O mundo ao nosso redor está repleto de todos os tipos de informação, que nosso cérebro processa continuamente. Ele recebe essa informação através dos nossos sentidos, cada um responsável por sua própria parcela de sinais: olhos (visão), língua (paladar), nariz (olfato), pele (tato), sistema vestibular (equilíbrio, posição no espaço e sensação de peso) e ouvidos (audição). Combinando os sinais de todos esses órgãos, nosso cérebro consegue construir uma imagem precisa do ambiente. Mas ainda não compreendemos todos os aspectos de como os sinais externos são processados. Um desses mistérios é o mecanismo de localização das fontes sonoras.
Cientistas do Laboratório de Neuroengenharia da Fala e da Audição do Instituto de Tecnologia de Nova Jersey propuseram um novo modelo do processo neural de localização sonora. Quais processos ocorrem no cérebro durante a percepção do som, como nosso cérebro entende a posição de uma fonte sonora e como essa pesquisa pode ajudar a combater a deficiência auditiva? Descobriremos isso no relatório da equipe de pesquisa. Vamos começar.
Base do estudo
As informações que nosso cérebro recebe dos nossos sentidos variam tanto na sua origem quanto na forma como são processadas. Alguns sinais se apresentam imediatamente ao nosso cérebro como informações precisas, enquanto outros exigem processos computacionais adicionais. De forma geral, sentimos o toque imediatamente, mas quando ouvimos um som, ainda precisamos descobrir de onde ele vem.
A base para localizar sons no plano horizontal é interaural* diferença de tempo (ITD de diferença de horário internacional) sons que chegam aos ouvidos do ouvinte.
Base interaural* — a distância entre as orelhas.
Existe uma área específica no cérebro (o núcleo olivar superior medial, ou MSO) responsável por esse processo. Quando um sinal sonoro é recebido, o MSO converte as diferenças de tempo interaurais em taxas de resposta neuronal. O formato das curvas de velocidade do sinal de saída do MSO em função da diferença de tempo interaurais (DTI) assemelha-se à função de correlação cruzada dos sinais de entrada para cada orelha.
A forma como a informação é processada e interpretada no MVO permanece incerta, levando a diversas teorias altamente conflitantes. A teoria mais conhecida e, de fato, clássica da localização sonora é o modelo de Jeffress (Lloyd A. JeffressÉ baseado em linha marcada* neurônios detectores que são sensíveis à sincronia binaural dos sinais de entrada neural de cada orelha, sendo cada neurônio maximamente sensível a um determinado valor de ITD (diferença de tempo interaural)1А).
O princípio da linha marcada* — uma hipótese que explica como diferentes nervos, que utilizam os mesmos princípios fisiológicos para transmitir 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, capazes de decodificar sinais neurais semelhantes de maneiras distintas.
Imagem nº 1
Este modelo é computacionalmente semelhante à codificação neural baseada em correlações cruzadas ilimitadas de sons que chegam a ambos os ouvidos.
Existe também um modelo que sugere que a localização sonora pode ser modelada com base nas diferenças na velocidade de resposta de certas populações de neurônios de diferentes hemisférios do cérebro, ou seja, o modelo de assimetria inter-hemisférica (1V).
Até o momento, tem sido difícil afirmar com clareza qual das duas teorias (modelos) está correta, visto que cada uma delas prevê diferentes dependências da localização sonora em relação à intensidade do som.
No estudo que estamos analisando hoje, os cientistas decidiram combinar ambos os modelos para entender se a percepção sonora se baseia na codificação neural ou em diferenças nas respostas de populações neuronais individuais. Vários experimentos foram conduzidos com participantes de 18 a 27 anos (cinco mulheres e sete homens). As leituras audiométricas (acuidade auditiva) dos participantes foram de 25 dB ou mais em frequências que variam de 250 a 8000 Hz. Os participantes foram colocados em uma sala à prova de som contendo equipamentos especializados e altamente calibrados. Foi solicitado aos participantes que indicassem a direção de um sinal sonoro ao ouvi-lo.
Resultados do estudo
Para avaliar a dependência lateralização* Para determinar a resposta dos neurônios aos neurônios marcados do núcleo laminar do cérebro da coruja-das-torres, utilizamos dados sobre a taxa de resposta dos neurônios no núcleo laminar do cérebro da coruja-das-torres.
Lateralidade* - Assimetria entre os lados esquerdo e direito do corpo.
Para avaliar a dependência da lateralização da atividade cerebral na velocidade de reação de certas populações neuronais, foram utilizados dados sobre a atividade do colículo inferior do cérebro do macaco rhesus, após o que foram calculadas adicionalmente as diferenças na velocidade dos neurônios de diferentes hemisférios.
O modelo de neurônio detector de linha rotulada prevê que, à medida que a intensidade do som diminui, a lateralidade da fonte percebida convergirá para valores médios semelhantes para a proporção de sons baixos e altos (1S).
O modelo de assimetria inter-hemisférica, por sua vez, sugere que, à medida que a intensidade do som diminui até próximo do limiar, a lateralidade percebida se deslocará em direção à linha média (1D).
Em intensidades sonoras gerais mais elevadas, espera-se que a lateralização seja invariante em relação 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 de uma área comum ou neurônios de hemisférios diferentes.
É evidente que a capacidade de uma pessoa discriminar diferenças interaurais de tempo (DITs) pode variar dependendo da intensidade sonora. No entanto, os cientistas afirmam que é difícil interpretar descobertas anteriores que relacionam a sensibilidade às DITs e a avaliação da direção da fonte sonora pelo ouvinte como uma função da intensidade do som. Alguns estudos sugerem que, à medida que a intensidade sonora se aproxima de um limiar, a lateralidade percebida da fonte diminui. Outros estudos sugerem que a intensidade não tem efeito algum sobre a percepção.
Em outras palavras, os cientistas estão insinuando "sutilmente" que a literatura contém pouca informação sobre a relação entre a diferença de tempo interaural (DTI), a intensidade sonora e a determinação da direção da fonte. Existem teorias que são consideradas axiomas, geralmente aceitas pela comunidade científica. Portanto, decidiu-se testar minuciosamente todas as teorias, modelos e possíveis mecanismos da percepção auditiva na prática.
O primeiro experimento foi conduzido utilizando um paradigma psicofísico, que nos permitiu estudar a lateralização baseada na diferença de tempo interaural (DTI) em função da intensidade sonora em um grupo de dez participantes com audição normal.
Imagem nº 2
As fontes sonoras foram especificamente ajustadas para cobrir a maior parte da faixa de frequência na qual os humanos são capazes de reconhecer a ITD, ou seja, de 300 a 1200 Hz (2А).
Em cada teste, o ouvinte foi solicitado a indicar sua lateralidade estimada, 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 Mostra a lateralização estimada com ruído espectralmente plano em duas intensidades sonoras para um ouvinte representativo. Um gráfico. 2S Mostra os dados brutos (círculos) e os dados ajustados pelo modelo NMLE (linhas) para 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, como esperado. À medida que a intensidade do som diminuía, a percepção deslocava-se cada vez mais em direção à linha média (inserção no gráfico). 2C).
Essas tendências foram corroboradas pelo modelo NLME, que demonstrou efeitos significativos da ITD e da intensidade sonora no grau máximo de lateralidade, apoiando o modelo de diferenças hemisféricas.
Além disso, os limiares audiométricos médios de tons puros tiveram um efeito mínimo na lateralidade percebida. No entanto, a intensidade sonora não teve efeito significativo no desempenho psicométrico.
O principal objetivo do segundo experimento foi determinar como os resultados obtidos no experimento anterior se alterariam ao se levar em conta as propriedades espectrais dos estímulos (sons). A necessidade de testar ruído espectralmente plano em baixas intensidades sonoras se deve ao fato de que partes do espectro podem ser inaudíveis, o que pode afetar a determinação da direção do som. Consequentemente, o fato de a largura da parte audível do espectro diminuir com a redução da intensidade sonora poderia ser interpretado erroneamente como um resultado do primeiro experimento.
Portanto, decidiu-se realizar outro experimento, mas desta vez usando o oposto. Ponderação A* ruídos.
Pesagem A* A ponderação A é aplicada aos níveis sonoros para levar em conta a intensidade sonora relativa percebida pelo ouvido humano, já que este é menos sensível às baixas frequências. 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 São apresentados os dados brutos (círculos) e os dados ajustados por NMLE (linhas) para todos os participantes do experimento.
A análise dos dados mostrou que, quando todas as partes de um som são aproximadamente igualmente audíveis (tanto no primeiro quanto no segundo ensaio), a lateralidade percebida e a inclinação do gráfico que explica a mudança na lateralidade com a ITD diminuem com a redução da intensidade sonora.
Assim, os resultados do segundo experimento confirmaram os resultados do primeiro. Em outras palavras, o modelo proposto por Jeffress em 1948 mostrou-se incorreto.
Descobriu-se que a localização sonora se deteriora com a diminuição da intensidade do som, e Jeffress acreditava que os sons são percebidos e processados pelos humanos da mesma forma, independentemente de sua intensidade.
Para uma compreensão mais detalhada das nuances do estudo, recomendo dar uma olhada em .
Epílogo
Suposições teóricas e experimentos práticos que as comprovam demonstraram que os neurônios no cérebro dos mamíferos disparam em taxas diferentes, dependendo da direção do sinal sonoro. O cérebro então compara essas taxas entre todos os neurônios envolvidos no processo para construir dinamicamente um mapa do ambiente auditivo.
O modelo de Jeffresson não está 100% errado, pois descreve perfeitamente a localização de fontes sonoras em corujas-das-torres. Sim, a intensidade do som não importa para as corujas-das-torres; elas localizarão a fonte independentemente disso. No entanto, esse modelo não funciona para macacos-rhesus, como demonstraram experimentos anteriores. Portanto, o modelo de Jeffresson não consegue descrever a localização sonora para todos os seres vivos.
Experimentos envolvendo humanos confirmaram ainda que a localização sonora varia entre diferentes organismos. Muitos participantes foram incapazes de localizar com precisão a fonte dos sinais sonoros devido à baixa intensidade do som.
Os cientistas acreditam que seu trabalho revela certas semelhanças entre como vemos e como ouvimos. Ambos os processos envolvem a velocidade dos neurônios em diferentes áreas do cérebro, bem como a avaliação dessa diferença para determinar tanto a posição espacial dos objetos que vemos quanto a localização da fonte dos sons que ouvimos.
No futuro, os pesquisadores planejam realizar uma série de experimentos para examinar a conexão entre a audição e a visão humanas com mais detalhes, o que lhes permitirá entender melhor como nosso cérebro constrói dinamicamente um mapa do mundo ao nosso redor.
Obrigado pela leitura, fiquem curiosos e tenham uma ótima semana pessoal! 🙂
Obrigado por ficar com a gente. Gostou dos nossos artigos? Quer ver mais conteúdos interessantes? Apoie-nos fazendo um pedido ou recomendando a amigos, , 30% de desconto para usuários do Habr em um análogo exclusivo de servidores básicos, que foi inventado por nós para você: (disponível com RAID1 e RAID10, até 24 núcleos e até 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 vezes mais barato? Só aqui na Holanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - a partir de US$ 99! Ler sobre
Fonte: habr.com
