O mundo ao nosso redor está repleto de todos os tipos de informações que nosso cérebro processa continuamente. Ele recebe essas informações por meio dos órgãos dos sentidos, cada um dos quais é responsável por sua parcela de sinais: olhos (visão), língua (paladar), nariz (olfato), pele (tato), aparelho vestibular (equilíbrio, posição no espaço e sentido de peso) e ouvidos (som). Ao combinar sinais de todos estes órgãos, o nosso cérebro pode construir uma imagem precisa do nosso ambiente. Mas nem todos os aspectos do processamento de sinais externos são conhecidos por nós. Um desses segredos é o mecanismo de localização da fonte dos sons.
Cientistas do Laboratório de Neuroengenharia da Fala e Audição (Instituto de Tecnologia de Nova Jersey) propuseram um novo modelo do processo neural de localização sonora. Quais processos exatos 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 aos defeitos auditivos. Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Ir.
Base do estudo
As informações que nosso cérebro recebe dos nossos sentidos diferem umas das outras, tanto em termos de sua fonte quanto em termos de seu processamento. Alguns sinais aparecem imediatamente ao nosso cérebro como informações precisas, enquanto outros requerem processos computacionais adicionais. Grosso modo, sentimos um toque imediatamente, mas quando ouvimos um som, ainda temos que descobrir de onde ele vem.
A base para localizar sons no plano horizontal é interaural* diferença horária (ITD de diferença horária interaural) sons que chegam aos ouvidos do ouvinte.
Base interaural* - distância entre as orelhas.
Existe uma área específica no cérebro (a oliva superior medial ou MSO) que é responsável por esse processo. No momento de receber um sinal de áudio no MVO, as diferenças de tempo interaurais são convertidas na taxa de reação dos neurônios. O formato das curvas de velocidade de saída do MVO em função do ITD se assemelha ao formato da função de correlação cruzada dos sinais de entrada para cada ouvido.
A forma como a informação é processada e interpretada no MBO ainda não é totalmente clara, razão pela qual existem várias teorias muito contraditórias. A teoria mais famosa e de fato clássica de localização sonora é o modelo de Jeffress (Lloyd A. Jeffress). É baseado em linha marcada* neurônios detectores que são sensíveis à sincronia binaural de entradas neurais de cada ouvido, com cada neurônio sendo maximamente sensível a uma certa quantidade de ITD (1А).
Princípio da linha marcada* é uma hipótese que explica como diferentes nervos, todos utilizando os mesmos princípios fisiológicos na transmissão de impulsos ao longo de seus axônios, são capazes de gerar sensações diferentes. Nervos estruturalmente semelhantes podem gerar percepções sensoriais diferentes se estiverem conectados a neurônios únicos no sistema nervoso central que são capazes de decodificar sinais nervosos semelhantes de maneiras diferentes.
Imagem nº 1
Este modelo é computacionalmente semelhante à codificação neural, baseado em correlações cruzadas irrestritas de sons que chegam a ambos os ouvidos.
Existe também um modelo que sugere que a localização do som pode ser modelada com base em diferenças na velocidade de resposta de certas populações de neurônios de diferentes hemisférios do cérebro, ou seja, modelo de assimetria inter-hemisférica (1V).
Até agora, era difícil afirmar inequivocamente qual das duas teorias (modelos) é a correta, visto que cada uma delas prevê diferentes dependências da localização do som na intensidade sonora.
No estudo que estamos analisando hoje, os pesquisadores decidiram combinar os dois modelos para entender se a percepção dos sons é baseada na codificação neural ou em diferenças na resposta de populações neurais individuais. Foram realizados vários experimentos nos quais participaram pessoas de 18 a 27 anos (5 mulheres e 7 homens). A audiometria dos participantes (uma medida da acuidade auditiva) foi de 25 dB ou superior entre 250 e 8000 Hz. O participante dos experimentos foi colocado em uma sala com isolamento acústico, onde foram colocados equipamentos especiais, calibrados com alta precisão. Os participantes deveriam, ao ouvir um sinal sonoro, indicar a direção de onde ele vinha.
Resultados do estudo
Para avaliar a dependência lateralização* atividade cerebral a partir da intensidade do som em resposta a neurônios marcados, foram utilizados dados sobre a velocidade de reação dos neurônios no núcleo laminar do cérebro da coruja-das-torres.
Lateralmente* - assimetria das metades esquerda e direita do corpo.
Para avaliar a dependência da lateralização da atividade cerebral na velocidade de reação de certas populações de neurônios, foram utilizados dados da atividade do colículo inferior do cérebro do macaco rhesus, após os quais foram calculadas adicionalmente diferenças na velocidade dos neurônios de diferentes hemisférios .
O modelo de linha marcada de neurônios detectores prevê que, à medida que a intensidade do som diminui, a lateralidade da fonte percebida convergirá para valores médios semelhantes à proporção de sons suaves e altos (1S).
O modelo de assimetria hemisférica, por sua vez, sugere que à medida que a intensidade do som diminui para níveis próximos do limiar, a lateralidade percebida se deslocará em direção à linha média.1D).
Em intensidade sonora geral mais alta, espera-se que a lateralização seja invariante à intensidade (inserções em 1S и 1D).
Portanto, analisar como a intensidade do som afeta a direção percebida do som nos permite determinar com precisão a natureza dos processos que ocorrem naquele momento - neurônios da mesma área geral ou neurônios de hemisférios diferentes.
Claramente, a capacidade de uma pessoa discriminar ITD pode variar dependendo da intensidade do som. No entanto, os cientistas dizem que é difícil interpretar descobertas anteriores que ligam a sensibilidade ao ITD e ao julgamento dos ouvintes sobre a direção da fonte sonora em função da intensidade do som. Alguns estudos dizem que quando a intensidade do som atinge um limite, a lateralidade percebida da fonte diminui. Outros estudos sugerem que não há nenhum efeito da intensidade na percepção.
Em outras palavras, os cientistas estão sugerindo “suavemente” que há pouca informação na literatura sobre a relação entre ITD, intensidade sonora e determinação da direção de sua fonte. Existem teorias que existem como uma espécie de axiomas, geralmente aceitos pela comunidade científica. Portanto, decidiu-se testar detalhadamente todas as teorias, modelos e possíveis mecanismos de percepção auditiva na prática.
O primeiro experimento foi baseado em um paradigma psicofísico que permitiu o estudo da lateralização baseada no ITD em função da intensidade sonora em um grupo de dez participantes com audição normal.
Imagem nº 2
As fontes sonoras foram sintonizadas especificamente para cobrir a maior parte da faixa de frequência dentro da qual os humanos são capazes de reconhecer ITD, ou seja, de 300 a 1200 Hz (2А).
Em cada tentativa, o ouvinte deveria indicar a lateralidade percebida, medida em função do nível de sensação, em uma faixa de valores de ITD de 375 a 375 ms. Para determinar o efeito da intensidade sonora, foi utilizado um modelo não linear de efeitos mistos (NMLE) que incluiu intensidade sonora fixa e aleatória.
O gráfico. 2V demonstra lateralização estimada com ruído espectralmente plano em duas intensidades sonoras para um ouvinte representativo. E o cronograma 2S mostra os dados brutos (círculos) e o modelo NMLE ajustado (linhas) de todos os ouvintes.
Tabela No. 1
A tabela acima mostra todos os parâmetros NLME. Pode-se observar que a lateralidade percebida aumentou com o aumento do ITD, como os cientistas esperavam. À medida que a intensidade do som diminuía, a percepção mudava cada vez mais em direção à linha média (inserção no gráfico 2C).
Estas tendências foram apoiadas pelo modelo NLME, que mostrou efeitos significativos do ITD e da intensidade sonora no grau máximo de lateralidade, apoiando o modelo de diferenças inter-hemisféricas.
Além disso, os limiares audiométricos médios para tons puros tiveram pouco efeito na lateralidade percebida. Mas a intensidade sonora não afetou significativamente os indicadores das funções psicométricas.
O objetivo principal 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 testar ruído espectralmente plano em baixa intensidade sonora é que partes do espectro podem não ser audíveis e isso pode afetar a determinação da direção do som. Conseqüentemente, os resultados do primeiro experimento podem ser erroneamente confundidos com o fato de que a largura da parte audível do espectro pode diminuir com a diminuição da intensidade sonora.
Portanto, optou-se por realizar outro experimento, mas utilizando o sentido inverso Ponderado A* ruído.
Pesagem A* aplicado aos níveis sonoros para levar em conta a intensidade relativa percebida pelo ouvido humano, uma vez que o ouvido é menos sensível a baixas frequências sonoras. A ponderação A é implementada adicionando aritmeticamente uma tabela de valores listados em bandas de oitava aos níveis de pressão sonora medidos em dB.
No gráfico 2D mostra os dados brutos (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 na primeira como na segunda tentativa), a lateralidade percebida e a inclinação no gráfico que explica a mudança na lateralidade com ITD diminuem com a diminuição da intensidade do som.
Assim, os resultados do segundo experimento confirmaram os resultados do primeiro. Ou seja, na prática foi demonstrado que o modelo proposto em 1948 por Jeffress não é correto.
Acontece que a localização do som piora à medida que a intensidade do som diminui, e Jeffress acreditava que os sons são percebidos e processados pelos humanos da mesma forma, independentemente da sua intensidade.
Para uma compreensão mais detalhada das nuances do estudo, recomendo dar uma olhada em .
Epílogo
Suposições teóricas e experimentos práticos que as confirmam mostraram que os neurônios cerebrais em mamíferos são ativados em taxas diferentes, dependendo da direção do sinal sonoro. O cérebro então compara essas velocidades entre todos os neurônios envolvidos no processo para construir dinamicamente um mapa do ambiente sonoro.
Na verdade, o modelo de Jeffresson não está 100% errado, pois pode ser usado para descrever perfeitamente a localização da fonte sonora em corujas. Sim, para as corujas a intensidade do som não importa, em qualquer caso, elas determinarão a posição de sua fonte. No entanto, este modelo não funciona com macacos rhesus, como demonstraram experiências anteriores. Portanto, este modelo de Jeffresson não pode descrever a localização dos sons para todos os seres vivos.
Experimentos com participantes humanos confirmaram mais uma vez que a localização do som ocorre de forma diferente em diferentes organismos. Muitos dos participantes não conseguiram determinar corretamente a posição da fonte dos sinais sonoros devido à baixa intensidade dos sons.
Os cientistas acreditam que o seu trabalho mostra certas semelhanças entre a forma como vemos e como ouvimos. Ambos os processos estão associados à velocidade dos neurônios em diferentes partes do cérebro, bem como à avaliação dessa diferença para determinar tanto a posição dos objetos que vemos no espaço quanto a posição da fonte do som que ouvimos.
No futuro, os pesquisadores realizarão uma série de experimentos para examinar mais detalhadamente a conexão entre a audição e a visão humanas, o que nos permitirá entender melhor como exatamente nosso cérebro constrói dinamicamente um mapa do mundo que nos rodeia.
Obrigado pela leitura, fiquem curiosos e tenham uma ótima semana pessoal! 🙂
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Fonte: habr.com