Heimurinn í kringum okkur er fullur af alls kyns upplýsingum sem heilinn vinnur stöðugt úr. Hann fær þessar upplýsingar í gegnum skynfæri, sem hvert um sig ber ábyrgð á sínum hlut af merkjum: augu (sjón), tungu (bragð), nef (lykt), húð (snertingu), vestibular tæki (jafnvægi, staðsetning í rými og skynjun þyngd) og eyru (hljóð). Með því að sameina merki frá öllum þessum líffærum getur heilinn byggt upp nákvæma mynd af umhverfi okkar. En ekki eru allir þættir í vinnslu ytri merkja þekktir fyrir okkur. Eitt af þessum leyndarmálum er vélbúnaðurinn til að staðsetja uppruna hljóða.
Vísindamenn frá Laboratory of Neuroengineering of Speech and Hearing (New Jersey Institute of Technology) hafa lagt til nýtt líkan af taugaferli hljóðstaðsetningar. Hvaða nákvæma ferli eiga sér stað í heilanum við skynjun hljóðs, hvernig heilinn okkar skilur stöðu hljóðgjafans og hvernig þessar rannsóknir geta hjálpað til í baráttunni við heyrnargalla. Við lærum um þetta af skýrslu rannsóknarhópsins. Farðu.
Rannsóknargrundvöllur
Upplýsingarnar sem heilinn fær frá skynfærum okkar eru ólíkar hver annarri, bæði hvað varðar uppruna og úrvinnslu þeirra. Sum merki birtast strax í heila okkar sem nákvæmar upplýsingar, á meðan önnur krefjast viðbótar reikniferla. Í grófum dráttum finnum við strax fyrir snertingu en þegar við heyrum hljóð verðum við samt að finna hvaðan það kemur.
Grundvöllur staðsetningar hljóða í láréttu plani er millihljóð* tímamismunur (ITD frá tímamunur á milli) hljóð ná til eyrna hlustandans.
Millihljóðgrunnur* - fjarlægð á milli eyrna.
Það er ákveðið svæði í heilanum (medial superior olive eða MSO) sem ber ábyrgð á þessu ferli. Á því augnabliki sem hljóðmerki er tekið á móti í MVO, er tímamunur á milli heyrnar breytt í viðbragðshraða taugafrumna. Lögun MVO úttakshraðaferilanna sem fall af ITD líkist lögun krossfylgnifalls inntaksmerkja fyrir hvert eyra.
Hvernig upplýsingar eru unnar og túlkaðar í MBO er enn ekki alveg ljóst, þess vegna eru nokkrar mjög misvísandi kenningar. Frægasta og í raun klassíska kenningin um staðsetningar hljóðs er Jeffress líkanið (Lloyd A. Jeffress). Það er byggt á merkt lína* skynjari taugafrumur sem eru viðkvæmar fyrir tvísjálfráðri samstillingu taugainntaks frá hverju eyra, þar sem hver taugafruma er hámarksnæm fyrir ákveðnu magni af ITD (1A).
Merkt lína meginregla* er tilgáta sem útskýrir hvernig mismunandi taugar, sem allar nota sömu lífeðlisfræðilegu lögmálin við að senda boð eftir öxunum sínum, geta framkallað mismunandi skynjun. Byggingarlega svipaðar taugar geta myndað mismunandi skynjun ef þær eru tengdar einstökum taugafrumum í miðtaugakerfinu sem geta afkóða svipuð taugaboð á mismunandi hátt.
Mynd #1
Þetta líkan er reikningslega svipað og taugakóðun, byggt á óheftri krossfylgni hljóða sem ná til beggja eyrna.
Einnig er til líkan sem bendir til þess að hægt sé að móta hljóðstaðsetningu út frá mun á svörunarhraða ákveðinna stofna taugafrumna frá mismunandi heilahvelum, þ.e. líkan af ósamhverfu milli heilahvela (1V).
Hingað til hefur verið erfitt að fullyrða með ótvíræðum hætti hver þessara tveggja kenninga (líkana) er rétt, í ljósi þess að hver þeirra spáir fyrir um mismunandi háð staðsetningar hljóðs á hljóðstyrk.
Í rannsókninni sem við erum að skoða í dag ákváðu vísindamennirnir að sameina bæði líkönin til að skilja hvort skynjun hljóða byggist á taugakóðun eða mismun á svörun einstakra taugahópa. Gerðar voru nokkrar tilraunir þar sem fólk á aldrinum 18 til 27 ára (5 konur og 7 karlar) tók þátt. Hljóðmæling þátttakenda (mæling á heyrnarskerpu) var 25 dB eða hærri á milli 250 og 8000 Hz. Þátttakandinn í tilraununum var settur í hljóðeinangrað herbergi, þar sem sérstakur búnaður var settur, kvarðaður af mikilli nákvæmni. Þátttakendur þurftu, þegar þeir heyrðu hljóðmerki, að gefa til kynna hvaðan það kom.
Niðurstöður rannsókna
Til að meta ósjálfstæði lateralization* heilavirkni frá hljóðstyrk til að bregðast við merktum taugafrumum voru notuð gögn um viðbragðshraða taugafrumna í lagskiptakjarna heila uglu.
Hliðarleiki* - ósamhverfa vinstri og hægri hluta líkamans.
Til að meta hversu háð hliðskiptingu heilavirkni er háð viðbragðshraða ákveðinna stofna taugafrumna, voru notuð gögn frá virkni neðri kolliculus rhesus apa heilans, eftir það var munur á hraða taugafrumna frá mismunandi heilahvelum einnig reiknaður út. .
Merkt línulíkan skynjaritaugafrumna spáir því að þegar hljóðstyrkur minnkar muni hliðarleiki skynjaðrar uppsprettu renna saman í meðalgildi svipað hlutfalli mjúkra og háværra hljóða (1S).
Ósamhverfa líkanið í hálfkúlu bendir aftur á móti til þess að þegar hljóðstyrkur lækkar niður í nærri þröskuld, muni skynjað hliðarhlutfall færast í átt að miðlínu (1D).
Við hærri heildarhljóðstyrk er búist við að hliðarskipting sé óbreytileg í styrkleika (innfellingar í 1S и 1D).
Því að greina hvernig hljóðstyrkur hefur áhrif á skynjaða stefnu hljóðs gerir okkur kleift að ákvarða nákvæmlega eðli ferlanna sem eiga sér stað á því augnabliki - taugafrumum frá sama almenna svæði eða taugafrumum frá mismunandi heilahvelum.
Ljóst er að hæfni einstaklings til að greina ITD getur verið mismunandi eftir hljóðstyrk. Vísindamennirnir segja hins vegar að erfitt sé að túlka fyrri niðurstöður sem tengja næmni við ITD og mat hlustenda á stefnu hljóðgjafa sem fall af hljóðstyrk. Sumar rannsóknir segja að þegar hljóðstyrkur nær markaþröskuldi minnkar skynjað hliðarleiki upprunans. Aðrar rannsóknir benda til þess að það sé engin áhrif af styrkleiki á skynjun.
Með öðrum orðum, vísindamenn gefa „mjúklega“ í skyn að litlar upplýsingar séu til í bókmenntum varðandi sambandið milli ITD, hljóðstyrks og ákvörðunar stefnu uppruna þess. Það eru til kenningar sem eru til sem einskonar frumstæður, almennt viðurkenndar af vísindasamfélaginu. Því var ákveðið að prófa ítarlega allar kenningar, líkön og mögulega aðferðir heyrnarskynjunar í reynd.
Fyrsta tilraunin var byggð á sáleðlisfræðilegri hugmyndafræði sem leyfði rannsókn á ITD-byggðri hliðskiptingu sem fall af hljóðstyrk í hópi tíu eðlilegra heyrandi þátttakenda.
Mynd #2
Hljóðgjafarnir voru sérstaklega stilltir til að ná yfir megnið af því tíðnisviði sem menn eru færir um að þekkja ITD, þ.e. frá 300 til 1200 Hz (2A).
Í hverri tilraun þurfti hlustandinn að gefa til kynna skynjaða hliðarvirkni, mæld sem fall af skynjunarstigi, á bilinu ITD gildi frá 375 til 375 ms. Til að ákvarða áhrif hljóðstyrks var notað ólínulegt blandað áhrifalíkan (NMLE) sem innihélt bæði fastan og tilviljunarkenndan hljóðstyrk.
Dagskrá 2V sýnir áætlaða lateralization með litrófsflatum hávaða við tvo hljóðstyrk fyrir dæmigerðan hlustanda. Og dagskráin 2S sýnir hrá gögn (hringi) og uppsett NMLE líkan (línur) allra hlustenda.
Tafla # 1
Taflan hér að ofan sýnir allar NLME breytur. Það má sjá að skynjað hliðarvirkni jókst með vaxandi ITD, eins og vísindamennirnir bjuggust við. Eftir því sem hljóðstyrkurinn minnkaði færðist skynjun meira og meira í átt að miðlínunni (innskot í grafið 2C).
Þessar tilhneigingar voru studdar af NLME líkaninu, sem sýndi marktæk áhrif ITD og hljóðstyrks á hámarks gráðu hliðarleika, sem styður líkanið um mismun á milli heilahvela.
Að auki höfðu meðalhljóðmælingarþröskuldar fyrir hreina tóna lítil áhrif á skynjaða hliðarvirkni. En hljóðstyrkur hafði ekki marktæk áhrif á vísbendingar um geðmælingar.
Meginmarkmið seinni tilraunarinnar var að ákvarða hvernig niðurstöður sem fengust í fyrri tilraun myndu breytast þegar tekið er tillit til litrófseiginleika áreita (hljóða). Nauðsyn þess að prófa fyrir flatan litrófshljóð við lágan hljóðstyrk er sú að hlutar litrófsins gætu ekki heyrist og það getur haft áhrif á ákvörðun hljóðstefnu. Þar af leiðandi er ranglega hægt að villa á niðurstöðum fyrstu tilraunarinnar fyrir þá staðreynd að breidd heyranlega hluta litrófsins getur minnkað með minnkandi hljóðstyrk.
Því var ákveðið að gera aðra tilraun, en nota hið gagnstæða A-vigt* hávaða
A-vigtun* beitt á hljóðstig til að taka tillit til hlutfallslegs hljóðstyrks sem mannseyra skynjar, þar sem eyrað er minna viðkvæmt fyrir lágri hljóðtíðni. A-vigtun er útfærð með því að bæta töflu yfir gilda sem skráð eru í áttundarböndum við mæld hljóðþrýstingsstig í dB.
Á töflunni 2D sýnir hrá gögn (hringi) og NMLE líkan-fest gögn (línur) frá öllum þátttakendum í tilrauninni.
Greining á gögnunum sýndi að þegar allir hlutar hljóðsins eru nokkurn veginn jafn heyranlegir (bæði í fyrstu og annarri prufunni), þá minnkar skynjað hliðarhlutfall og halli á línuritinu sem útskýrir breytingu á hliðarlínu með ITD með minnkandi hljóðstyrk.
Þannig staðfestu niðurstöður seinni tilraunarinnar niðurstöður þeirrar fyrstu. Það er, í reynd hefur verið sýnt fram á að líkanið sem Jeffress lagði fram árið 1948 er ekki rétt.
Í ljós kemur að staðsetning hljóð versnar eftir því sem hljóðstyrkur minnkar og taldi Jeffress að hljóð skynjist og vinnist af mönnum á sama hátt, óháð styrkleika þeirra.
Fyrir ítarlegri kynningu á blæbrigðum rannsóknarinnar mæli ég með að skoða .
Eftirmáli
Fræðilegar forsendur og hagnýtar tilraunir sem staðfesta þær hafa sýnt að taugafrumur í heila í spendýrum eru virkjaðar á mismunandi hraða eftir stefnu hljóðmerkisins. Heilinn ber síðan saman þennan hraða á milli allra taugafrumna sem taka þátt í ferlinu til að byggja upp kort af hljóðumhverfinu.
Líkan Jeffressons er reyndar ekki 100% röng, þar sem hægt er að nota það til að lýsa fullkomlega staðsetningu hljóðgjafans í hlöðuuglum. Já, fyrir hlöðuuglur skiptir styrkur hljóðsins ekki máli; í öllum tilvikum munu þær ákvarða staðsetningu uppsprettu þess. Hins vegar virkar þetta líkan ekki með rhesus öpum eins og fyrri tilraunir hafa sýnt. Þess vegna getur þetta Jeffresson líkan ekki lýst staðsetningu hljóða fyrir allar lífverur.
Tilraunir með þátttakendur manna hafa enn og aftur staðfest að staðsetning hljóðs á sér stað mismunandi í mismunandi lífverum. Margir þátttakenda gátu ekki ákvarðað rétta staðsetningu hljóðmerkjagjafa vegna þess hve hljóðin voru lág.
Vísindamenn telja að verk þeirra sýni ákveðin líkindi á milli þess hvernig við sjáum og hvernig við heyrum. Bæði ferlarnir tengjast hraða taugafrumna í mismunandi hlutum heilans, sem og mati á þessum mun til að ákvarða bæði staðsetningu hlutar sem við sjáum í geimnum og staðsetningu hljóðuppsprettu sem við heyrum.
Í framtíðinni ætla vísindamennirnir að gera röð tilrauna til að kanna nánar tengslin milli heyrnar og sjón manna, sem gerir okkur kleift að skilja betur hvernig nákvæmlega heilinn okkar byggir upp kort af heiminum í kringum okkur.
Þakka þér fyrir athyglina, vertu forvitin og eigið frábæra viku allir! 🙂
Þakka þér fyrir að vera hjá okkur. Líkar þér við greinarnar okkar? Viltu sjá meira áhugavert efni? Styðjið okkur með því að leggja inn pöntun eða mæla með því við vini, , 30% afsláttur fyrir Habr notendur á einstökum hliðstæðum upphafsþjónum, sem var fundið upp af okkur fyrir þig: (fáanlegt með RAID1 og RAID10, allt að 24 kjarna og allt að 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 sinnum ódýrari? Aðeins hér í Hollandi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - frá $99! Lestu um
Heimild: www.habr.com