ravnoteža, položaj u prostoru i osjet težina) i uši (zvuk). Kombinirajući signale iz svih ovih organa, naš mozak može izgraditi točnu sliku našeg okoliša. Ali nisu nam poznati svi aspekti obrade vanjskih signala. Jedna od tih tajni je mehanizam za lokaliziranje izvora zvukova.
Znanstvenici iz Laboratorija za neuroinženjering govora i sluha (New Jersey Institute of Technology) predložili su novi model neuralnog procesa lokalizacije zvuka. Koji se točno procesi događaju 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 doznajemo iz izvješća istraživačke skupine. Ići.
Osnova istraživanja
Informacije koje naš mozak prima od naših osjetila razlikuju se jedne od drugih, kako u pogledu izvora tako i u smislu obrade. Neki se signali našem mozgu odmah pojavljuju kao točne informacije, dok drugi zahtijevaju dodatne računalne procese. Grubo rečeno, dodir osjetimo odmah, ali kada čujemo zvuk, još moramo pronaći odakle dolazi.
Osnova za lokaliziranje zvukova u horizontalnoj ravnini je interauralni* vremenska razlika (ITD od interauralna vremenska razlika) zvukovi koji dopiru do ušiju slušatelja.
Interauralna baza* - razmak između ušiju.
Postoji specifično područje u mozgu (medijalna gornja oliva ili MSO) koje je odgovorno za ovaj proces. U trenutku prijema audio signala u MVO, interauralne vremenske razlike se pretvaraju u brzinu reakcije neurona. Oblik krivulja izlazne brzine MVO kao funkcija ITD nalikuje obliku funkcije unakrsne korelacije ulaznih signala za svako uho.
Kako se informacije obrađuju i interpretiraju u MBO ostaje nejasno, zbog čega postoji nekoliko vrlo kontradiktornih teorija. Najpoznatija i zapravo klasična teorija lokalizacije zvuka je Jeffressov model (Lloyd A. Jeffress). Temelji se na označena linija* detektorski neuroni koji su osjetljivi na binauralnu sinkronizaciju neuralnih ulaza iz svakog uha, pri čemu je svaki neuron maksimalno osjetljiv na određenu količinu ITD (1А).
Princip označene linije* je hipoteza koja objašnjava kako različiti živci, od kojih svi koriste iste fiziološke principe u prijenosu impulsa duž svojih aksona, mogu generirati različite osjete. Strukturno slični živci mogu generirati različite osjetilne percepcije ako su povezani s jedinstvenim neuronima u središnjem živčanom sustavu koji su sposobni dekodirati slične živčane signale na različite načine.
Slika #1
Ovaj je model računalno sličan neuralnom kodiranju, temeljenom na neograničenim unakrsnim korelacijama zvukova koji dopiru do oba uha.
Postoji i model koji sugerira da se lokalizacija zvuka može modelirati na temelju razlika u brzini odgovora određenih populacija neurona iz različitih hemisfera mozga, tj. model interhemisferne asimetrije (1V).
Do sada je bilo teško jednoznačno ustvrditi koja je od dvije teorije (modela) točna, budući da svaka od njih predviđa različite ovisnosti lokalizacije zvuka o intenzitetu zvuka.
U studiji koju danas gledamo, istraživači su odlučili kombinirati oba modela kako bi razumjeli temelji li se percepcija zvukova na neuralnom kodiranju ili na razlikama u odgovoru pojedinih neuralnih populacija. Provedeno je nekoliko eksperimenata u kojima su sudjelovali ljudi u dobi od 18 do 27 godina (5 žena i 7 muškaraca). Audiometrija sudionika (mjerenje oštrine sluha) bila je 25 dB ili više između 250 i 8000 Hz. Sudionik u eksperimentima bio je smješten u zvučno izoliranu sobu, u kojoj je bila postavljena posebna oprema, kalibrirana s visokom točnošću. Sudionici su morali, nakon što su čuli zvučni signal, pokazati smjer iz kojeg dolazi.
Rezultati istraživanja
Za procjenu ovisnosti lateralizacija* moždane aktivnosti od intenziteta zvuka kao odgovora na označene neurone, korišteni su podaci o brzini reakcije neurona u laminarnoj jezgri mozga sove uše.
Lateralnost* - asimetrija lijeve i desne polovice tijela.
Za procjenu ovisnosti lateralizacije moždane aktivnosti o brzini reakcije pojedinih populacija neurona korišteni su podaci iz aktivnosti inferiornog kolikulusa mozga rezus majmuna, nakon čega su dodatno izračunate razlike u brzini neurona iz različitih hemisfera. .
Model označene linije detektorskih neurona predviđa da će se, kako se intenzitet zvuka smanjuje, lateralnost percipiranog izvora konvergirati na srednje vrijednosti slične omjeru tihih i glasnih zvukova (1S).
Model hemisferne asimetrije, pak, sugerira da kako se intenzitet zvuka smanjuje do razine blizu praga, percipirana lateralnost će se pomaknuti prema središnjoj liniji (1D).
Pri većem ukupnom intenzitetu zvuka, očekuje se da lateralizacija bude nepromjenjiva intenziteta (umetci u 1S и 1D).
Stoga nam analiza utjecaja intenziteta zvuka na percipirani smjer zvuka omogućuje da točno odredimo prirodu procesa koji se događaju u tom trenutku - neuroni iz istog općeg područja ili neuroni iz različitih hemisfera.
Jasno je da sposobnost osobe da razlikuje ITD može varirati ovisno o intenzitetu zvuka. Međutim, znanstvenici kažu da je teško protumačiti prethodna otkrića koja povezuju osjetljivost s ITD-om i prosudbu slušatelja o smjeru izvora zvuka kao funkciju intenziteta zvuka. Neka istraživanja kažu da kada intenzitet zvuka dosegne granični prag, percipirana lateralnost izvora se smanjuje. Druge studije sugeriraju da uopće nema utjecaja intenziteta na percepciju.
Drugim riječima, znanstvenici “nježno” nagovještavaju kako u literaturi postoji malo informacija o odnosu između ITD-a, intenziteta zvuka i određivanja smjera njegovog izvora. Postoje teorije koje postoje kao svojevrsni aksiomi, općeprihvaćeni u znanstvenoj zajednici. Stoga je odlučeno da se sve teorije, modeli i mogući mehanizmi slušne percepcije detaljno ispitaju u praksi.
Prvi eksperiment temeljio se na psihofizičkoj paradigmi koja je omogućila proučavanje lateralizacije temeljene na ITD-u kao funkcije intenziteta zvuka u skupini od deset sudionika s normalnim sluhom.
Slika #2
Izvori zvuka posebno su podešeni da pokriju većinu frekvencijskog raspona unutar kojeg ljudi mogu otkriti ITD, tj. od 300 do 1200 Hz (2А).
U svakom pokušaju, slušatelj je morao naznačiti percipiranu lateralnost, izmjerenu kao funkciju razine osjeta, u rasponu ITD vrijednosti od 375 do 375 ms. Za određivanje učinka intenziteta zvuka korišten je model nelinearnih mješovitih učinaka (NMLE) koji uključuje i fiksni i slučajni intenzitet zvuka.
Raspored 2V pokazuje procijenjenu lateralizaciju sa spektralno ravnim šumom na dva intenziteta zvuka za reprezentativnog slušatelja. I raspored 2S prikazuje neobrađene podatke (krugovi) i prilagođeni NMLE model (linije) svih slušatelja.
Stol 1
Gornja tablica prikazuje sve NLME parametre. Može se vidjeti da se percipirana lateralnost povećala s povećanjem ITD-a, kao što su znanstvenici i očekivali. Kako se intenzitet zvuka smanjivao, percepcija se sve više pomicala prema središnjoj crti (umetnuti u grafikon 2C).
Ovi trendovi su podržani NLME modelom, koji je pokazao značajne učinke ITD-a i intenziteta zvuka na maksimalni stupanj lateralnosti, podržavajući model međuhemisfernih razlika.
Osim toga, srednji audiometrijski pragovi za čiste tonove imali su mali učinak na percipiranu lateralnost. No intenzitet zvuka nije značajno utjecao na pokazatelje psihometrijskih funkcija.
Glavni cilj drugog eksperimenta bio je utvrditi kako će se promijeniti rezultati dobiveni u prethodnom eksperimentu kada se uzmu u obzir spektralne značajke podražaja (zvukova). Potreba za testiranjem spektralno ravnog šuma pri niskom intenzitetu zvuka je u tome što dijelovi spektra možda neće biti čujni i to može utjecati na određivanje smjera zvuka. Posljedično, rezultati prvog eksperimenta mogu se pogrešno zamijeniti s činjenicom da se širina čujnog dijela spektra može smanjivati sa smanjenjem intenziteta zvuka.
Stoga je odlučeno provesti još jedan eksperiment, ali koristeći obrnuto A-ponderirano* buka
A-vaganje* primijenjen na razine zvuka kako bi se uzela u obzir relativna glasnoća koju percipira ljudsko uho, budući da je uho manje osjetljivo na niske frekvencije zvuka. A-ponderiranje se provodi aritmetičkim dodavanjem tablice vrijednosti navedenih u oktavnim pojasima izmjerenim razinama zvučnog tlaka u dB.
Na grafikonu 2D prikazuje neobrađene podatke (krugovi) i podatke prilagođene NMLE modelu (crte) svih sudionika u eksperimentu.
Analiza podataka pokazala je da kada su svi dijelovi zvuka približno jednako čujni (i u prvom i u drugom pokusu), percipirana lateralnost i nagib na grafikonu koji objašnjava promjenu lateralnosti s ITD-om opadaju sa smanjenjem intenziteta zvuka.
Dakle, rezultati drugog eksperimenta potvrdili su rezultate prvog. Odnosno, u praksi se pokazalo da model koji je 1948. predložio Jeffress nije točan.
Ispostavilo se da se lokalizacija zvuka pogoršava kako se intenzitet zvuka smanjuje, a Jeffress je vjerovao da ljudi zvukove percipiraju i obrađuju na isti način, bez obzira na njihov intenzitet.
Za detaljnije upoznavanje s nijansama studije, preporučujem da pogledate .
Epilog
Teorijske pretpostavke i praktični eksperimenti koji ih potvrđuju pokazali su da se moždani neuroni kod sisavaca aktiviraju različitim brzinama ovisno o smjeru zvučnog signala. Mozak zatim uspoređuje te brzine između svih neurona uključenih u proces kako bi dinamički izgradio mapu zvučnog okruženja.
Jeffressonov model zapravo nije 100% pogrešan, budući da se njime može savršeno opisati lokalizacija izvora zvuka kod sova ušara. Da, za sove ušare intenzitet zvuka nije bitan, u svakom slučaju, one će odrediti položaj njegovog izvora. Međutim, ovaj model ne funkcionira s rezus majmunima, kao što su prethodni eksperimenti pokazali. Stoga ovaj Jeffressonov model ne može opisati lokalizaciju zvukova za sva živa bića.
Eksperimenti s ljudskim sudionicima još jednom su potvrdili da se lokalizacija zvuka različito događa u različitim organizmima. Mnogi od sudionika nisu mogli točno odrediti položaj izvora zvučnih signala zbog niskog intenziteta zvukova.
Znanstvenici vjeruju da njihov rad pokazuje određene sličnosti između onoga kako vidimo i onoga kako čujemo. Oba su procesa povezana s brzinom neurona u različitim dijelovima mozga, kao i s procjenom te razlike kako bi se odredio i položaj objekata koje vidimo u prostoru i položaj izvora zvuka koji čujemo.
U budućnosti će znanstvenici provesti niz eksperimenata kako bi detaljnije ispitali vezu između ljudskog sluha i vida, što će nam omogućiti da bolje razumijemo kako točno naš mozak dinamički gradi kartu svijeta oko nas.
Hvala na čitanju, ostanite znatiželjni i želim vam ugodan tjedan! 🙂
Hvala što ste ostali s nama. Sviđaju li vam se naši članci? Želite li vidjeti više zanimljivog sadržaja? Podržite nas narudžbom ili preporukom prijateljima, , 30% popusta za korisnike Habra na jedinstveni analog početnih poslužitelja, koji smo izmislili za vas: (dostupno s RAID1 i RAID10, do 24 jezgre i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji? Samo ovdje u Nizozemskoj! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 USD! Pročitaj o
Izvor: www.habr.com