ProHoster > Blogs > interneta ziņas > Skaņas lokalizācija: kā smadzenes atpazīst skaņas avotus

Skaņas lokalizācija: kā smadzenes atpazīst skaņas avotus

Skaņas lokalizācija: kā smadzenes atpazīst skaņas avotus

Apkārtējā pasaule ir piepildÄ«ta ar visu veidu informāciju, ko mÅ«su smadzenes nepārtraukti apstrādā. ViņŔ saņem Å”o informāciju caur maņu orgāniem, no kuriem katrs ir atbildÄ«gs par savu daļu signālu: acis (redze), mēle (garÅ”a), deguns (smarža), āda (taustÄ«Å”anās), vestibulārais aparāts (lÄ«dzsvars, pozÄ«cija telpā un sajÅ«ta. svars) un ausis (skaņa). Apvienojot signālus no visiem Å”iem orgāniem, mÅ«su smadzenes var izveidot precÄ«zu priekÅ”statu par mÅ«su vidi. Bet ne visi ārējo signālu apstrādes aspekti mums ir zināmi. Viens no Å”iem noslēpumiem ir skaņu avota lokalizācijas mehānisms.

Zinātnieki no Runas un dzirdes neiroinženierijas laboratorijas (Ņūdžersijas TehnoloÄ£iju institÅ«ts) ir ierosinājuÅ”i jaunu skaņas lokalizācijas neironu procesa modeli. Kādi tieÅ”i procesi notiek smadzenēs skaņas uztveres laikā, kā mÅ«su smadzenes saprot skaņas avota stāvokli un kā Å”is pētÄ«jums var palÄ«dzēt cīņā pret dzirdes defektiem. Par to uzzinām no pētnieku grupas ziņojuma. Aiziet.

Pētījuma bāze

Informācija, ko mÅ«su smadzenes saņem no mÅ«su maņām, atŔķiras viena no otras gan avota, gan apstrādes ziņā. Daži signāli mÅ«su smadzenēm nekavējoties parādās kā precÄ«za informācija, savukārt citiem ir nepiecieÅ”ami papildu skaitļoÅ”anas procesi. Rupji sakot, pieskārienu jÅ«tam uzreiz, bet, dzirdot skaņu, tomēr jāatrod, no kurienes tā nāk.

Pamats skaņu lokalizÄ“Å”anai horizontālajā plaknē ir interaural* laika starpÄ«ba (ITD no interaural laika atŔķirÄ«ba) skaņas, kas sasniedz klausÄ«tāja ausis.

Interaurālā bāze* - attālums starp ausīm.

Smadzenēs ir noteikta zona (vidējā augstākā olÄ«veļļa jeb MSO), kas ir atbildÄ«ga par Å”o procesu. Audio signāla saņemÅ”anas brÄ«dÄ« MVO interaurālās laika atŔķirÄ«bas tiek pārvērstas neironu reakcijas ātrumā. MVO izejas ātruma lÄ«kņu forma kā ITD funkcija atgādina katras auss ieejas signālu krusteniskās korelācijas funkcijas formu.

Tas, kā informācija tiek apstrādāta un interpretēta MBO, joprojām nav pilnÄ«bā skaidrs, tāpēc pastāv vairākas ļoti pretrunÄ«gas teorijas. Slavenākā un faktiski klasiskā skaņas lokalizācijas teorija ir Džefresa modelis (Loids A. Džefress). Tas ir balstÄ«ts uz iezÄ«mēta lÄ«nija* detektorneironus, kas ir jutÄ«gi pret neironu ievades binaurālo sinhronizāciju no katras auss, un katrs neirons ir maksimāli jutÄ«gs pret noteiktu ITD daudzumu (1Š).

AtzÄ«mētās lÄ«nijas princips* ir hipotēze, kas izskaidro, kā dažādi nervi, kuri visi izmanto vienus un tos paÅ”us fizioloÄ£iskos principus, pārraidot impulsus gar saviem aksoniem, spēj radÄ«t dažādas sajÅ«tas. Strukturāli lÄ«dzÄ«gi nervi var radÄ«t atŔķirÄ«gu maņu uztveri, ja tie ir savienoti ar unikāliem centrālās nervu sistēmas neironiem, kas dažādos veidos spēj atÅ”ifrēt lÄ«dzÄ«gus nervu signālus.

Skaņas lokalizācija: kā smadzenes atpazīst skaņas avotus
1. attēls

Å is modelis ir skaitļoÅ”anas ziņā lÄ«dzÄ«gs neironu kodÄ“Å”anai, pamatojoties uz neierobežotām skaņu savstarpējām korelācijām, kas sasniedz abas ausis.

Ir arÄ« modelis, kas liek domāt, ka skaņas lokalizāciju var modelēt, pamatojoties uz atŔķirÄ«bām reakcijas ātrumā noteiktām neironu populācijām no dažādām smadzeņu puslodēm, t.i. starppusložu asimetrijas modelis (1V).

LÄ«dz Å”im bija grÅ«ti viennozÄ«mÄ«gi pateikt, kura no abām teorijām (modeļiem) ir pareiza, ņemot vērā, ka katra no tām paredz dažādas skaņas lokalizācijas atkarÄ«bas no skaņas intensitātes.

PētÄ«jumā, ko mēs Å”odien aplÅ«kojam, pētnieki nolēma apvienot abus modeļus, lai saprastu, vai skaņu uztvere ir balstÄ«ta uz neironu kodÄ“Å”anu vai uz atŔķirÄ«bām atseviŔķu neironu populāciju reakcijā. Tika veikti vairāki eksperimenti, kuros piedalÄ«jās cilvēki vecumā no 18 lÄ«dz 27 gadiem (5 sievietes un 7 vÄ«rieÅ”i). DalÄ«bnieku audiometrija (dzirdes asuma mērÄ«jums) bija 25 dB vai augstāka no 250 lÄ«dz 8000 Hz. Eksperimentu dalÄ«bnieks tika ievietots skaņu izolētā telpā, kurā tika ievietots Ä«paÅ”s aprÄ«kojums, kas kalibrēts ar augstu precizitāti. DalÄ«bniekiem, dzirdot skaņas signālu, bija jānorāda virziens, no kura tas nāk.

Pētījuma rezultāti

Lai novērtētu atkarību lateralizācija* smadzeņu darbība no skaņas intensitātes, reaģējot uz iezīmētajiem neironiem, tika izmantoti dati par neironu reakcijas ātrumu meža pūces smadzeņu laminārajā kodolā.

Laterality* - ķermeņa kreisās un labās puses asimetrija.

Lai novērtētu smadzeņu aktivitātes lateralizācijas atkarÄ«bu no noteiktu neironu populāciju reakcijas ātruma, tika izmantoti dati par rēzus pērtiÄ·u smadzeņu inferior colliculus aktivitāti, pēc kā papildus tika aprēķinātas dažādu pusložu neironu ātruma atŔķirÄ«bas. .

Detektoru neironu iezīmētās līnijas modelis paredz, ka, samazinoties skaņas intensitātei, uztvertā avota sāniskums konverģēs uz vidējām vērtībām, kas līdzinās mīksto un skaļo skaņu attiecībai (1S).

Savukārt puslodes asimetrijas modelis liecina, ka, skaņas intensitātei samazinoties lÄ«dz tuvu sliekŔņa lÄ«menim, uztvertā lateralitāte novirzÄ«sies uz viduslÄ«niju (1D).

Pie lielākas kopējās skaņas intensitātes lateralizācija ir paredzama intensitātes nemainÄ«ga (ielaidumi 1S Šø 1D).

Tāpēc, analizējot, kā skaņas intensitāte ietekmē uztverto skaņas virzienu, mēs varam precÄ«zi noteikt tajā brÄ«dÄ« notiekoÅ”o procesu raksturu - neironus no viena un tā paÅ”a vispārējā apgabala vai neironus no dažādām puslodēm.

Skaidrs, ka personas spēja diskriminēt ITD var atŔķirties atkarÄ«bā no skaņas intensitātes. Tomēr zinātnieki saka, ka ir grÅ«ti interpretēt iepriekŔējos atklājumus, kas saistÄ«ja jutÄ«gumu ar ITD un klausÄ«tāju spriedumu par skaņas avota virzienu kā skaņas intensitātes funkciju. Dažos pētÄ«jumos teikts, ka tad, kad skaņas intensitāte sasniedz robežas slieksni, avota uztvertā lateralitāte samazinās. Citi pētÄ«jumi liecina, ka intensitāte vispār neietekmē uztveri.

Citiem vārdiem sakot, zinātnieki ā€œmaigiā€ dod mājienu, ka literatÅ«rā ir maz informācijas par saistÄ«bu starp ITD, skaņas intensitāti un tā avota virziena noteikÅ”anu. Ir teorijas, kas pastāv kā sava veida aksiomas, kuras zinātniskā sabiedrÄ«ba ir vispārpieņēmusi. Tāpēc tika nolemts detalizēti pārbaudÄ«t praksē visas teorijas, modeļus un iespējamos dzirdes uztveres mehānismus.

Pirmais eksperiments tika balstīts uz psihofizisku paradigmu, kas ļāva pētīt ITD balstītu lateralizāciju kā skaņas intensitātes funkciju desmit normālas dzirdes dalībnieku grupā.

Skaņas lokalizācija: kā smadzenes atpazīst skaņas avotus
2. attēls

Skaņas avoti tika Ä«paÅ”i pielāgoti, lai aptvertu lielāko daļu frekvenču diapazona, kurā cilvēki spēj noteikt ITD, t.i. no 300 lÄ«dz 1200 Hz (2Š).

Katrā izmēģinājumā klausÄ«tājam bija jānorāda uztvertā lateralitāte, kas mērÄ«ta kā sajÅ«tas lÄ«meņa funkcija ITD vērtÄ«bu diapazonā no 375 lÄ«dz 375 ms. Lai noteiktu skaņas intensitātes efektu, tika izmantots nelineārs jaukto efektu modelis (NMLE), kas ietvēra gan fiksētu, gan nejauÅ”u skaņas intensitāti.

Ieplānot 2V demonstrē aptuveno lateralizāciju ar spektrāli plakanu troksni pie divām skaņas intensitātēm reprezentatīvam klausītājam. Un grafiks 2S parāda visu klausītāju neapstrādātos datus (apļus) un pielāgoto NMLE modeli (līnijas).

Skaņas lokalizācija: kā smadzenes atpazīst skaņas avotus
Tabula Nr.1

AugŔējā tabulā ir parādÄ«ti visi NLME parametri. Var redzēt, ka uztvertā lateralitāte palielinājās, palielinoties ITD, kā to gaidÄ«ja zinātnieki. Samazinoties skaņas intensitātei, uztvere arvien vairāk novirzÄ«jās uz viduslÄ«niju (ievietots grafikā 2C).

Å Ä«s tendences atbalstÄ«ja NLME modelis, kas uzrādÄ«ja bÅ«tisku ITD un skaņas intensitātes ietekmi uz maksimālo sānu pakāpi, atbalstot starppusložu atŔķirÄ«bu modeli.

Turklāt vidējiem audiometriskiem sliekŔņiem tÄ«riem toņiem bija maza ietekme uz uztverto lateralitāti. Bet skaņas intensitāte bÅ«tiski neietekmēja psihometrisko funkciju rādÄ«tājus.

Otrā eksperimenta galvenais mērÄ·is bija noteikt, kā mainÄ«sies iepriekŔējā eksperimentā iegÅ«tie rezultāti, ņemot vērā stimulu (skaņu) spektrālās Ä«patnÄ«bas. NepiecieÅ”amÄ«ba pārbaudÄ«t spektrāli plakanu troksni pie zemas skaņas intensitātes ir tāda, ka spektra daļas var nebÅ«t dzirdamas, un tas var ietekmēt skaņas virziena noteikÅ”anu. LÄ«dz ar to pirmā eksperimenta rezultātus var kļūdaini sajaukt ar to, ka, samazinoties skaņas intensitātei, spektra dzirdamās daļas platums var samazināties.

Tāpēc tika nolemts veikt vēl vienu eksperimentu, bet izmantojot pretējo A svērtais* troksnis

A svērÅ”ana* attiecas uz skaņas lÄ«meņiem, lai ņemtu vērā relatÄ«vo skaļumu, ko uztver cilvēka auss, jo auss ir mazāk jutÄ«ga pret zemām skaņas frekvencēm. A svērums tiek Ä«stenots, izmērÄ«tajiem skaņas spiediena lÄ«meņiem dB aritmētiski pievienojot oktāvu joslās norādÄ«to vērtÄ«bu tabulu.

Uz diagrammas 2D parāda visu eksperimenta dalībnieku neapstrādātos datus (apļus) un NMLE modelim pielāgotos datus (līnijas).

Datu analīze parādīja, ka tad, kad visas skaņas daļas ir aptuveni vienādi dzirdamas (gan pirmajā, gan otrajā izmēģinājumā), uztvertā lateralitāte un slīpums grafikā, kas izskaidro lateralitātes izmaiņas ar ITD, samazinās, samazinoties skaņas intensitātei.

Tādējādi otrā eksperimenta rezultāti apstiprināja pirmā eksperimenta rezultātus. Tas ir, praksē ir pierādīts, ka Džefresa 1948. gadā piedāvātais modelis nav pareizs.

Izrādās, ka skaņas lokalizācija pasliktinās, kad skaņas intensitāte samazinās, un Džefress uzskatīja, ka skaņas cilvēki uztver un apstrādā vienādi, neatkarīgi no to intensitātes.

Detalizētākai iepazÄ«Å”anai ar pētÄ«juma niansēm iesaku aplÅ«kot ziņo zinātnieki.

Epilogs

Teorētiskie pieņēmumi un praktiskie eksperimenti, kas tos apstiprina, ir parādÄ«juÅ”i, ka smadzeņu neironi zÄ«dÄ«tājiem tiek aktivizēti dažādos ātrumos atkarÄ«bā no skaņas signāla virziena. Pēc tam smadzenes salÄ«dzina Å”os ātrumus starp visiem procesā iesaistÄ«tajiem neironiem, lai dinamiski izveidotu skaņas vides karti.

Džefrisona modelis patiesÄ«bā nav 100% nepareizs, jo ar to var lieliski aprakstÄ«t skaņas avota lokalizāciju meža pÅ«cēs. Jā, meža pÅ«cēm skaņas intensitātei nav nozÄ«mes, jebkurā gadÄ«jumā tās noteiks tās avota vietu. Tomēr Å”is modelis nedarbojas ar rēzus pērtiÄ·iem, kā liecina iepriekŔējie eksperimenti. Tāpēc Å”is Džefrisona modelis nevar aprakstÄ«t visu dzÄ«vo bÅ«tņu skaņu lokalizāciju.

Eksperimenti ar cilvēku dalÄ«bniekiem vēlreiz apstiprināja, ka skaņas lokalizācija dažādos organismos notiek atŔķirÄ«gi. Daudzi no dalÄ«bniekiem nevarēja pareizi noteikt skaņas signālu avota pozÄ«ciju skaņu zemās intensitātes dēļ.

Zinātnieki uzskata, ka viņu darbs parāda zināmas lÄ«dzÄ«bas starp to, kā mēs redzam un kā mēs dzirdam. Abi procesi ir saistÄ«ti ar neironu ātrumu dažādās smadzeņu daļās, kā arÄ« ar Ŕīs atŔķirÄ«bas novērtÄ“Å”anu, lai noteiktu gan objektu novietojumu, ko mēs redzam telpā, gan dzirdamās skaņas avota pozÄ«ciju.

Nākotnē pētnieki gatavojas veikt virkni eksperimentu, lai sÄ«kāk izpētÄ«tu saikni starp cilvēka dzirdi un redzi, kas ļaus labāk saprast, kā tieÅ”i mÅ«su smadzenes dinamiski veido apkārtējās pasaules karti.

Paldies, ka lasÄ«jāt, esiet zinātkārs un lai jums lieliska nedēļa, puiÅ”i! šŸ™‚

Paldies, ka palikāt kopā ar mums. Vai jums patīk mūsu raksti? Vai vēlaties redzēt interesantāku saturu? Atbalsti mūs, pasūtot vai iesakot draugiem, mākoņa VPS izstrādātājiem no 4.99 USD, 30% atlaide Habr lietotājiem unikālam sākuma līmeņa serveru analogam, ko mēs jums izgudrojām: Visa patiesība par VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 kodoli) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps no 20$ vai kā koplietot serveri? (pieejams ar RAID1 un RAID10, līdz 24 kodoliem un līdz 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2 reizes lētāk? Tikai Å”eit 2x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV no 199$ NÄ«derlandē! Dell R420 ā€” 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB ā€” no 99 USD! LasÄ«t par Kā izveidot infrastruktÅ«ras uzņēmumu klase ar Dell R730xd E5-2650 v4 serveru izmantoÅ”anu 9000 eiro par santÄ«mu?

Avots: www.habr.com

Pievieno komentāru