Il mondo che ci circonda è pieno di informazioni di ogni tipo, che il nostro cervello elabora continuamente. Riceve queste informazioni tramite gli organi di senso, ciascuno dei quali risponde a una parte dei segnali: occhi (vista), lingua (gusto), naso (olfatto), pelle (tatto), apparato vestibolare (equilibrio, posizione nello spazio e senso del peso) e orecchie (suono). Raccogliendo insieme i segnali provenienti da tutti questi organi, il nostro cervello può costruire un quadro preciso dell'ambiente circostante. Tuttavia, non tutti gli aspetti dell'elaborazione dei segnali esterni ci sono noti. Uno di questi misteri è il meccanismo di localizzazione delle sorgenti sonore.
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 dei suoni. Quali processi si svolgono nel cervello durante la percezione del suono, come il nostro cervello comprende la posizione della sorgente sonora e come questa ricerca può aiutare nella lotta contro i difetti dell'udito. Di questo parleremo nel rapporto del gruppo di ricerca. Iniziamo.
Fondamenti della ricerca
Le informazioni che il nostro cervello riceve dagli organi di senso differiscono tra loro sia per quanto riguarda la fonte, sia per il modo in cui vengono elaborate. Alcuni segnali si presentano subito al nostro cervello come informazioni precise, mentre altri necessitano di ulteriori processi computazionali. In termini semplici, sentiamo un tocco immediatamente, mentre per identificare da dove proviene un suono, dobbiamo ancora cercarne la fonte.
La base della localizzazione dei suoni nel piano orizzontale è interaurale* la differenza di tempo (ITD da interaural time difference) dei suoni che raggiungono le orecchie dell'ascoltatore.
Il fondamento interaurale* è la distanza tra le orecchie.
Nel cervello esiste una specifica area (oliva superiore mediale o MVO) responsabile di questo processo. Al momento della ricezione del segnale sonoro, nella MVO avviene la conversione delle differenze interaurali nel tempo in reattività neuronale. La forma delle curve di velocità del segnale in uscita dalla MVO in funzione dell'ITD ricorda la forma della funzione di correlazione incrociata dei segnali in ingresso per ciascun orecchio.
Il modo in cui le informazioni vengono elaborate e interpretate nel MVO rimane non del tutto chiaro, il che ha portato all'emergere di diverse teorie contraddittorie. La teoria più conosciuta e, di fatto, classica della localizzazione del suono è il modello di Jeffress (Lloyd A. Jeffress). Essa si basa su una linea marcata* di neuroni-detectori, sensibili alla sincronizzazione binaurale dei segnali neuronali in ingresso da ciascun orecchio, in cui ogni neurone è massimamente sensibile a un certo valore di ITD (1A).
Il principio della linea marcata* è un'ipotesi che spiega come diversi nervi, tutti i quali utilizzano gli stessi principi fisiologici nella trasmissione degli impulsi lungo i propri assoni, siano in grado di generare diverse sensazioni. Nervi strutturalmente simili possono generare diverse percezioni sensoriali 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 correlazioni reciproche illimitate dei suoni che raggiungono entrambe le orecchie.
Esiste anche un modello in cui si suppone che la localizzazione del suono possa essere modellata in base alle differenze nel tempo di risposta di specifiche popolazioni neuronali provenienti da diversi emisferi cerebrali, ossia il modello di asimmetria inter-emisferica (1B).
È stato difficile affermare con certezza quale delle due teorie (modelli) sia corretta, considerando che ognuna di esse prevede diverse dipendenze tra la localizzazione del suono e l'intensità del suono.
Nello studio di cui ci occupiamo oggi, i ricercatori hanno deciso di combinare entrambi i modelli per capire se la percezione dei suoni si basa sulla codifica neurale o sulla differenza di reazione delle singole popolazioni neuronali. Sono stati condotti diversi esperimenti, con la partecipazione di persone tra i 18 e i 27 anni (5 donne e 7 uomini). L'audiometria (misurazione dell'acutezza uditiva) dei partecipanti era di 25 dB o superiore a una frequenza di 250-8000 Hz. I partecipanti agli esperimenti erano collocati in una stanza insonorizzata, arredata con attrezzature speciali calibrate con alta precisione. Dovevano indicare la direzione da cui proveniva un segnale acustico non appena lo udivano.
Risultati dello studio
Per valutare la dipendenza dalla lateralizzazione* dell'attività cerebrale dall'intensità del suono in risposta a neuroni marcati sono stati utilizzati i dati sulla velocità di reazione dei neuroni nel nucleo laminare del cervello della civetta.
Lateralità* — asimmetria della metà sinistra e destra del corpo.
Per valutare la dipendenza della lateralizzazione dell'attività cerebrale dalla velocità di reazione di specifiche popolazioni di neuroni sono stati utilizzati i dati sull'attività del collicolo inferiore del cervello della scimmia rhesus, dopodiché sono state calcolate ulteriori differenze nella velocità dei neuroni provenienti da diversi emisferi.
Il modello di neuroni detector marcati suggerisce che con la diminuzione dell'intensità del suono la lateralità della sorgente percepita si avvicina ai valori medi, simili per la relazione tra suoni silenziosi e forti (1С).
Il modello di asimmetria inter-emisferica, d'altra parte, suggerisce che con la diminuzione dell'intensità del suono fino a quasi soglie percepite la lateralità percepita si sposterà verso la linea mediana (1D).
Con un'intensità generale del suono più alta, si presume che la lateralizzazione sarà invariata in base all'intensità (inserimenti su 1С e 1D).
Di conseguenza, analizzare come l'intensità del suono influenzi la direzione percepita del suono consente di determinare con precisione la natura dei processi in corso in quel momento: neuroni di una stessa area comune o neuroni di diversi emisferi.
È evidente che la capacità dell'essere umano di distinguere l'ITD può variare in base all'intensità del suono. Tuttavia, gli scienziati affermano che è abbastanza 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 affermano che al raggiungimento di un'intensità del suono alla soglia limite, la lateralità percepita della sorgente diminuisce. Altri studi indicano che non c'è affatto influenza dell'intensità sulla percezione.
In altre parole, i ricercatori suggeriscono "softly" che nella letteratura ci sono poche informazioni riguardo al legame tra ITD, intensità del suono e determinazione della direzione della sua fonte. Esistono teorie che funzionano come una sorta di assiomi, accettati dalla comunità scientifica. Pertanto, è stato deciso di esaminare in dettaglio tutte le teorie, i modelli e i possibili meccanismi di percezione uditiva nella pratica.
Il primo esperimento è stato realizzato utilizzando una paragrafo psicofisico, che ha permesso di studiare la lateralizzazione basata sull'ITD come funzione dell'intensità del suono in un gruppo di dieci partecipanti normodotati.
Immagine n. 2
Le sorgenti sonore sono state appositamente configurate per coprire una vasta gamma di frequenze, entro cui le persone possono riconoscere l'ITD, ovvero da 300 a 1200 Hz (2A).
In ciascun esperimento, l'ascoltatore doveva indicare la lateralità presunta, misurata come funzione del livello di sensazione, in un intervallo di valori ITD da 375 a 375 ms. Per determinare l'influenza dell'intensità del suono è stato utilizzato un modello non lineare ad effetti misti (NMLE), che includeva sia intensità del suono fissa sia casuale.
Il grafico 2D mostra la lateralizzazione stimata con rumore spettralmente piatto a due intensità sonore per un ascoltatore rappresentativo. E il grafico 2C mostra i dati grezzi (cerchi) e quelli adattati al modello NMLE (linee) di tutti gli ascoltatori.
Tabella n. 1
La tabella sopra mostra tutti i parametri NLME. È evidente che la lateralità percepita aumentava all'aumentare dell'ITD, come previsto dai ricercatori. Con la diminuzione dell'intensità del suono, la percezione si spostava sempre più verso la linea mediana (inserto nel grafico 2C).
Queste tendenze sono state supportate dal modello NLME, che ha mostrato un sostanziale impatto dell'ITD e dell'intensità del suono sul massimo grado di lateralità, confermando il modello delle differenze interemisferiche.
Inoltre, un'influenza trascurabile sulla lateralità percepita è stata esercitata dai limiti audiometrici medi dei toni puri. Tuttavia, l'intensità del suono non ha avuto un impatto significativo sulle funzioni psicometriche.
L'obiettivo principale del secondo esperimento era determinare come i risultati ottenuti nel primo esperimento cambiassero tenendo conto delle caratteristiche spettrali degli stimoli (suoni). L'esigenza di testare il rumore spettralmente piatto a bassa intensità sonora è dovuta al fatto che alcune parti dello spettro potrebbero non essere udibili e ciò potrebbe influenzare la determinazione della direzione del suono. Di conseguenza, è possibile erroneamente attribuire ai risultati del primo esperimento il fatto che la larghezza della parte udibile dello spettro possa diminuire con la diminuzione dell'intensità del suono.
Pertanto, è stata presa la decisione di effettuare un ulteriore esperimento, ma stavolta utilizzando rumori A-pesati* .
Il pesaggio A* viene applicato ai livelli sonori per tener conto del volume relativo percepito dall'orecchio umano, poiché l'orecchio è meno sensibile alle basse frequenze sonore. Il pesaggio A viene implementato attraverso l'aggiunta aritmetica di una tabella di valori elencati nelle bande ottiche ai livelli misurati di pressione sonora in dB.
Nel grafico 2D sono 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 all'incirca udibili allo stesso modo (sia nel primo che nel secondo esperimento), la lateralità percepita e l'inclinazione nel grafico che spiega il cambiamento della lateralità con l'ITD diminuiscono con la caduta dell'intensità del suono.
Pertanto, i risultati del secondo esperimento hanno confermato i risultati del primo. In altre parole, è stato dimostrato che il modello proposto da Jeffress nel 1948 non è corretto.
Ne consegue che la localizzazione dei suoni peggiora con la diminuzione dell'intensità sonora, mentre Jeffress considerava che i suoni venissero percepiti e elaborati dall'essere umano in modo simile, indipendentemente dalla loro intensità.
Per un approfondimento sulle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a .
Epilogo
Le ipotesi teoriche e gli esperimenti pratici a sostegno hanno dimostrato che i neuroni del cervello nei mammiferi vengono attivati 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 completamente errato, poiché consente di descrivere in modo preciso la localizzazione della fonte del suono nelle civette. Sì, per le civette l'intensità del suono non ha importanza, in ogni caso determineranno la posizione della sua fonte. Tuttavia, questo modello non funziona con le scimmie rhesus, come dimostrano esperimenti precedentemente condotti. Pertanto, questo modello di Jeffress non può descrivere la localizzazione dei suoni per tutti gli esseri viventi.
Gli esperimenti che coinvolgono le persone hanno ulteriormente confermato che la localizzazione dei suoni avviene in modo diverso tra vari organismi. Molti partecipanti non sono stati in grado di determinare correttamente la posizione delle fonti dei segnali sonori a causa della bassa intensità dei suoni.
Gli scienziati 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 e alla valutazione di questa differenza per determinare sia la posizione degli oggetti visibili nello spazio sia la posizione della fonte del suono che possiamo udire.
In futuro, i ricercatori intendono condurre una serie di esperimenti per approfondire il legame tra l'udito e la vista umana, il che consentirà di comprendere meglio come il nostro cervello costruisce dinamicamente una mappa del mondo che ci circonda.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana di lavoro a tutti, ragazzi! 🙂
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Fonte: habr.com
