A körülöttünk lévő világ tele van különféle információkkal, amelyeket agyunk folyamatosan feldolgoz. Ez az információ az érzékszerveinken keresztül érkezik, mindegyik a saját jelének részéért felelős: szem (látás), nyelv (ízlelés), orr (szaglás), bőr (tapintás), vestibuláris apparátus (egyensúly, testhelyzet és súlyérzet) és fül (hang). Az összes érzékszervtől érkező jelek összegyűjtésével agyunk pontos képet képes alkotni a környezetről. De nem minden külső jel feldolgozásának aspektusa ismert számunkra. Az egyik ilyen titok a hangforrás lokalizálásának mechanizmusa.
A New Jersey-i Műszaki Intézet Beszéd- és Hallás Neuroengineering Laboratóriumának tudósai egy új modellt javasoltak a hang lokalizálásának neurális folyamatáról. Milyen folyamatok zajlanak az agyunkban a hang érzékelése során, hogyan érti meg az agyunk a hangforrás helyét, és hogyan segíthet ez a kutatás a hallási hibák leküzdésében. Erről tudhatunk meg többet a kutatócsoport beszámolójából. Induljunk.
A kutatás alapja
Az információ, amelyet agyunk az érzékszervektől kap, különbözőek, mind forrás, mind feldolgozás szempontjából. Egyes jelek azonnal pontos információként jelennek meg az agyunkban, míg mások további számítási folyamatokat igényelnek. Egyszerűen fogalmazva, a tapintást azonnal érzékeljük, míg a hang hallásakor még meg kell találnunk, honnan érkezik.
A hangok lokalizálásának alapja a vízszintes síkban interaurális* időbeli különbség (ITD, azaz interaural time difference) a fülünkhöz elérkező hangok között.
Az interaurális alap* a fülök közötti távolság.
Az agyban van egy meghatározott terület (mediális felső oliva vagy MVO), amely felelős ezért a folyamatért. A hangjelzés befogadásának pillanatában az MVO-ben az interaurális időbeli különbségeket a neuronok reakciósebességévé alakítják. Az MVO kimeneti jelének sebességgörbéjének alakja az ITD függvényében hasonlít a bemeneti jelek kölcsönkorrelációs funkciójára, mindkét fül számára.
Az, ahogyan az MVO-ban az információkat feldolgozzák és értelmezik, még mindig nem teljesen világos, ezért több ellentmondásos elmélet létezik. A legismertebb és klasszikus hanglocalizációs elmélet Jeffress modellje.Lloyd A. Jeffress. Ez a megjelölt vonal* neuronokból álló detektorokra épít, amelyek érzékenyek a binaurális szinkronizációra a két fülből érkező neuronális bemeneti jelekben, ahol minden egyes neuron maximálisan érzékeny egy adott ITD (interaurális időkülönbség) nagyságra.1A).
Megjelölt vonal elve* — hipotézis, amely megmagyarázza, hogy a különböző idegek, amelyek mind ugyanazt a fiziológiai elvet alkalmazzák az impulzusok axonon belüli továbbításakor, hogyan képesek különböző érzéseket generálni. Az struktúrájukban hasonló idegek különböző érzékszervi észleléseket generálhatnak, ha egyedi neuronokkal kapcsolódnak a központi idegrendszerben, amelyek képesek eltérő módon dekódolni a hasonló neuronális jeleket.
Kép №1
Ez a modell számítási szempontból hasonlít a neuronális kódolásra, amely a két fülbe érkező hangok korlátlan kölcsönös korrelációin alapul.
Létezik egy másik modell is, amely szerint a hanglocalizáció megmodellezhető a különböző agyféltekékből származó neuronpopulációk reakciósebességének eltérése alapján, azaz a hemisphériás aszimmetria modellje szerint.1V).
Eddig nehéz volt egyértelműen kijelenteni, hogy a két elmélet (modell) közül melyik a helyes, figyelembe véve, hogy mindkettő különböző függőségeket jósol a hanglocalizáció és a hang intenzitása között.
A ma vizsgált tanulmányban a kutatók úgy döntöttek, hogy ötvözik a két modellt, hogy megértsék, vajon a hangok észlelése neuronális kódoláson vagy a különálló neuronpopulációk reakciókülönbségén alapul-e. Számos kísérletet végeztek, amelyekben 18 és 27 év közötti emberek (5 nő és 7 férfi) vettek részt. A résztvevők audiometriája (hallásélesség mérése) 25 dB vagy annál nagyobb volt 250 és 8000 Hz közötti frekvencián. A kísérletek résztvevőit hangszigetelt szobába helyezték, ahol speciális, magas pontossággal kalibrált berendezéseket helyeztek el. A résztvevőknek a hangjelzés hallatán meg kellett jelölniük, hogy honnan érkezik.
A kutatás eredményei
A függőség értékeléséhez laterizáció* a neuronok jelölésének reakciósebességeiről származó adatokat használták a baglyok agyának laminaris magjában a hang intenzitására adott agyi aktivitás értékeléséhez.
Lateralitás* — a test bal és jobb fele közötti aszimmetria.
A specifikus neuronpopulációk reakciósebességétől függő agyi aktivitás laterizációjának értékeléséhez a makákó alsó két dombjának aktivitási adatait használták, majd kiszámították a különbségeket az eltérő féltekék neuronjaiból.
A jelölt neuron-detektorok vonalmodelje azt feltételezi, hogy a hang intenzitásának csökkentésével a észlelt forrás lateritása egy középértékhez közelít, amely hasonló a csendes és hangos hangok arányához (1C).
A két agyfélteke közötti aszimmetria modellje azt feltételezi, hogy a hang intenzitásának csökkentésekor, amely majdnem küszöbértéken van, a észlelt lateritás a középső vonal felé fog elmozdulni (1D).
Magasabb általános hangintenzitás esetén a laterizáció intenzitás-invariánsnak tekinthető (betétek a 1C és 1D).
Következésképpen, annak elemzése, hogy a hang intenzitása hogyan befolyásolja a hallott hang irányát, pontosan meghatározza az adott pillanatban folyamatban lévő események természetét — az ugyanazon területről vagy a különböző féltekékből származó neuronok.
Nyilvánvaló, hogy az ember ITD-ra való érzékenysége változhat a hang intenzitása függvényében. A tudósok azonban kijelentik, hogy elég nehéz értelmezni a korábbi megállapításokat, amelyek az ITD érzékenysége és a hallgató által a hangforrás irányának megítélése között a hang intenzitásának függvényeként kapcsolatot vonnak. Egyes kutatások szerint, amikor a hang intenzitása eléri a küszöbértéket, csökken a forrás észlelt lateritása. Más kutatások arról számolnak be, hogy a hang intenzitásának hatása a percepcióra egyáltalán nem létezik.
Más szóval, a tudósok „finoman” utalnak arra, hogy a szakirodalomban meglehetősen kevés információ áll rendelkezésre az ITD, a hangintenzitás és a forrás irányának meghatározása közötti kapcsolatról. Léteznek olyan elméletek, amelyek kvázi axiómaként működnek, és amelyeket a tudományos közösség általánosan elfogadott. Ezért úgy döntöttek, hogy részletesen megvizsgálják az összes elméletet, modellt és a hallás észlelésének lehetséges mechanizmusait a gyakorlatban.
Az első kísérletet a pszichofizikai paradigma alkalmazásával végezték, ami lehetővé tette az ITD alapú lateralisáció vizsgálatát a hangintenzitás függvényeként egy tízfős, normál hallású résztvevők csoportjában.
2. kép
A hangforrásokat különösen úgy állították be, hogy lefedjék a frekvenciatartomány nagy részét, amelyen belül az emberek képesek az ITD-t észlelni, azaz 300-tól 1200 Hz-ig terjedően (2A).
Minden egyes próbában a hallgatónak meg kellett határoznia a feltételezett laterális irányokat, amelyeket az érzetek szintje szerint mértek, az ITD értékeinek tartományában 375-től 375 ms-ig. A hangintenzitás hatásának meghatározására nemlineáris vegyes hatásmodell (NMLE) alkalmazásával került sor, amely tartalmazott fix és véletlen hangintenzitást is.
A diagram 2B a reprezentatív hallgató számára a spektrumosan sík zajjal mért hangintenzitás két szintje mellett értékelt lateralisációt szemlélteti. A diagram 2C a nyers adatokat (körök) és az NMLE modellhez illesztett adatokat (vonalak) mutatja be minden hallgató esetében.
1. táblázat
A fenti táblázat bemutatja az összes NLME paramétert. Látható, hogy a percepciós lateralisáció az ITD növekedésével nőtt, ahogyan azt a tudósok várták. A hangintenzitás csökkenésével a percepció egyre inkább a középvonal felé tolódott (a diagram beszúrása 2C).
Ezeket a tendenciákat alátámasztotta az NLME modell, amely jelentős hatást mutatott az ITD és a hangintenzitás maximalizált lateralisáti fokára, megerősítve a két agyfélteke közötti eltérések modelljét.
Továbbá, a tiszta hangok átlagos audiometriai küszöbeinek elhanyagolható hatása volt a percepciós lateralisációra. A hangintenzitás azonban lényegesen nem befolyásolta a pszichometriai funkciók értékeit.
A második kísérlet fő célja az volt, hogy meghatározza, hogyan változnak meg az előző kísérlet eredményei a stimulusok (hangok) spektrális jellemzőinek figyelembevételével. A spektrálisan sík zaj alacsony hangintenzitásnál történő ellenőrzésének szükségessége abban rejlik, hogy a spektrum egyes részei nem hallhatóak, és ez befolyásolhatja a hang irányának meghatározását. Ezért az első kísérlet eredményeit félreértelmezhetjük, mivel a hallható spektrum szélessége csökkenhet a hangintenzitás csökkenésével.
Ezért úgy döntöttek, hogy egy újabb kísérletet végeznek, de már az A-v weighing* zajok alkalmazásával.
Az A-v weighing* a hangszintekhez van alkalmazva, hogy figyelembe vegye azt a relatív hangerőt, amelyet az emberi fül érzékel, mivel a fül kevésbé érzékeny az alacsony frekvenciájú hangokra. Az A-v weighing az oktávsávokban felsorolt értékek táblázatának aritmetikai hozzáadásával valósul meg az dB-ben mért hangnyomás szintekhez.
A grafikonon 2D Az ábrán a nyers adatok (körök) és a NMLE modellhez illesztett adatok (vonalak) láthatók az összes kísérleti résztvevő számára.
Az adatelemzés azt mutatta, hogy amikor a hang minden része körülbelül azonosan hallható (mind az első, mind a második kísérletben), a észlelt lateralitás és a grafikon dőlése, ami a lateralitás ITD-val való változását magyarázza, csökken a hangintenzitás csökkenésével.
Így a második kísérlet eredményei megerősítették az első kísérlet eredményeit. Vagyis a gyakorlatban kiderült, hogy az 1948-ban Jeffress által javasolt modell nem helyes.
Így a hangok lokalizálása romlik a hangintenzitás csökkenésével, míg Jeffress azt állította, hogy a hangokat az ember egyformán érzékeli és dolgozza fel, függetlenül azok intenzitásától.
A kutatás részleteivel való alaposabb megismerkedéshez javaslom, hogy nézze meg a .
Epilógus
A teoretikus feltételezések és az azokat alátámasztó gyakorlati kísérletek azt mutatták, hogy az emlősök agyának neuronjai különböző sebességgel aktiválódnak a hangjel irányától függően. Ezután az agy ezeket a sebességeket összehasonlítja az összes résztvevő neuron között a hangzási környezet dinamikus térképeinek felépítése érdekében.
Jeffress modellje valójában nem 100%-osan hibás, mivel ezáltal tökéletesen leírható a hangforrás lokalizációja a fülek esetében. Igen, a fülek számára a hang intenzitása nem számít, így vagy úgy meghatározzák a forrás helyzetét. Azonban ez a modell nem működik a rhesus majmokkal, ahogyan azt korábbi kísérletek is megmutatták. Következésképpen a Jeffress modell nem képes leírni a hangok lokalizációját minden élőlény számára.
Az emberekkel végzett kísérletek ismételten megerősítették, hogy a hangok lokalizációja különböző szervezeteknél eltérő módon zajlik. Sok résztvevő nem tudta helyesen meghatározni a hangjelzések forrásának helyét a hangok alacsony intenzitása miatt.
A tudósok úgy vélik, hogy munkájuk bizonyos hasonlóságot mutat azzal kapcsolatban, ahogyan látunk és ahogyan hallunk. Mindkét folyamat kapcsolódik a neuronok sebességéhez az agy különböző részein, valamint ennek a különbségnek az értékeléséhez, hogy meghatározzuk a látott tárgyak elhelyezkedését a térben, valamint a hallott hang forrásának helyzetét.
A jövőbeni kutatók számos kísérletet terveznek a hallás és látás közötti kapcsolat részletesebb vizsgálatára, ami lehetővé teszi, hogy jobban megértsük, hogyan építi fel agyunk dinamikusan a környező világ térképét.
Köszönöm a figyelmet, maradjanak kíváncsiak és mindenkinek jó munkahét kívánok, srácok! 🙂
Köszönjük, hogy velünk maradtál. Tetszenek a cikkeink? Szeretnél több érdekes anyagot látni? Támogass minket, és rendelés leadásával vagy ismerősöknek ajánlással segíts nekünk. , 30% kedvezmény a Habr felhasználóinak az egyedülálló entry-level szervereinkre, amelyet Önöknek találtunk ki: (elérhetők RAID1 és RAID10 opciók, akár 24 magig és 40GB DDR4-ig).
Dell R730xd két alkalommal olcsóbban? Csak nálunk Hollandiában! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — 99 dollártól! Olvasd el ezt
Forrás: habr.com
