O mundo ao nosso redor está cheio de informações diversas que nosso cérebro processa continuamente. Ele obtém essas informações por meio dos sentidos, cada um responsável por sua parte de sinais: olhos (visão), língua (sabor), nariz (olfato), pele (tato), aparelho vestibular (equilíbrio, posição no espaço e sensação de peso) e ouvidos (som). Reunindo os sinais de todos esses órgãos, nosso cérebro pode construir uma imagem precisa do ambiente ao seu redor. No entanto, nem todos os aspectos do processamento de sinais externos são conhecidos. Um dos mistérios é o mecanismo de localização de fontes sonoras.
Cientistas do laboratório de neuroengenharia da fala e audição (Instituto de Tecnologia de Nova Jersey) propuseram um novo modelo do processo neuronal de localização do som. Que processos ocorrem no cérebro durante a percepção do som, como nosso cérebro entende a posição da fonte sonora e como esta pesquisa pode ajudar no combate a deficiências auditivas. Isso será revelado no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá.
Base da pesquisa
As informações que nosso cérebro recebe dos sentidos diferem entre si tanto em termos de origem quanto de processamento. Alguns sinais são imediatamente apresentados ao nosso cérebro como informações precisas, enquanto outros necessitam de processos computacionais adicionais. Grosso modo, sentimos um toque imediatamente, mas, ao ouvir um som, ainda precisamos descobrir de onde ele vem.
A base para a localização de sons no plano horizontal é interaural* diferença de tempo (ITD de interaural time difference) dos sons que alcançam os ouvidos do ouvinte.
A base interaural* é a distância entre os ouvidos.
No cérebro, existe uma área específica (oliva superior medial ou MVO) que é responsável por esse processo. No momento em que um sinal sonoro é recebido, ocorre uma conversão das diferenças interaurais de tempo na velocidade de reação dos neurônios. A forma das curvas de velocidade do sinal de saída do MVO como função do ITD se assemelha à forma da função de correlação cruzada dos sinais de entrada para cada ouvido.
A forma como a informação é processada e interpretada no MVO ainda não está completamente clara, o que dá origem a várias teorias bastante contraditórias. A teoria de localização sonora mais conhecida e, de fato, clássica é o modelo de Jeffress (Lloyd A. Jeffress). Este modelo baseia-se em linha marcada* neurônios detectores que são sensíveis à sincronicidade binaural dos sinais neurais de cada ouvido, sendo que cada neurônio é maximamente sensível a um determinado valor de ITD (1A).
O princípio da linha marcada* é uma hipótese que explica como diferentes nervos, todos os quais utilizam os mesmos princípios fisiológicos ao transmitir impulsos ao longo de seus axônios, podem gerar sensações diferentes. Nervos estruturalmente semelhantes podem gerar percepções sensoriais distintas se estiverem conectados a neurônios únicos no sistema nervoso central, que são capazes de decodificar sinais neurais semelhantes de várias maneiras.
Imagem nº 1
Este modelo é computacionalmente semelhante à codificação neuronal baseada em correlações mútuas ilimitadas de sons que alcançam ambos os ouvidos.
Há também um modelo que sugere que a localização do som pode ser modelada com base nas diferenças na velocidade de reação de certas populações de neurônios de diferentes hemisférios do cérebro, ou seja, o modelo de assimetria inter-hemisférica (1B).
Até agora, era difícil afirmar com certeza qual das duas teorias (modelos) estava correta, uma vez que cada uma delas prevê diferentes dependências da localização do som em relação à intensidade do som.
No estudo que estamos examinando hoje, os pesquisadores decidiram combinar ambos os modelos para entender se a percepção dos sons se baseia na codificação neural ou na diferença de reação de populações neurais individuais. Vários experimentos foram realizados, envolvendo indivíduos com idades entre 18 e 27 anos (5 mulheres e 7 homens). A audiometria (medição da acuidade auditiva) dos participantes era de 25 dB ou mais, com frequências entre 250 e 8000 Hz. Os participantes foram colocados em uma sala à prova de som, onde equipamento especial foi instalado e calibrado com alta precisão. Os participantes deveriam, ao ouvir um sinal sonoro, indicar a direção de onde ele estava vindo.
Resultados da Pesquisa
Para avaliar a dependência da lateralização* da atividade cerebral em relação à intensidade do som, foram utilizados dados sobre a velocidade de reação dos neurônios no núcleo laminar do cérebro da casa-owl.
Lateralidade* — é a assimetria entre a metade esquerda e a metade direita do corpo.
Para avaliar a dependência da lateralização da atividade cerebral em relação à velocidade de reação de certas populações de neurônios, foram usados dados de atividade da colina inferior do cérebro do macaco rhesus, após o que foram calculadas as diferenças na velocidade dos neurônios de diferentes hemisférios.
O modelo da linha marcada de neurônios-detectores sugere que, com a diminuição da intensidade do som, a lateralidade da fonte percebida tenderá a convergir para valores médios, semelhantes para a relação entre sons baixos e altos (1C).
O modelo de assimetria inter-hemisférica, por sua vez, sugere que, com a redução da intensidade do som para níveis quase limiares, a lateralidade percebida se deslocará em direção à linha média (1D).
Com uma intensidade geral do som mais elevada, supõe-se que a lateralização será invariável em relação à intensidade (inserções em 1C e 1D).
Portanto, analisar como a intensidade do som afeta a direção percebida do som permite determinar com precisão a natureza dos processos em andamento — neurônios de uma área comum ou neurônios de diferentes hemisférios.
É evidente que a capacidade humana de diferenciar o ITD pode variar com a intensidade do som. No entanto, os cientistas afirmam que é bastante difícil interpretar descobertas anteriores que conectam a sensibilidade ao ITD e a avaliação da direção da fonte sonora pelo ouvinte como uma função da intensidade do som. Alguns estudos afirmam que, ao alcançar a intensidade do som até o limite, a lateralidade percebida da fonte diminui. Outros estudos afirmam que não há influência da intensidade na percepção.
Em outras palavras, os pesquisadores "sutilmente" sugerem que há pouca informação na literatura sobre a relação entre ITD, intensidade do som e a determinação da direção de sua fonte. Existem teorias que funcionam como uma espécie de axiomas, amplamente aceitos pela comunidade científica. Portanto, decidiu-se investigar detalhadamente todas as teorias, modelos e possíveis mecanismos de percepção auditiva na prática.
O primeiro experimento foi baseado na utilização de uma paradigmas psicofísico, que permitiu estudar a lateralização com base no ITD como função da intensidade do som em um grupo de dez participantes normais.
Imagem nº 2
As fontes sonoras foram especialmente configuradas para abranger a maior parte da faixa de frequência dentro da qual os humanos conseguem reconhecer o ITD, ou seja, de 300 a 1200 Hz (2A).
Em cada um dos testes, o ouvinte deveria indicar a lateralidade percebida, medida como uma função do nível de sensação, em valores de ITD variando de 375 a 375 ms. Para determinar a influência da intensidade do som, foi utilizado um modelo não linear de efeitos mistos (NMLE), que incluía tanto intensidade do som fixa quanto aleatória.
Gráfico 2B demonstra a lateralização estimada com ruído espectralmente plano em duas intensidades de som para um ouvinte representativo. E o gráfico 2C mostra os dados brutos (círculos) e os ajustados ao modelo NMLE (linhas) de todos os ouvintes.
Tabela nº 1
A tabela acima mostra todos os parâmetros do NLME. É evidente que a lateralidade percebida aumentou com o aumento do ITD, conforme os pesquisadores esperavam. Com a diminuição da intensidade do som, a percepção foi se deslocando cada vez mais para a linha média (inserção no gráfico 2C).
Essas tendências foram apoiadas pelo modelo NLME, que mostrou um impacto significativo do ITD e da intensidade do som no nível máximo de lateralidade, confirmando o modelo de distinções inter-hemisféricas.
Além disso, a influência nos limiares audiométricos médios de tons puros teve um efeito marginal na lateralidade percebida. No entanto, a intensidade do som não teve um impacto significativo nas funções psicométricas.
O principal objetivo do segundo experimento foi determinar como os resultados obtidos no experimento anterior mudariam ao levar em conta as características espectrais dos estímulos (sons). A necessidade de verificar o ruído espectralmente plano a baixas intensidades sonoras se baseia no fato de que partes do espectro podem não ser audíveis, o que pode afetar a determinação da direção do som. Portanto, os resultados do primeiro experimento podem levar a uma interpretação errônea do fato de que a largura da parte audível do espectro pode diminuir com a redução da intensidade do som.
Por isso, foi decidido realizar mais um experimento, mas agora utilizando ruídos A-pesados*. A pesagem A* é aplicada aos níveis de som para considerar o volume relativo percebido pelo ouvido humano, já que o ouvido é menos sensível a baixas frequências sonoras. A pesagem A é realizada por meio da adição aritmética de uma tabela de valores listados em bandas de oitavas aos níveis medidos de pressão sonora em dB.
Os dados não processados são mostrados (círculos) e os dados ajustados ao modelo NMLE (linhas) de todos os participantes do experimento. A análise dos dados mostrou que, quando todas as partes do som são aproximadamente igualmente audíveis (tanto no primeiro quanto no segundo experimento), a lateralidade percebida e a inclinação no gráfico que explica a mudança da lateralidade com o ITD diminuem à medida que a intensidade do som cai.
No gráfico 2D Assim, os resultados do segundo experimento confirmaram os resultados do primeiro. Ou seja, na prática ficou demonstrado que o modelo proposto por Jeffress em 1948 não é correto.
Isso indica que a localização dos sons piora com a diminuição da intensidade sonora, enquanto Jeffress acreditava que os sons eram percebidos e processados de maneira equivalente pelo ser humano, independentemente de sua intensidade.
As suposições teóricas e os experimentos práticos que as confirmam mostraram que os neurônios do cérebro dos mamíferos se ativam em diferentes velocidades, dependendo da direção do sinal sonoro. Em seguida, o cérebro compara essas velocidades entre todos os neurônios envolvidos no processo para construir dinamicamente um mapa do ambiente sonoro.
Assim, a localização sonora é afetada pela intensidade do som, desafiando crenças anteriores sobre a uniformidade de percepção em diferentes intensidades.
Para um conhecimento mais detalhado sobre as nuances da pesquisa, recomendo dar uma olhada em .
Epílogo
O que resulta é que, ao diminuir a intensidade do som, a capacidade de localizar sons deteriora, um ponto que Jeffress acreditava ser irrelevante, presumindo que o processamento do som pelo cérebro humano seria sempre coeso.
O modelo de Jefferson não está totalmente errado, pois pode descrever perfeitamente a localização da fonte sonora nas corujas. Sim, para as corujas a intensidade do som não importa, elas conseguem identificar a posição da fonte de qualquer forma. No entanto, esse modelo não funciona com macacos rhesus, como demonstraram experiências anteriores. Portanto, esse modelo de Jefferson não pode descrever a localização de sons para todos os seres vivos.
Experimentos envolvendo humanos confirmaram mais uma vez que a localização de sons ocorre de maneira diferente em diferentes organismos. Muitos dos participantes não conseguiram identificar corretamente a posição das fontes de sinais sonoros devido à baixa intensidade dos sons.
Os cientistas acreditam que seu trabalho mostra uma certa semelhança entre a forma como vemos e como ouvimos. Ambos os processos estão relacionados à velocidade dos neurônios em diferentes áreas do cérebro, assim como à avaliação dessa diferença para determinar tanto a posição dos objetos visíveis no espaço quanto a posição da fonte do som que ouvimos.
Os pesquisadores planejam realizar uma série de experimentos para investigar mais detalhadamente a relação entre a audição e a visão humana, o que permitirá entender melhor como nosso cérebro constrói dinamicamente um mapa do mundo ao nosso redor.
Agradeço pela atenção, mantenham-se curiosos e tenham uma ótima semana de trabalho, pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com
