Lumea din jurul nostru este plină de informații diverse, pe care creierul nostru le procesează constant. Acesta obține aceste informații prin intermediul organelor de simț, fiecare dintre care răspunde pentru părți distincte de semnale: ochii (vedere), limba (gust), nasul (miros), pielea (tact), aparatul vestibular (echilibru, poziția în spațiu și senzația de greutate) și urechile (sunet). Adunând semnalele de la toate aceste organe, creierul nostru poate construi o imagine exactă a mediului înconjurător. Totuși, nu toate aspectele procesării semnalelor externe ne sunt cunoscute. Una dintre aceste mistere este mecanismul localizării surselor de sunet.
Cercetătorii de la laboratorul de neuroinginerie a discursului și auzului (Institutul Tehnologic din New Jersey) au propus un nou model al procesului neuronal de localizare a sunetului. Ce procese au loc în creier în timpul percepției sunetului, cum înțelege creierul nostru poziția sursei sonore și cum poate ajuta această cercetare în lupta împotriva defectelor de auz. Vom afla acest lucru din raportul echipei de cercetare. Să începem.
Baza cercetării
Informațiile primite de creierul nostru de la organele de simț diferă între ele atât din perspectiva sursei, cât și din perspectiva procesării lor. Unele semnale sunt imediat prezentate minții noastre sub formă de informații exacte, în timp ce altele necesită procese computaționale suplimentare. Pe scurt, atingerea o simțim imediat, dar atunci când auzim un sunet, trebuie să găsim mai întâi de unde provine acesta.
Baza localizării sunetelor pe plan orizontal este diferența interaurală* diferența de timp (ITD de la interaural time difference) a sunetelor care ajung la urechile ascultătorului.
Baza interaurală* reprezintă distanța dintre urechi.
În creier există o anumită regiune (oliva superioară medială sau MVO), care este responsabilă pentru acest proces. În momentul recepționării semnalului sonor, în MVO se transformă diferențele interaurale de timp în viteza de reacție a neuronilor. Forma curbelor vitezei semnalului de ieșire al MVO ca funcție a ITD se aseamănă cu forma funcției de corelație încrucișată a semnalelor de intrare pentru fiecare ureche.
Modul în care informația este procesată și interpretată în MVO rămâne încă neclar, ceea ce dă naștere la mai multe teorii controversate. Cea mai cunoscută și, de fapt, teoria clasică a localizării sunetului este modelul lui Jeffress (Lloyd A. Jeffress). Aceasta se bazează pe linia marcată* neuroni-detectori, care sunt sensibili la sincronizarea binaurală a semnalelor neuronale de intrare din fiecare ureche, fiecare neuron fiind cel mai sensibil la o anumită valoare ITD (1A).
Principiul liniei marcate* — o ipoteză care explică modul în care diferite nervi, toți utilizând aceleași principii fiziologice pentru a transmite impulsuri de-a lungul axonilor lor, pot genera senzații diferite. Nervii structurali similari pot genera percepții senzoriale diferite, dacă sunt conectați la neuroni unici în sistemul nervos central, care pot decoda semnale nervoase similare în moduri diferite.
Imaginea nr. 1
Acest model, din punct de vedere computațional, este similar cu codificarea neuronală bazată pe corelații reciproce nelimitate ale sunetelor care ajung la ambele urechi.
Există, de asemenea, un model care sugerează că localizarea sunetului poate fi modelată pe baza diferențelor în viteza de reacție a anumitor populații de neuroni din diferite emisfere cerebrale, adică modelul asimetriei interemisferice (1B).
A fost dificil să se declare în mod clar care dintre cele două teorii (modele) este corectă, având în vedere că fiecare dintre ele prezice dependențe diferite ale localizării sunetului de intensitatea sunetului.
În studiul pe care îl discutăm astăzi, cercetătorii au decis să combine cele două modele pentru a înțelege dacă percepția sunetelor se bazează pe codificarea neuronală sau pe diferența de reacție a populațiilor neuronale separate. Au fost efectuate mai multe experimente, la care au participat oameni cu vârste între 18 și 27 de ani (5 femei și 7 bărbați). Audiometria (măsurarea acuității auditive) a participanților era de 25 dB sau mai mult la o frecvență între 250 și 8000 Hz. Participanții experimentelor au fost plasați într-o cameră acustică, echipată cu un dispozitiv special, calibrat cu o mare precizie. Aceștia trebuiau să indice direcția din care auzeau semnalul sonor.
Rezultatele cercetării
Pentru evaluarea dependenței lateralizării* activității cerebrale de intensitatea sunetului în răspuns la neuronii marcați, au fost folosite date despre viteza de reacție a neuronilor din nucleul laminar al creierului bufniței.
Lateralitatea* reprezintă asimetria părții stângi și drepte a corpului.
Pentru a evalua dependența lateralizării activității cerebrale de viteza de reacție a anumitor populații neuronale, au fost folosite date de activitate ale coliculului inferior al maimuței rhesus, după care au fost calculate diferențele de viteză ale neuronilor din diferite emisfere.
Modelul liniei marcate a neuronilor-detectoare sugerează că, pe măsură ce intensitatea sunetului scade, lateralitatea sursei percepute se va apropia de valorile medii, similare pentru raportul sunetelor slabe și puternice (1C).
Modelul asimetriei interemisferice, pe de altă parte, sugerează că pe măsură ce intensitatea sunetului scade până la praguri aproape de limită, lateralitatea percepută se va muta spre linia mediană (1D).
La intensități mai mari ale sunetului, se presupune că lateralizarea va fi invariabilă în funcție de intensitate (inserțiile pe 1C și 1D).
Prin urmare, analiza modului în care intensitatea sunetului influențează direcția percepută a sunetului permite stabilirea exactă a naturii proceselor care se desfășoară în acel moment — neuroni dintr-o zonă comună sau neuroni din emisfere diferite.
Este evident că abilitatea unei persoane de a distinge ITD poate varia în funcție de intensitatea sunetului. Totuși, oamenii de știință spun că este destul de dificil să se interpreteze concluziile anterioare care leagă sensibilitatea la ITD de evaluarea de către ascultător a direcției sursei sonore ca funcție a intensității sunetului. Unele studii sugerează că, atunci când intensitatea sunetului atinge un prag limită, percepția lateralității sursei scade. Alte studii, pe de altă parte, spun că nu există deloc un impact al intensității asupra percepției.
Cu alte cuvinte, oamenii de știință sugerează „ușor” că în literatură există foarte puține informații cu privire la legătura dintre ITD, intensitatea sunetului și determinarea direcției sursei acestuia. Există teorii care există ca o formă de axiome, acceptate de comunitatea științifică. Prin urmare, s-a decis să se verifice detaliat toate teoriile, modelele și posibilele mecanisme de percepție auditivă în practică.
Primul experiment a fost realizat pe baza utilizării unei paradigme psihofizice, ceea ce a permis studierea lateralizării pe baza ITD ca funcție a intensității sunetului, în cadrul unui grup de zece participanți cu auz normal.
Imaginea nr. 2
Sursele sonore au fost configurate special pentru a acoperi o mare parte a domeniului de frecvențe, în cadrul căruia oamenii pot recunoaște ITD, adică de la 300 la 1200 Hz (2A).
În fiecare dintre teste, ascultătorul trebuia să indice lateralitatea presupusă, măsurată ca o funcție a nivelului de senzație, într-un interval de valori ITD de la 375 la 375 ms. Pentru a determina influența intensității sunetului, s-a utilizat un model non-liniar cu efecte mixte (NMLE), care a inclus atât intensitatea sunetului fixă, cât și cea aleatorie.
Graficul 2B demonstrează lateralizarea estimată cu zgomot plat spectral la două intensități ale sunetului pentru un ascultător reprezentativ. Iar graficul 2С arată datele brute (cercuri) și ajustările modelului NMLE (liniile) pentru toți ascultătorii.
Tabela nr. 1
Tabela de mai sus arată toate parametrii NLME. Se poate observa că lateralitatea percepută a crescut odată cu creșterea ITD, așa cum se așteptau oamenii de știință. Pe măsură ce intensitatea sunetului scade, percepția s-a deplasat tot mai mult spre linia mediană (inserția din grafic 2C).
Aceste tendințe au fost susținute de modelul NLME, care a arătat o influență semnificativă a ITD și intensității sunetului asupra gradului maxim de lateralitate, confirmând modelul diferențelor interhemisferice.
În plus, un impact nesemnificativ asupra lateralității percepute a avut pragurile audiometrice medii ale tonurilor pure. Cu toate acestea, intensitatea sunetului nu a influențat semnificativ măsurătorile funcțiilor psihometrice.
Obiectivul principal al celui de-al doilea experiment a fost de a determina cum se vor schimba rezultatele obținute în experimentul precedent în funcție de caracteristicile spectrale ale stimulilor (sunetelor). Necesitatea de a verifica zgomotul plat spectral la intensitate scăzută a sunetului constă în faptul că anumite părți ale spectrului pot fi inaudibile și acest lucru poate influența determinarea direcției sunetului. Prin urmare, rezultatele primului experiment pot fi interpretate eronat prin faptul că lățimea părții audibile a spectrului poate scădea odată cu scăderea intensității sunetului.
Prin urmare, a fost decis să se efectueze un alt experiment, dar folosind déjà zgomote A-ponderate*. Zgomotele.
A-ponderarea* se aplică nivelurilor sonore pentru a lua în considerare puterea relativă percepută de urechea umană, din moment ce urechea este mai puțin sensibilă la frecvențele sonore joase. A-ponderarea se realizează prin adăugarea aritmetică a unei liste de valori enumerate în benzi de octavă la nivelurile măsurate ale presiunii sonore în dB.
În graficul 2D sunt prezentate datele brute (cercuri) și datele ajustate la modelul NMLE (linii) ale tuturor participanților la experiment.
Analiza datelor a arătat că atunci când toate părțile sunetului sunt aproximativ la fel de audibile (atât în primul, cât și în al doilea experiment), lateralitatea percepută și înclinarea pe grafic, care explică schimbarea lateralității cu ITD, scad odată cu căderea intensității sunetului.
Astfel, rezultatele celui de-al doilea experiment au confirmat rezultatele primului. Adică, în practică, s-a demonstrat că modelul propus de Jeffress în 1948 nu este corect.
Rezultă că localizarea sunetelor se degradează odată cu scăderea intensității sunetului, iar Jeffress considera că sunetele sunt percepute și procesate de oameni în mod uniform, indiferent de intensitatea lor.
Pentru o mai bună înțelegere a nuanțelor cercetării, vă recomand să consultați .
Epilog
Ipotezele teoretice și experimentele practice care le confirmă au arătat că neuronii din creierul mamiferelor se activează cu viteze diferite în funcție de direcția semnalului sonor. Apoi, creierul compară aceste viteze între toți neuronii implicați în proces pentru a construi dinamic o hartă a mediu sonor.
Modelul lui Jeffress nu este în întregime greșit, deoarece poate descrie perfect localizarea sursei sonore la bufnițe. Da, pentru bufnițe intensitatea sunetului nu contează, ele vor determina oricum poziția sursei. Totuși, acest model nu funcționează cu macacii rhesus, așa cum au arătat experimentele anterioare. Prin urmare, modelul lui Jeffress nu poate descrie localizarea sunetelor pentru toate ființele vii.
Experimentele cu participanți umani au confirmat încă o dată că localizarea sunetelor variază între diferite organisme. Mulți dintre participanți nu au reușit să determine corect poziția sursei semnalelor sonore din cauza intensității scăzute a sunetelor.
Oamenii de știință consideră că munca lor arată o anumită similaritate între modul în care vedem și modul în care auzim. Ambele procese sunt legate de viteza neuronilor în diferite părți ale creierului, precum și de evaluarea acestei diferențe pentru a determina atât poziția obiectelor vizibile în spațiu, cât și poziția sursei sunetului pe care îl auzim.
În continuare, cercetătorii intenționează să efectueze o serie de experimente pentru a analiza mai în detaliu legătura dintre auzul și vederea umană, ceea ce va permite o mai bună înțelegere a modului în care creierul nostru construiește dinamic harta lumii înconjurătoare.
Vă mulțumesc pentru atenție, rămâneți curioși și o săptămână de lucru bună, băieți! 🙂
Mulțumim că rămâneți cu noi. Vă plac articolele noastre? Doriți să vedeți mai multe materiale interesante? Susțineți-ne, efectuând o comandă sau recomandându-ne prietenilor, , 30% reducere pentru utilizatorii Habr pentru un server entry-level unic, creat special pentru tine: (sunt disponibile opțiuni cu RAID1 și RAID10, până la 24 nuclee și până la 40GB DDR4).
Dell R730xd la jumătate de preț? Numai la noi în Olanda! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — de la 99 $! Citiți despre
Sursa: habr.com
