Świat, który nas otacza, jest wypełniony różnorodnymi informacjami, które nasz mózg nieustannie przetwarza. Otrzymuje te informacje za pośrednictwem zmysłów, z których każdy odpowiada za swoją część sygnałów: oczy (wzrok), język (smak), nos (węch), skóra (dotyk), aparat przedsionkowy (równowaga, położenie w przestrzeni i odczucie ciężaru) oraz uszy (dźwięk). Zbierając razem sygnały z tych wszystkich organów, nasz mózg może stworzyć dokładny obraz otoczenia. Jednak nie wszystkie aspekty przetwarzania zewnętrznych sygnałów są nam znane. Jedną z takich tajemnic jest mechanizm lokalizacji źródła dźwięków.
Naukowcy z laboratorium neuroinżynierii mowy i słuchu (Instytut Technologiczny New Jersey) zaproponowali nowy model procesu neuronowego lokalizacji dźwięku. Jakie procesy zachodzą w mózgu podczas percepcji dźwięku, jak nasz mózg rozumie położenie źródła dźwięku i jak to badanie może pomóc w walce z defektami słuchu. O tym dowiemy się z raportu grupy badawczej. Ruszajmy.
Podstawa badania
Informacje, które nasz mózg otrzymuje od zmysłów, różnią się od siebie zarówno pod względem źródła, jak i przetwarzania. Niektóre sygnały od razu pojawiają się w naszym mózgu w postaci dokładnych informacji, inne zaś wymagają dodatkowych procesów obliczeniowych. Mówiąc wprost, dotyk czujemy od razu, natomiast słysząc dźwięk, musimy jeszcze ustalić, skąd on pochodzi.
Podstawą lokalizacji dźwięków w płaszczyźnie poziomej jest interauralna* różnica w czasie (ITD, od interaural time difference) dźwięków docierających do uszu słuchacza.
Interauralna baza* to odległość między uszami.
W mózgu znajduje się określony obszar (medialna górna oliwka lub MGO), który odpowiada za ten proces. W momencie otrzymania sygnału dźwiękowego w MGO następuje przetwarzanie różnic interauralnych w czasie na prędkość reakcji neuronów. Kształt krzywych prędkości sygnału wyjściowego MGO jako funkcji ITD przypomina kształt funkcji wzajemnej korelacji dla sygnałów docierających do każdego ucha.
To, jak przetwarzane i interpretowane są informacje w MVO, pozostaje nie do końca jasne, co powoduje istnienie kilku dość kontrowersyjnych teorii. Najbardziej znaną i klasyczną teorią lokalizacji dźwięku jest model Jeffressa (Lloyd A. Jeffress). Opiera się on na linii znakowanej* neuronów-detek torów, które są wrażliwe na binau ralną synchronizację sygnałów nerwowych z każdego ucha, przy czym każdy neuron jest maksymalnie wrażliwy na określoną wartość ITD (1A).
Zasada linii znakowanej* — hipoteza wyjaśniająca, jak różne nerwy, wszystkie wykorzystujące te same zasady fizjologiczne do przesyłania impulsów wzdłuż swoich aksonów, mogą generować różne odczucia. Strukturalnie podobne nerwy mogą generować różne doznania sensoryczne, jeśli są połączone z unikalnymi neuronami w centralnym układzie nerwowym, które potrafią dekodować podobne sygnały nerwowe na różne sposoby.
Obrazek nr 1
Model ten w sensie obliczeniowym przypomina kodowanie neuronowe, oparte na nieograniczonych współzależnościach dźwięków docierających do obu uszu.
Istnieje również model, w którym proponuje się, że lokalizacja dźwięku może być modelowana na podstawie różnic w prędkości reakcji określonych populacji neuronów z różnych półkul mózgu, tzn. model asymetrii między półkulami (1W).
Trudno było jak dotąd jednoznacznie stwierdzić, która z dwóch teorii (modeli) jest poprawna, biorąc pod uwagę, że każda z nich przewiduje różne zależności lokalizacji dźwięku od jego intensywności.
W rozważanym dzisiaj badaniu naukowcy postanowili połączyć oba modele, aby zrozumieć, czy percepcja dźwięków opiera się na kodowaniu neuronowym, czy na różnicy reakcji poszczególnych populacji neuronowych. Przeprowadzono kilka eksperymentów z udziałem osób w wieku od 18 do 27 lat (5 kobiet i 7 mężczyzn). Audiometria (pomiar ostrości słuchu) uczestników wynosiła 25 dB lub więcej przy częstotliwości od 250 do 8000 Hz. Uczestnicy byli umieszczani w dźwiękoszczelnej sali, w której znajdowało się specjalne sprzęt, skalibrowany z wysoką precyzją. Uczestnicy mieli wskazać kierunek, z którego dochodził sygnał dźwiękowy.
Wyniki badania
Aby ocenić zależność lateralizacji* aktywności mózgu od intensywności dźwięku w odpowiedzi na oznaczone neurony wykorzystano dane o czasie reakcji neuronów w warstwie laminarnej mózgu sóweczki.
Lateralność* — asymetria lewej i prawej strony ciała.
Aby ocenić zależność lateralizacji aktywności mózgu od czasu reakcji określonych populacji neuronów wykorzystano dane o aktywności dolnych wzgórków mózgu małpy rezus, po czym dodatkowo obliczono różnice w czasie neuronów z różnych półkul.
Model oznaczonej linii neuronów-detektywów zakłada, że przy zmniejszeniu intensywności dźwięku lateralność postrzeganego źródła będzie zbiegać do średnich wartości, podobnych dla cichych i głośnych dźwięków (1C).
Model asymetrii między półkulami z kolei zakłada, że przy obniżeniu intensywności dźwięku do prawie progowych, postrzegana lateralność będzie przesuwać się w kierunku linii środkowej (1D).
Przy wyższej ogólnej intensywności dźwięku zakłada się, że lateralizacja będzie inwariantna względem intensywności (wstawki na 1C i 1D).
W związku z tym analiza tego, jak intensywność dźwięku wpływa na postrzegany kierunek dźwięku, pozwala dokładnie określić charakter zachodzących w danym momencie procesów — neurony z jednego obszaru wspólnego lub neurony z różnych półkul.
Oczywiście, zdolność człowieka do rozróżniania ITD może się różnić w zależności od intensywności dźwięku. Jednak naukowcy twierdzą, że wystarczająco trudno jest zinterpretować wcześniejsze wnioski łączące wrażliwość na ITD i ocenę kierunku źródła dźwięku przez słuchacza jako funkcję intensywności dźwięku. Niektóre badania wskazują, że osiągnięcie intensywności dźwięku na granicy poziomu powoduje spadek postrzeganej lateralności źródła. Inne badania sugerują, że wpływ intensywności na percepcję jest całkowicie nieobecny.
In other words, scientists are subtly hinting that there is insufficient information in the literature regarding the relationship between ITD, sound intensity, and determining the direction of its source. There are theories that exist as a sort of axioms, widely accepted by the scientific community. Therefore, it was decided to thoroughly examine all theories, models, and possible mechanisms of hearing perception in practice.
The first experiment was based on the use of a psychophysical paradigm, which allowed the study of lateralization based on ITD as a function of sound intensity in a group of ten normally hearing participants in the experiment.
Obraz Nr 2
The sound sources were specifically tuned to cover a large part of the frequency range within which people can recognize ITD, i.e., from 300 to 1200 Hz (2A).
In each trial, the listener had to indicate the perceived laterality, measured as a function of sensation levels, within an ITD range from 375 to 375 ms. To determine the influence of sound intensity, a nonlinear mixed effects model (NMLE) was used, which included both fixed and random sound intensity.
Wykres 2B demonstrates the estimated lateralization with spectrally flat noise at two sound intensities for a representative listener. And the chart 2С shows the raw data (points) and those fitted to the NMLE model (lines) for all listeners.
Table No. 1
The table above shows all the parameters of NLME. It is evident that perceived laterality increased with greater ITD, as the scientists expected. With decreasing sound intensity, perception shifted more towards the median line (insert in the chart 2C).
These trends were supported by the NLME model, which demonstrated a significant effect of ITD and sound intensity on the maximum degree of laterality, confirming the interhemispheric differences model.
Moreover, the average audiometric thresholds of pure tones had a slight influence on the perceived laterality. However, sound intensity did not significantly affect the psychometric function metrics.
Głównym celem drugiego eksperymentu było ustalenie, jak wyniki uzyskane w poprzednim eksperymencie zmienią się, biorąc pod uwagę spektralne właściwości bodźców (dźwięków). Konieczność weryfikacji widma płaskiego szumu przy niskiej intensywności dźwięku wynika z tego, że części widma mogą być niesłyszalne, co może wpłynąć na określenie kierunku dźwięku. W związku z tym, wyniki pierwszego eksperymentu mogą błędnie sugerować, że szerokość słyszalnej części widma może maleć wraz z malejącą intensywnością dźwięku.
Dlatego postanowiono przeprowadzić jeszcze jeden eksperyment, ale już z zastosowaniem wag A* szumów.
Wagi A* stosuje się do poziomów dźwięku, aby uwzględnić względną głośność, jaką postrzega ludzkie ucho, ponieważ ucho jest mniej wrażliwe na niskie częstotliwości dźwięku. Wagi A realizowane są poprzez arytmetyczne dodawanie tabeli wartości wymienionych w pasmach oktawowych do zmierzonych poziomów ciśnienia akustycznego w dB.
Na wykresie 2D przedstawiono surowe dane (kółka) oraz dane dopasowane do modelu NMLE (linie) wszystkich uczestników eksperymentu.
Analiza danych wykazała, że gdy wszystkie części dźwięku są mniej więcej tak samo słyszalne (zarówno w pierwszym, jak i drugim doświadczeniu), postrzegana lateralność oraz nachylenie na wykresie wyjaśniającym zmianę lateralności z ITD maleją wraz z spadkiem intensywności dźwięku.
W ten sposób wyniki drugiego eksperymentu potwierdziły wyniki pierwszego. To znaczy, w praktyce wykazano, że model zaproponowany przez Jeffressa jeszcze w 1948 roku nie jest poprawny.
Wynika z tego, że lokalizacja dźwięków pogarsza się przy zmniejszeniu intensywności dźwięku, podczas gdy Jeffress uważał, że dźwięki są postrzegane i przetwarzane przez człowieka w sposób jednolity, niezależnie od ich intensywności.
Aby dokładniej zapoznać się z niuansami badania, polecam zajrzeć do .
Epilog
Teoretyczne założenia oraz potwierdzające je praktyczne doświadczenia pokazały, że neurony mózgu ssaków aktywują się z różną szybkością w zależności od kierunku sygnału dźwiękowego. Następnie mózg porównuje te szybkości między wszystkimi neuronami zaangażowanymi w proces w celu dynamicznego skonstruowania mapy środowiska dźwiękowego.
Model Jeffersona nie jest całkowicie błędna, ponieważ można ją zastosować do idealnego opisania lokalizacji źródła dźwięku u sów. Tak, dla sów intensywność dźwięku nie ma znaczenia, i tak określą położenie jego źródła. Jednak ten model nie działa na makakach rezusach, co wykazały przeprowadzone wcześniej eksperymenty. W związku z tym model Jeffersona nie może opisać lokalizacji dźwięków dla wszystkich żywych istot.
Eksperymenty z udziałem ludzi jeszcze raz potwierdziły, że lokalizacja dźwięków przebiega u różnych organizmów w różny sposób. Wielu uczestników nie potrafiło prawidłowo określić lokalizacji źródła sygnałów dźwiękowych z powodu niskiej intensywności dźwięków.
Naukowcy uważają, że ich praca pokazuje pewne podobieństwo między tym, jak widzimy, a jak słyszymy. Oba procesy są związane z szybkością neuronów w różnych obszarach mózgu oraz z oceną tej różnicy w celu określenia zarówno lokalizacji widocznych przez nas obiektów w przestrzeni, jak i lokalizacji źródła słyszanego przez nas dźwięku.
W dalszej kolejności badacze planują przeprowadzenie serii eksperymentów w celu bardziej szczegółowego zbadania związku między słuchem a wzrokiem człowieka, co pozwoli lepiej zrozumieć, jak nasz mózg dynamicznie buduje mapę otaczającego nas świata.
Dziękuję za uwagę, pozostawajcie ciekawi i życzę wszystkim udanego tygodnia roboczego, chłopaki! 🙂
Dziękujemy, że jesteś z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej interesujących materiałów? Wspieraj nas składając zamówienie lub polecając nas znajomym, , 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów entry-level, który został stworzony przez nas dla Ciebie: (dostępne opcje z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40GB DDR4).
Dell R730xd dwa razy tańszy? Tylko u nas w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 dolarów! Czytaj o tym
Źródło: habr.com
