Il mondo che ci circonda è pieno di informazioni di ogni tipo, che il nostro cervello elabora continuamente. Riceve queste informazioni attraverso i sensi, ognuno dei quali è responsabile della propria porzione di segnali: gli occhi (vista), la lingua (gusto), il naso (olfatto), la pelle (tatto), il sistema vestibolare (equilibrio, posizione nello spazio e sensazione di peso) e le orecchie (suono). Mettendo insieme i segnali di tutti questi organi, il nostro cervello può costruire un'immagine accurata dell'ambiente circostante. Tuttavia, non conosciamo tutti gli aspetti dell'elaborazione dei segnali esterni. Uno di questi misteri è il meccanismo di localizzazione delle sorgenti sonore.
Gli scienziati del Laboratorio di neuroingegneria del linguaggio e dell'udito (Istituto tecnologico del New Jersey) hanno proposto un nuovo modello del processo neurale di localizzazione del suono. Quali processi avvengono nel cervello durante la percezione del suono, come il nostro cervello comprende la posizione della sorgente sonora e come questa ricerca possa aiutare a combattere i difetti uditivi. Scopriremo tutto ciò dal rapporto del gruppo di ricerca. Iniziamo.
La base della ricerca
Le informazioni che il nostro cervello riceve dagli organi di senso differiscono tra loro sia per fonte che per elaborazione. Alcuni segnali vengono percepiti immediatamente dal nostro cervello come informazioni precise, mentre altri richiedono ulteriori processi computazionali. In parole semplici, possiamo percepire immediatamente un tocco, ma quando sentiamo un suono, dobbiamo prima capire da dove proviene.
La base per la localizzazione dei suoni nel piano orizzontale è data dalla differenza interaurale* nel tempo (ITD da interaural time difference) dei suoni che raggiungono le orecchie dell'ascoltatore.
La base interaurale* è la distanza tra le orecchie.
Nel cervello esiste una specifica area (oliva superiore mediale o MVO) responsabile di questo processo. Quando un segnale sonoro viene ricevuto, nel MVO avviene la trasformazione delle differenze interaurali nel tempo in velocità di reazione dei neuroni. La forma delle curve di velocità del segnale in uscita dal MVO in funzione dell'ITD ricorda la funzione di correlazione incrociata dei segnali in ingresso per ciascun orecchio.
La modalità in cui le informazioni vengono elaborate e interpretate nel sistema MVO rimane poco chiara, portando all'esistenza di diverse teorie piuttosto contrastanti. La teoria più nota e, di fatto, classica sulla localizzazione del suono è il modello di Jeffress (Lloyd A. Jeffress). Essa si basa su una linea marcata* di neuroni-detectotore, sensibili alla sincronia binaurale dei segnali neurali provenienti da ciascun orecchio, con ogni neurone che è massimamente sensibile a una certa misura di ITD (1A).
Il principio della linea marcata* è un'ipotesi che spiega come diversi nervi, tutti i quali utilizzano gli stessi principi fisiologici per trasmettere impulsi lungo i propri assoni, possano generare sensazioni diverse. Nervi strutturalmente simili possono generare percezioni sensoriali diverse se collegati a neuroni unici nel sistema nervoso centrale, capaci di decodificare segnali nervosi simili in vari modi.
Immagine n. 1
Questo modello, dal punto di vista computazionale, è simile alla codifica neurale basata su correlate reciproche illimitate dei suoni che raggiungono entrambe le orecchie.
Esiste anche un modello che suggerisce che la localizzazione del suono può essere simulata sulla base delle differenze nella velocità di reazione di determinate popolazioni di neuroni nei diversi emisferi cerebrali, ovvero il modello di asimmetria interemisferica (1B).
Fino ad ora, è stato difficile affermare con certezza quale delle due teorie (modelli) sia corretta, dato che ciascuna di esse prevede dipendenze diverse nella localizzazione del suono in relazione all'intensità del suono.
Nello studio che analizziamo oggi, i ricercatori hanno deciso di combinare entrambi i modelli per capire se la percezione dei suoni si basa sul codice neurale o sulla differenza di reazione delle singole popolazioni neurali. Sono stati condotti diversi esperimenti con partecipanti di età compresa fra 18 e 27 anni (5 donne e 7 uomini). L'audiometria (misurazione dell'acutezza uditiva) dei partecipanti era di 25 dB o superiore a una frequenza compresa tra 250 e 8000 Hz. I partecipanti agli esperimenti erano collocati in una stanza insonorizzata, dotata di attrezzature speciali calibrate con alta precisione. Quando sentivano un segnale acustico, dovevano indicare la direzione da cui proveniva.
Risultati della ricerca
Per valutare la dipendenza della lateralizzazione* dell'attività cerebrale dall'intensità del suono in risposta ai neuroni etichettati, sono stati utilizzati dati sulla velocità di reazione dei neuroni nel nucleo laminare del cervello della civetta.
Lateralità* — asimmetria della parte sinistra e destra del corpo.
Per valutare la dipendenza della lateralizzazione dell'attività cerebrale dalla velocità di reazione di determinate popolazioni di neuroni, sono stati utilizzati i dati sull'attività del corpo genicolato inferiore del macaco rhesus, dopodiché sono state calcolate le differenze nella velocità dei neuroni provenienti dai diversi emisferi.
Il modello della linea marcata dei neuroni-detectori suggerisce che, con la diminuzione dell'intensità del suono, la lateralità della sorgente percepita tenderà a convergere verso valori medi simili per l'output di suoni silenziosi e forti (1C).
Il modello di asimmetria interemisferica, d'altra parte, suggerisce che, con la diminuzione dell'intensità del suono fino a valori prossimi alla soglia, la lateralità percepita si sposterà verso la linea mediana (1D).
Con un'intensità sonora complessiva più elevata, si presuppone che la lateralizzazione rimanga invariabile rispetto all'intensità (inserimenti su 1C e 1D).
Pertanto, l'analisi di come l'intensità del suono influisca sulla direzione percepita del suono permette di determinare con precisione la natura dei processi in corso in quel momento: neuroni appartenenti a una singola area comune o neuroni provenienti da diversi emisferi.
È evidente che la capacità umana di distinguere l'ITD può variare a seconda dell'intensità del suono. Tuttavia, gli scienziati affermano che è piuttosto difficile interpretare le conclusioni precedenti che collegano la sensibilità all'ITD e la valutazione da parte dell'ascoltatore della direzione della sorgente sonora come funzione dell'intensità del suono. Alcuni studi suggeriscono che al raggiungimento dell'intensità sonora al limite della soglia, diminuisce la percezione della lateralità della sorgente. Altri studi, invece, affermano che non ci sia affatto un'influenza dell'intensità sulla percezione.
In altre parole, gli scienziati «sottolineano» che nella letteratura ci sono poche informazioni riguardanti il legame tra ITD, intensità del suono e determinazione della direzione della sorgente. Esistono teorie che fungono da sorta di assiomi, comunemente accettati dalla comunità scientifica. Pertanto, è stata presa la decisione di esaminare in dettaglio tutte le teorie, i modelli e i possibili meccanismi di percezione uditiva in pratica.
Il primo esperimento è stato condotto utilizzando la paradossi psicofisica, permettendo di studiare la lateralizzazione in base all'ITD come funzione dell'intensità del suono in un gruppo di dieci partecipanti con udito normale.
Immagine n. 2
Le sorgenti sonore sono state specificamente sintonizzate per coprire gran parte della gamma di frequenze in cui le persone sono in grado di riconoscere l'ITD, cioè da 300 a 1200 Hz (2A).
In ciascun esperimento, l'ascoltatore doveva indicare la lateralità prevista, misurata come funzione del livello di percezione, nell'intervallo di valori ITD da 375 a 375 ms. Per determinare l'influenza sull'intensità del suono, è stato utilizzato un modello non lineare a effetti misti (NMLE), che includeva sia un'intensità di suono fissa che casuale.
Il grafico 2B dimostra la lateralizzazione stimata con rumore spettrale piatto a due intensità del suono per un ascoltatore rappresentativo. E il grafico 2C mostra i dati grezzi (cerchi) e i dati adattati al modello NMLE (linee) di tutti gli ascoltatori.
Tabella n. 1
La tabella sopra mostra tutte le variabili NLME. È evidente che la lateralità percepita aumentava con l'aumentare dell'ITD, come previsto dagli scienziati. Con la diminuzione dell'intensità del suono, la percezione si spostava sempre di più verso la linea mediana (inserimento nel grafico. 2C).
Questi trend sono stati supportati dal modello NLME, che ha mostrato un'influenza significativa dell'ITD e dell'intensità del suono sul massimo grado di lateralità, confermando il modello delle differenze interemisferiche.
Inoltre, c'era un'influenza marginale sulla lateralità percepita derivante dalle soglie audiometriche medie dei toni puri. Tuttavia, l'intensità del suono non influenzava significativamente le misure delle funzioni psicometriche.
L'obiettivo principale del secondo esperimento era determinare come i risultati ottenuti nel precedente esperimento cambiassero considerando le caratteristiche spettrali degli stimoli (suoni). La necessità di verificare il rumore spettralmente piatto a bassa intensità sonora deriva dal fatto che alcune parti dello spettro potrebbero non essere udibili, e ciò potrebbe influenzare la determinazione della direzione del suono. Pertanto, i risultati del primo esperimento potrebbero erroneamente confermare che la larghezza della parte udibile dello spettro può diminuire con la riduzione dell'intensità del suono.
Perciò si è deciso di condurre un ulteriore esperimento, ma già utilizzando i rumori A-pesati*. .
La ponderazione A* viene applicata ai livelli sonori per tenere conto del volume relativo percepito dall'orecchio umano, poiché l'orecchio è meno sensibile alle basse frequenze sonore. La ponderazione A viene realizzata mediante l'aggiunta aritmetica di una tabella di valori, elencati nelle bande ottave, ai livelli di pressione sonora misurati in dB.
Nel grafico 2D Mostrati i dati non elaborati (cerchi) e i dati adattati al modello NMLE (linee) di tutti i partecipanti all'esperimento.
L'analisi dei dati ha mostrato che quando tutte le parti del suono sono percepite più o meno allo stesso modo (sia nel primo che nel secondo esperimento), la lateralità percepita e l'inclinazione nel grafico che spiega la variazione della lateralità con l'ITD diminuiscono al diminuire dell'intensità del suono.
Pertanto, i risultati del secondo esperimento hanno confermato quelli del primo. In altre parole, è stato dimostrato in pratica che il modello proposto da Jeffress nel 1948 non è corretto.
Ne consegue che la localizzazione dei suoni peggiora al diminuire dell'intensità del suono, mentre Jeffress credeva che i suoni fossero percepiti e elaborati dall'essere umano in modo uniforme, indipendentemente dalla loro intensità.
Per una comprensione più dettagliata delle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a .
Epilogo
Le ipotesi teoriche e le esperienze pratiche che le confermano hanno dimostrato che i neuroni del cervello dei mammiferi si attivano a velocità diverse a seconda della direzione del segnale sonoro. Successivamente, il cervello confronta queste velocità tra tutti i neuroni coinvolti nel processo per costruire dinamicamente una mappa dell'ambiente sonoro.
Il modello di Jeffress non è affatto errato al 100%, poiché può descrivere perfettamente la localizzazione della fonte sonora nei gufi. Sì, per i gufi l'intensità del suono non ha importanza, poiché riescono comunque a determinare la posizione della fonte. Tuttavia, questo modello non si applica alle scimmie rhesus, come hanno dimostrato esperimenti precedenti. Pertanto, il modello di Jeffress non può descrivere la localizzazione dei suoni per tutti gli esseri viventi.
Gli esperimenti condotti su esseri umani hanno ulteriormente confermato che la localizzazione dei suoni avviene in modo diverso tra i vari organismi. Molti partecipanti non sono stati in grado di determinare correttamente la posizione della fonte dei segnali sonori a causa della bassa intensità dei suoni.
Gli studiosi ritengono che il loro lavoro mostri una certa somiglianza tra il modo in cui vediamo e come ascoltiamo. Entrambi i processi sono legati alla velocità dei neuroni in diverse aree del cervello, oltre che alla valutazione di questa differenza per determinare sia la posizione degli oggetti visibili nello spazio, sia la posizione della sorgente del suono udibile.
In futuro, i ricercatori intendono svolgere una serie di esperimenti per esaminare in dettaglio il legame tra l'udito e la vista umana, il che permetterà di comprendere meglio come il nostro cervello costruisce dinamicamente la mappa del mondo circostante.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana lavorativa a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
