לוקליזציה של קול: כיצד המוח מזהה מקורות קול

העולם סביבנו מלא בכל מיני מידע שהמוח שלנו מעבד ללא הרף. הוא מקבל את המידע הזה דרך איברי חישה, שכל אחד מהם אחראי לחלק האותות שלו: עיניים (ראייה), לשון (טעם), אף (ריח), עור (מגע), מנגנון וסטיבולרי (איזון, מיקום במרחב ותחושת משקל) ואוזניים (קול). על ידי שילוב אותות מכל האיברים הללו, המוח שלנו יכול לבנות תמונה מדויקת של הסביבה שלנו. אבל לא כל ההיבטים של עיבוד אותות חיצוניים ידועים לנו. אחד הסודות הללו הוא מנגנון לוקליזציה של מקור הצלילים.

מדענים מהמעבדה לנוירו-הנדסה של דיבור ושמיעה (המכון הטכנולוגי של ניו ג'רזי) הציעו מודל חדש של התהליך העצבי של לוקליזציה של קול. אילו תהליכים מדויקים מתרחשים במוח במהלך תפיסת הקול, כיצד המוח שלנו מבין את מיקומו של מקור הקול, וכיצד מחקר זה יכול לסייע במאבק נגד ליקויי שמיעה. אנו למדים על כך מהדוח של קבוצת המחקר. ללכת.

בסיס מחקר

המידע שהמוח שלנו מקבל מהחושים שלנו שונה זה מזה, הן מבחינת מקורו והן מבחינת עיבודו. חלק מהאותות מופיעים מיד למוח שלנו כמידע מדויק, בעוד שאחרים דורשים תהליכי חישוב נוספים. באופן גס, אנחנו מרגישים מגע מיד, אבל כשאנחנו שומעים צליל, אנחנו עדיין צריכים למצוא מאיפה הוא מגיע.

הבסיס ללוקליזציה של צלילים במישור האופקי הוא אינטראורלי* הפרש זמן (ITD מ הפרש זמן בין-אורלי) צלילים מגיעים לאוזני המאזין.

בסיס בין-אורלי* - מרחק בין האוזניים.

יש אזור מסוים במוח (הזית המדיאלי העליון או MSO) שאחראי לתהליך זה. ברגע שאות הקול מתקבל ב-MVO, הפרשי זמן בין-אורליים מומרים לקצב התגובה של נוירונים. הצורה של עקומות מהירות הפלט של MBO כפונקציה של ITD דומה לצורת פונקציית המתאם הצולב של אותות הכניסה לכל אוזן.

איך המידע מעובד ומתפרש ב-MBO עדיין לא ברור לחלוטין, וזו הסיבה שיש כמה תיאוריות מאוד סותרות. התיאוריה המפורסמת ביותר ולמעשה הקלאסית ביותר של לוקליזציה של צליל היא מודל ג'פרס (לויד א. ג'פרס). זה מבוסס על קו מסומן* נוירונים של גלאים רגישים לסנכרון בינאורלי של כניסות עצביות מכל אוזן, כאשר כל נוירון רגיש בצורה מקסימלית לכמות מסוימת של ITD (1А).

עקרון קו מסומן* היא השערה שמסבירה כיצד עצבים שונים, שכולם משתמשים באותם עקרונות פיזיולוגיים בהעברת דחפים לאורך האקסונים שלהם, מסוגלים ליצור תחושות שונות. עצבים דומים מבחינה מבנית יכולים ליצור תפיסות חושיות שונות אם הם מחוברים לנוירונים ייחודיים במערכת העצבים המרכזית המסוגלים לפענח אותות עצביים דומים בדרכים שונות.

תמונה מס' 1

מודל זה דומה מבחינה חישובית לקידוד עצבי, המבוסס על קורלציות צולבות בלתי מוגבלות של צלילים המגיעים לשתי האוזניים.

קיים גם מודל המציע שניתן לעצב לוקליזציה של קול על סמך הבדלים במהירות התגובה של אוכלוסיות מסוימות של נוירונים מהמיספרות שונות של המוח, כלומר. מודל של אסימטריה בין-המיספרית (1V).

עד כה היה קשה לקבוע באופן חד משמעי איזו משתי התיאוריות (המודלים) נכונה, בהתחשב בכך שכל אחת מהן מנבאת תלות שונה של לוקליזציה של הצליל בעוצמת הצליל.

במחקר שאנו בוחנים היום, החוקרים החליטו לשלב את שני המודלים כדי להבין האם תפיסת הצלילים מבוססת על קידוד עצבי או על הבדלים בתגובה של אוכלוסיות עצביות בודדות. נערכו מספר ניסויים שבהם השתתפו אנשים בגילאי 18 עד 27 (5 נשים ו-7 גברים). האודיומטריה של המשתתפים (מדידה של חדות השמיעה) הייתה 25dB ומעלה בין 250 ל-8000 הרץ. המשתתף בניסויים הונח בחדר אטום לרעש, בו הונח ציוד מיוחד, מכויל בדיוק גבוה. המשתתפים היו צריכים, למשמע אות קול, לציין את הכיוון ממנו הגיע.

תוצאות המחקר

להערכת תלות לרוחב* פעילות מוחית מעוצמת קול בתגובה לנוירונים מסומנים, נעשה שימוש בנתונים על מהירות התגובה של נוירונים בגרעין הלמינרי של מוח ינשוף האסם.

רוחביות* - אסימטריה של החצאים השמאלי והימני של הגוף.

כדי להעריך את התלות של lateralization של פעילות המוח במהירות התגובה של אוכלוסיות מסוימות של נוירונים, נעשה שימוש בנתונים מהפעילות של ה-colliculus התחתון של מוח קוף הרזוס, ולאחר מכן חושבו הבדלים במהירות של נוירונים מהמיספרות שונות. .

מודל הקו המסומן של נוירוני גלאים מנבא שככל שעוצמת הצליל יורדת, הרוחביות של המקור הנתפס תתכנס לערכים ממוצעים הדומים ליחס בין צלילים רכים לחזקים (1S).

מודל האסימטריה ההמיספרית, בתורו, מציע שכאשר עוצמת הצליל יורדת לרמות סף קרובות, הרוחביות הנתפסת תעבור לכיוון קו האמצע (1D).

בעוצמת צליל כללית גבוהה יותר, הצידייזציה צפויה להיות משתנה בעוצמה (הוספות ב 1S и 1D).

לכן, ניתוח האופן שבו עוצמת הצליל משפיעה על כיוון הקול הנתפס מאפשר לנו לקבוע במדויק את אופי התהליכים המתרחשים באותו רגע - נוירונים מאותו אזור כללי או נוירונים מהמיספרות שונות.

ברור שהיכולת של אדם להבחין ב-ITD עשויה להשתנות בהתאם לעוצמת הקול. עם זאת, המדענים אומרים שקשה לפרש ממצאים קודמים הקושרים בין רגישות ל-ITD לבין שיקול הדעת של המאזינים לגבי כיוון מקור הקול כפונקציה של עוצמת הקול. כמה מחקרים אומרים שכאשר עוצמת הקול מגיעה לסף גבול, הרוחביות הנתפסת של המקור פוחתת. מחקרים אחרים מצביעים על כך שאין השפעה של עוצמה על התפיסה כלל.

במילים אחרות, מדענים רומזים "בעדינות" שיש מעט מידע בספרות לגבי הקשר בין ITD, עוצמת הקול וקביעת כיוון המקור שלו. ישנן תיאוריות הקיימות כסוג של אקסיומות, המקובלות בדרך כלל על ידי הקהילה המדעית. לכן, הוחלט לבדוק בפירוט את כל התיאוריות, המודלים והמנגנונים האפשריים של תפיסת שמיעה בפועל.

הניסוי הראשון התבסס על פרדיגמה פסיכופיזית שאפשרה לחקור לרוחב מבוסס ITD כפונקציה של עוצמת הקול בקבוצה של עשרה משתתפי שמיעה רגילה.

תמונה מס' 2

מקורות הקול כוונו במיוחד כדי לכסות את רוב טווח התדרים שבו בני אדם מסוגלים לזהות ITD, כלומר. מ-300 עד 1200 הרץ (2А).

בכל ניסוי, המאזין היה צריך להצביע על צדדיות נתפסת, הנמדדת כפונקציה של רמת התחושה, על פני טווח של ערכי ITD בין 375 ל-375 אלפיות השנייה. כדי לקבוע את ההשפעה של עוצמת הצליל, נעשה שימוש במודל של אפקטים מעורבים לא ליניאריים (NMLE) שכלל עוצמת קול קבועה ואקראית כאחד.

לוח זמנים 2V מדגים לרוחב משוער עם רעש שטוח מבחינה ספקטרלית בשתי עוצמות צליל עבור מאזין מייצג. ולוח הזמנים 2S מציג את הנתונים הגולמיים (מעגלים) ואת מודל ה-NMLE המותאם (קווים) של כל המאזינים.

טבלה מס '1

הטבלה למעלה מציגה את כל הפרמטרים של NLME. ניתן לראות שהצדדיות הנתפסת גדלה עם הגדלת ה-ITD, כפי שציפו המדענים. ככל שעוצמת הצליל ירדה, התפיסה זזה יותר ויותר לכיוון קו האמצע (מוכנס בגרף 2C).

מגמות אלו נתמכו על ידי מודל ה-NLME, שהראה השפעות משמעותיות של ITD ועוצמת הצליל על מידת הרוחב המרבית, ותמך במודל של הבדלים בין-המיספריים.

בנוסף, לספים אודיומטריים ממוצעים עבור צלילים טהורים הייתה השפעה מועטה על הרוחביות הנתפסת. אבל עוצמת הקול לא השפיעה באופן משמעותי על האינדיקטורים של פונקציות פסיכומטריות.

המטרה העיקרית של הניסוי השני הייתה לקבוע כיצד התוצאות שהתקבלו בניסוי הקודם ישתנו כאשר לוקחים בחשבון את התכונות הספקטרליות של הגירויים (צלילים). הצורך לבדוק רעש שטוח ספקטרלית בעוצמת קול נמוכה הוא שחלקים מהספקטרום עשויים שלא להיות נשמעים וזה עשוי להשפיע על קביעת כיוון הקול. כתוצאה מכך, ניתן לטעות בטעות בתוצאות הניסוי הראשון בכך שרוחב החלק הנשמע של הספקטרום יכול לרדת עם ירידה בעוצמת הצליל.

לכן, הוחלט לערוך ניסוי נוסף, אך תוך שימוש הפוך במשקל A* רַעַשׁ

שקילה א'* מיושם על רמות קול כדי לקחת בחשבון את העוצמה היחסית הנתפסת על ידי האוזן האנושית, מכיוון שהאוזן פחות רגישה לתדרי צליל נמוכים. שקלול A מיושם על ידי הוספת טבלת ערכים הרשומה ברצועות אוקטבות באופן אריתמטי לרמות לחץ הקול הנמדדות ב-dB.

על התרשים 2D מציג את הנתונים הגולמיים (עיגולים) ואת הנתונים המותאמים למודל NMLE (קווים) של כל המשתתפים בניסוי.

ניתוח הנתונים הראה שכאשר כל חלקי הצליל נשמעים בערך באותה מידה (גם בניסוי הראשון וגם בניסוי השני), הרוחביות הנתפסת והשיפוע בגרף המסביר את השינוי ברוחב עם ITD יורדים עם ירידה בעוצמת הצליל.

לפיכך, תוצאות הניסוי השני אישרו את תוצאות הניסוי הראשון. כלומר, בפועל הוכח שהמודל שהוצע עוד ב-1948 על ידי ג'פרס אינו נכון.

מסתבר שלוקליזציה של הצלילים מחמירה ככל שעוצמת הצליל פוחתת, וג'פרס האמין שצלילים נתפסים ומעובדים על ידי בני אדם באותו אופן, ללא קשר לעוצמתם.

להבנה מפורטת יותר של הניואנסים של המחקר, אני ממליץ להסתכל על מדענים מדווחים.

אפילוג

הנחות תיאורטיות וניסויים מעשיים המאששים אותן הראו כי נוירונים במוח ביונקים מופעלים בקצבים שונים בהתאם לכיוון אות הקול. לאחר מכן המוח משווה את המהירויות הללו בין כל הנוירונים המעורבים בתהליך כדי לבנות באופן דינמי מפה של סביבת הקול.

המודל של ג'פרסון למעשה אינו שגוי ב-100%, מכיוון שניתן להשתמש בו כדי לתאר בצורה מושלמת את הלוקליזציה של מקור הקול בינשופי אסם. כן, עבור ינשופים עוצמת הצליל לא משנה; בכל מקרה, הם יקבעו את מיקום המקור שלו. עם זאת, מודל זה אינו עובד עם קופי רזוס, כפי שהראו ניסויים קודמים. לכן, מודל ג'פרסון זה אינו יכול לתאר את הלוקליזציה של צלילים עבור כל היצורים החיים.

ניסויים עם משתתפים אנושיים אישרו שוב כי לוקליזציה של קול מתרחשת בצורה שונה באורגניזמים שונים. רבים מהמשתתפים לא הצליחו לקבוע נכון את מיקומו של מקור אותות הקול בשל עוצמת הצלילים הנמוכה.

מדענים מאמינים שעבודתם מראה קווי דמיון מסוימים בין האופן שבו אנו רואים לאופן שבו אנו שומעים. שני התהליכים קשורים למהירות של נוירונים בחלקים שונים של המוח, כמו גם להערכת ההבדל הזה כדי לקבוע הן את מיקומם של העצמים שאנו רואים בחלל והן את מיקומו של מקור הצליל שאנו שומעים.

בעתיד, החוקרים הולכים לערוך סדרת ניסויים כדי לבחון ביתר פירוט את הקשר בין השמיעה והראייה האנושית, שיאפשרו לנו להבין טוב יותר כיצד בדיוק המוח שלנו בונה באופן דינמי מפה של העולם הסובב אותנו.

תודה שקראתם, תהיו סקרנים ושבוע טוב חברים! 🙂

תודה שנשארת איתנו. האם אתה אוהב את המאמרים שלנו? רוצים לראות עוד תוכן מעניין? תמכו בנו על ידי ביצוע הזמנה או המלצה לחברים, Cloud VPS למפתחים החל מ-$4.99, 30% הנחה למשתמשי Habr על אנלוגי ייחודי של שרתים ברמת הכניסה, שהומצא על ידינו עבורכם: כל האמת על VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ליבות) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps החל מ-$20 או איך לשתף שרת? (זמין עם RAID1 ו-RAID10, עד 24 ליבות ועד 40GB DDR4).

Dell R730xd זול פי 2? רק כאן 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV החל מ-$199 בהולנד! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - החל מ-$99! לקרוא על כיצד לבנות תשתיות קורפ. מחלקה עם שימוש בשרתי Dell R730xd E5-2650 v4 בשווי 9000 יורו עבור אגורה?

מקור: www.habr.com