Verden rundt oss er fylt med all slags informasjon som hjernen vår kontinuerlig behandler. Han mottar denne informasjonen gjennom sanseorganer, som hver er ansvarlig for sin andel av signaler: øyne (syn), tunge (smak), nese (lukt), hud (berøring), vestibulære apparater (balanse, plassering i rom og følelse av vekt) og ører (lyd). Ved å kombinere signaler fra alle disse organene kan hjernen vår bygge et nøyaktig bilde av miljøet vårt. Men ikke alle aspekter ved behandling av eksterne signaler er kjent for oss. En av disse hemmelighetene er mekanismen for å lokalisere lydkilden.
Forskere fra Laboratory of Neuroengineering of Speech and Hearing (New Jersey Institute of Technology) har foreslått en ny modell av den nevrale prosessen med lydlokalisering. Hvilke eksakte prosesser skjer i hjernen under oppfattelsen av lyd, hvordan hjernen vår forstår posisjonen til lydkilden, og hvordan denne forskningen kan hjelpe i kampen mot hørselsfeil. Vi lærer om dette fra rapporten fra forskergruppen. Gå.
Grunnlaget for studien
Informasjonen hjernen vår mottar fra sansene våre er forskjellig fra hverandre, både når det gjelder kilde og prosessering. Noen signaler vises umiddelbart for hjernen vår som nøyaktig informasjon, mens andre krever ytterligere beregningsprosesser. Grovt sett kjenner vi en berøring umiddelbart, men når vi hører en lyd, må vi fortsatt finne hvor den kommer fra.
Grunnlaget for å lokalisere lyder i horisontalplanet er interaural* tidsforskjell (ITD fra interaural tidsforskjell) lyder når lytterens ører.
Interaural base* - avstand mellom ørene.
Det er et spesifikt område i hjernen (medial superior oliven eller MSO) som er ansvarlig for denne prosessen. I det øyeblikket lydsignalet mottas i MVO, konverteres interaurale tidsforskjeller til reaksjonshastigheten til nevroner. Formen på MBO-utgangshastighetskurvene som en funksjon av ITD ligner formen på krysskorrelasjonsfunksjonen til inngangssignalene for hvert øre.
Hvordan informasjon behandles og tolkes i MBO er fortsatt ikke helt klart, og det er derfor det er flere svært motstridende teorier. Den mest kjente og faktisk klassiske teorien om lydlokalisering er Jeffress-modellen (Lloyd A. Jeffress). Den er basert på merket linje* detektornevroner som er følsomme for binaural synkronisering av nevrale innganger fra hvert øre, hvor hvert nevron er maksimalt følsomt for en viss mengde ITD (1А).
Marked line-prinsipp* er en hypotese som forklarer hvordan forskjellige nerver, som alle bruker de samme fysiologiske prinsippene for å overføre impulser langs aksonene sine, er i stand til å generere forskjellige sensasjoner. Strukturelt like nerver kan generere forskjellige sensoriske oppfatninger hvis de er koblet til unike nevroner i sentralnervesystemet som er i stand til å avkode lignende nervesignaler på forskjellige måter.
Bilde #1
Denne modellen er beregningsmessig lik nevral koding, basert på ubegrensede krysskorrelasjoner av lyder som når begge ørene.
Det finnes også en modell som antyder at lydlokalisering kan modelleres basert på forskjeller i responshastigheten til visse populasjoner av nevroner fra forskjellige hjernehalvdeler, dvs. modell av interhemisfærisk asymmetri (1V).
Til nå var det vanskelig å entydig si hvilken av de to teoriene (modellene) som er riktige, gitt at hver av dem forutsier ulike avhengigheter av lydlokalisering på lydintensitet.
I studien vi ser på i dag, bestemte forskerne seg for å kombinere begge modellene for å forstå om oppfatningen av lyder er basert på nevral koding eller på forskjeller i responsen til individuelle nevrale populasjoner. Det ble utført flere eksperimenter der personer i alderen 18 til 27 år (5 kvinner og 7 menn) deltok. Deltakernes audiometri (en måling av hørselsskarphet) var 25 dB eller høyere mellom 250 og 8000 Hz. Deltakeren i forsøkene ble plassert i et lydisolert rom, hvor spesialutstyr ble plassert, kalibrert med høy nøyaktighet. Deltakerne måtte, etter å ha hørt et lydsignal, angi retningen det kom fra.
Forskningsresultater
For å vurdere avhengighet lateralisering* hjerneaktivitet fra lydintensitet som respons på merkede nevroner, ble data om reaksjonshastigheten til nevroner i den laminære kjernen til perleuglehjernen brukt.
Lateralitet* - asymmetri i venstre og høyre halvdel av kroppen.
For å vurdere avhengigheten av lateralisering av hjerneaktivitet på reaksjonshastigheten til visse populasjoner av nevroner, ble data fra aktiviteten til den nedre colliculus av rhesus-apehjernen brukt, hvoretter forskjeller i hastigheten til nevroner fra forskjellige halvkuler ble i tillegg beregnet .
Den markerte linjemodellen av detektorneuroner forutsier at når lydintensiteten avtar, vil lateraliteten til den oppfattede kilden konvergere til gjennomsnittlige verdier som ligner på forholdet mellom myke og høye lyder (1S).
Den hemisfæriske asymmetrimodellen antyder på sin side at når lydintensiteten avtar til nær terskelnivåer, vil oppfattet lateralitet skifte mot midtlinjen (1D).
Ved høyere total lydintensitet forventes lateralisering å være intensitetsinvariant (innsatt i 1S и 1D).
Derfor, ved å analysere hvordan lydintensiteten påvirker den oppfattede retningen av lyd, kan vi nøyaktig bestemme arten av prosessene som skjer i det øyeblikket - nevroner fra samme generelle område eller nevroner fra forskjellige halvkuler.
Det er klart at en persons evne til å diskriminere ITD kan variere avhengig av lydintensitet. Forskerne sier imidlertid at det er vanskelig å tolke tidligere funn som knytter følsomhet til ITD og lytternes vurdering av lydkilderetningen som en funksjon av lydintensiteten. Noen studier sier at når lydintensiteten når en grenseterskel, reduseres den oppfattede lateraliteten til kilden. Andre studier tyder på at det ikke er noen effekt av intensitet på persepsjon i det hele tatt.
Med andre ord antyder forskere "skånsomt" at det er lite informasjon i litteraturen om forholdet mellom ITD, lydintensitet og å bestemme retningen til kilden. Det er teorier som eksisterer som en slags aksiomer, generelt akseptert av det vitenskapelige miljøet. Derfor ble det besluttet å teste i detalj alle teorier, modeller og mulige mekanismer for hørselsoppfatning i praksis.
Det første eksperimentet var basert på et psykofysisk paradigme som tillot studiet av ITD-basert lateralisering som en funksjon av lydintensitet i en gruppe på ti normalthørende deltakere.
Bilde #2
Lydkildene ble spesifikt innstilt for å dekke det meste av frekvensområdet som mennesker er i stand til å oppdage ITD, dvs. fra 300 til 1200 Hz (2А).
På hvert forsøk måtte lytteren indikere opplevd lateralitet, målt som en funksjon av sensasjonsnivå, over et område med ITD-verdier fra 375 til 375 ms. For å bestemme effekten av lydintensitet ble det brukt en ikke-lineær mixed effects-modell (NMLE) som inkluderte både fast og tilfeldig lydintensitet.
Planlegg 2V demonstrerer estimert lateralisering med spektralt flat støy ved to lydintensiteter for en representativ lytter. Og timeplanen 2S viser rådata (sirkler) og den tilpassede NMLE-modellen (linjer) for alle lyttere.
Tabell nr. 1
Tabellen ovenfor viser alle NLME-parametere. Det kan sees at opplevd lateralitet økte med økende ITD, slik forskerne forventet. Etter hvert som lydintensiteten avtok, skiftet oppfatningen mer og mer mot midtlinjen (innsatt i grafen 2C).
Disse trendene ble støttet av NLME-modellen, som viste signifikante effekter av ITD og lydintensitet på maksimal grad av lateralitet, og støttet modellen for interhemisfæriske forskjeller.
I tillegg hadde gjennomsnittlige audiometriske terskler for rene toner liten effekt på opplevd lateralitet. Men lydintensiteten påvirket ikke indikatorene for psykometriske funksjoner signifikant.
Hovedmålet med det andre eksperimentet var å bestemme hvordan resultatene oppnådd i det forrige eksperimentet ville endre seg når man tok hensyn til de spektrale egenskapene til stimuliene (lydene). Behovet for å teste for spektralt flat støy ved lav lydintensitet er at deler av spekteret kanskje ikke er hørbare og dette kan påvirke bestemmelsen av lydretningen. Følgelig kan resultatene fra det første eksperimentet feilaktig forveksles med det faktum at bredden på den hørbare delen av spekteret kan avta med synkende lydintensitet.
Derfor ble det besluttet å gjennomføre et nytt eksperiment, men ved å bruke det motsatte A-vektet* bråk
A-veiing* brukes på lydnivåer for å ta hensyn til den relative lydstyrken som oppfattes av det menneskelige øret, siden øret er mindre følsomt for lave lydfrekvenser. A-vekting implementeres ved aritmetisk å legge til en tabell med verdier oppført i oktavbånd til de målte lydtrykknivåene i dB.
På diagrammet 2D viser rådata (sirkler) og NMLE modelltilpassede data (linjer) for alle deltakerne i eksperimentet.
Analyse av dataene viste at når alle deler av lyden er tilnærmet like hørbare (både i den første og den andre prøven), avtar oppfattet lateralitet og helningen i grafen som forklarer endringen i lateralitet med ITD med synkende lydintensitet.
Dermed bekreftet resultatene fra det andre eksperimentet resultatene fra det første. Det vil si at det i praksis har vist seg at modellen foreslått tilbake i 1948 av Jeffress ikke er riktig.
Det viser seg at lydlokalisering forverres når lydintensiteten avtar, og Jeffress mente at lyder oppfattes og behandles av mennesker på samme måte, uavhengig av intensiteten.
For en mer detaljert forståelse av nyansene i studien anbefaler jeg å ta en titt på .
Epilog
Teoretiske antakelser og praktiske eksperimenter som bekrefter dem, har vist at hjerneneuroner hos pattedyr aktiveres med forskjellige hastigheter avhengig av retningen til lydsignalet. Hjernen sammenligner deretter disse hastighetene mellom alle nevroner som er involvert i prosessen for å dynamisk bygge et kart over lydmiljøet.
Jeffressons modell er faktisk ikke 100 % feil, siden den kan brukes til å perfekt beskrive lokaliseringen av lydkilden hos perleugler. Ja, for perleugler spiller intensiteten på lyden ingen rolle; i alle fall vil de bestemme plasseringen av kilden. Denne modellen fungerer imidlertid ikke med rhesus-aper, som tidligere forsøk har vist. Derfor kan ikke denne Jeffresson-modellen beskrive lokaliseringen av lyder for alle levende ting.
Eksperimenter med menneskelige deltakere har nok en gang bekreftet at lydlokalisering skjer forskjellig i ulike organismer. Mange av deltakerne klarte ikke å bestemme posisjonen til lydsignalkilden riktig på grunn av den lave intensiteten til lydene.
Forskere mener at arbeidet deres viser visse likheter mellom hvordan vi ser og hvordan vi hører. Begge prosessene er assosiert med hastigheten til nevroner i forskjellige deler av hjernen, så vel som med vurderingen av denne forskjellen for å bestemme både posisjonen til objektene vi ser i rommet og posisjonen til kilden til lyden vi hører.
I fremtiden skal forskerne gjennomføre en serie eksperimenter for å undersøke mer detaljert sammenhengen mellom menneskelig hørsel og syn, noe som vil tillate oss å bedre forstå hvordan nøyaktig hjernen vår dynamisk bygger et kart over verden rundt oss.
Takk for at du leser, vær nysgjerrig og ha en flott uke folkens! 🙂
Takk for at du bor hos oss. Liker du artiklene våre? Vil du se mer interessant innhold? Støtt oss ved å legge inn en bestilling eller anbefale til venner, , 30 % rabatt for Habr-brukere på en unik analog av inngangsnivåservere, som ble oppfunnet av oss for deg: (tilgjengelig med RAID1 og RAID10, opptil 24 kjerner og opptil 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 ganger billigere? Bare her i Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Lese om
Kilde: www.habr.com