Svet okolo nás je naplnený všetkými druhmi informácií, ktoré náš mozog neustále spracováva. Tieto informácie dostáva prostredníctvom zmyslových orgánov, z ktorých každý je zodpovedný za svoj podiel signálov: oči (zrak), jazyk (chuť), nos (čuch), koža (hmat), vestibulárny aparát (rovnováha, poloha v priestore a zmysel pre hmotnosť) a uši (zvuk). Kombináciou signálov zo všetkých týchto orgánov si náš mozog dokáže vytvoriť presný obraz o našom prostredí. Ale nie všetky aspekty spracovania externých signálov sú nám známe. Jedným z týchto tajomstiev je mechanizmus lokalizácie zdroja zvukov.
Vedci z Laboratory of Neuroengineering of Speech and Hearing (New Jersey Institute of Technology) navrhli nový model nervového procesu lokalizácie zvuku. Aké presné procesy prebiehajú v mozgu pri vnímaní zvuku, ako náš mozog chápe polohu zdroja zvuku a ako môže tento výskum pomôcť v boji proti poruchám sluchu. Dozvedáme sa o tom zo správy výskumnej skupiny. Choď.
Výskumný základ
Informácie, ktoré náš mozog dostáva z našich zmyslov, sa navzájom líšia, a to ako z hľadiska ich zdroja, tak aj z hľadiska ich spracovania. Niektoré signály sa nášmu mozgu okamžite objavia ako presné informácie, zatiaľ čo iné vyžadujú dodatočné výpočtové procesy. Zhruba povedané, dotyk cítime okamžite, ale keď počujeme zvuk, stále musíme nájsť, odkiaľ pochádza.
Základom pre lokalizáciu zvukov v horizontálnej rovine je interaurálny* časový rozdiel (ITD od interaurálny časový rozdiel) zvuky dosahujúce uši poslucháča.
Interaurálna základňa* - vzdialenosť medzi ušami.
Existuje špecifická oblasť v mozgu (mediálna horná oliva alebo MSO), ktorá je zodpovedná za tento proces. V momente prijatia zvukového signálu v MVO sa interaurálne časové rozdiely prevedú na rýchlosť reakcie neurónov. Tvar kriviek výstupnej rýchlosti MBO ako funkcia ITD sa podobá tvaru krížovej korelačnej funkcie vstupných signálov pre každé ucho.
Ako sa v MBO spracovávajú a interpretujú informácie, nie je celkom jasné, a preto existuje niekoľko veľmi protichodných teórií. Najznámejšou a vlastne klasickou teóriou lokalizácie zvuku je Jeffressov model (Lloyd A. Jeffress). Je založená na označená čiara* detektorové neuróny, ktoré sú citlivé na binaurálnu synchronizáciu nervových vstupov z každého ucha, pričom každý neurón je maximálne citlivý na určité množstvo ITD (1А).
Princíp označenej čiary* je hypotéza, ktorá vysvetľuje, ako rôzne nervy, z ktorých všetky využívajú rovnaké fyziologické princípy pri prenose impulzov pozdĺž svojich axónov, sú schopné vytvárať rôzne vnemy. Štrukturálne podobné nervy môžu vytvárať rôzne zmyslové vnemy, ak sú spojené s jedinečnými neurónmi v centrálnom nervovom systéme, ktoré sú schopné dekódovať podobné nervové signály rôznymi spôsobmi.
Obrázok č. 1
Tento model je výpočtovo podobný neurálnemu kódovaniu, založenému na neobmedzených krížových koreláciách zvukov zasahujúcich obe uši.
Existuje aj model, ktorý naznačuje, že lokalizáciu zvuku možno modelovať na základe rozdielov v rýchlosti odozvy určitých populácií neurónov z rôznych hemisfér mozgu, t.j. model interhemisférickej asymetrie (1V).
Doteraz bolo ťažké jednoznačne povedať, ktorá z dvoch teórií (modelov) je správna, vzhľadom na to, že každá z nich predpovedá rôzne závislosti lokalizácie zvuku od intenzity zvuku.
V štúdii, na ktorú sa dnes pozeráme, sa vedci rozhodli spojiť oba modely, aby pochopili, či je vnímanie zvukov založené na nervovom kódovaní alebo na rozdieloch v reakcii jednotlivých nervových populácií. Uskutočnilo sa niekoľko experimentov, na ktorých sa zúčastnili ľudia vo veku 18 až 27 rokov (5 žien a 7 mužov). Audiometria účastníkov (meranie ostrosti sluchu) bola 25 dB alebo vyššia medzi 250 a 8000 Hz. Účastník experimentov bol umiestnený do zvukotesnej miestnosti, v ktorej bolo umiestnené špeciálne zariadenie, kalibrované s vysokou presnosťou. Účastníci museli, keď počuli zvukový signál, uviesť smer, odkiaľ prichádza.
Výsledky štúdie
Na posúdenie závislosti lateralizácia* mozgovú aktivitu od intenzity zvuku v reakcii na označené neuróny, použili sa údaje o rýchlosti reakcie neurónov v laminárnom jadre mozgu sovy pálenej.
Lateralita* - asymetria ľavej a pravej polovice tela.
Na posúdenie závislosti lateralizácie mozgovej aktivity od rýchlosti reakcie určitých populácií neurónov sa použili údaje z aktivity inferior colliculus mozgu opice rhesus, po ktorých sa dodatočne vypočítali rozdiely v rýchlosti neurónov z rôznych hemisfér. .
Model označenej čiary detektorových neurónov predpovedá, že keď intenzita zvuku klesá, lateralita vnímaného zdroja sa bude približovať k priemerným hodnotám podobným pomeru jemných a hlasných zvukov (1S).
Model hemisférickej asymetrie zase naznačuje, že keď intenzita zvuku klesá na takmer prahové úrovne, vnímaná lateralita sa posunie smerom k strednej čiare (1D).
Pri vyššej celkovej intenzite zvuku sa očakáva, že lateralizácia bude invariantná (vložky v 1S и 1D).
Preto analýza toho, ako intenzita zvuku ovplyvňuje vnímaný smer zvuku, nám umožňuje presne určiť povahu procesov, ktoré sa v danom okamihu vyskytujú - neuróny z rovnakej všeobecnej oblasti alebo neuróny z rôznych hemisfér.
Je zrejmé, že schopnosť osoby rozlišovať ITD sa môže líšiť v závislosti od intenzity zvuku. Vedci však tvrdia, že je ťažké interpretovať predchádzajúce zistenia spájajúce citlivosť s ITD a úsudok poslucháčov o smere zdroja zvuku ako funkciu intenzity zvuku. Niektoré štúdie hovoria, že keď intenzita zvuku dosiahne hraničný prah, vnímaná lateralita zdroja klesá. Iné štúdie naznačujú, že intenzita na vnímanie nemá vôbec žiadny vplyv.
Inými slovami, vedci „jemne“ naznačujú, že v literatúre je málo informácií o vzťahu medzi ITD, intenzitou zvuku a určením smeru jeho zdroja. Existujú teórie, ktoré existujú ako akési axiómy, všeobecne akceptované vedeckou komunitou. Preto bolo rozhodnuté podrobne otestovať všetky teórie, modely a možné mechanizmy vnímania sluchu v praxi.
Prvý experiment bol založený na psychofyzickej paradigme, ktorá umožnila štúdium lateralizácie založenej na ITD ako funkcie intenzity zvuku v skupine desiatich normálne počujúcich účastníkov.
Obrázok č. 2
Zdroje zvuku boli špecificky vyladené tak, aby pokryli väčšinu frekvenčného rozsahu, v rámci ktorého sú ľudia schopní detekovať ITD, t.j. od 300 do 1200 Hz (2А).
Pri každom pokuse musel poslucháč uviesť vnímanú lateralitu, meranú ako funkcia úrovne pocitu, v rozsahu hodnôt ITD od 375 do 375 ms. Na určenie účinku intenzity zvuku sa použil nelineárny model zmiešaných efektov (NMLE), ktorý zahŕňal pevnú aj náhodnú intenzitu zvuku.
Naplánovať 2V demonštruje odhadovanú lateralizáciu so spektrálne plochým šumom pri dvoch intenzitách zvuku pre reprezentatívneho poslucháča. A rozvrh 2S zobrazuje nespracované údaje (kruhy) a prispôsobený model NMLE (riadky) všetkých poslucháčov.
Tabuľka č.1
Vyššie uvedená tabuľka zobrazuje všetky parametre NLME. Je možné vidieť, že vnímaná lateralita sa zvyšovala so zvyšujúcim sa ITD, ako vedci očakávali. Keď sa intenzita zvuku znižovala, vnímanie sa posúvalo stále viac k strednej čiare (vložená v grafe 2C).
Tieto trendy podporil model NLME, ktorý preukázal významné účinky ITD a intenzity zvuku na maximálny stupeň laterality, podporujúci model interhemisférických rozdielov.
Okrem toho, stredné audiometrické prahy pre čisté tóny mali malý vplyv na vnímanú lateralitu. Ale intenzita zvuku významne neovplyvnila ukazovatele psychometrických funkcií.
Hlavným cieľom druhého experimentu bolo zistiť, ako sa zmenia výsledky získané v predchádzajúcom experimente pri zohľadnení spektrálnych vlastností podnetov (zvukov). Potreba testovať spektrálne plochý šum pri nízkej intenzite zvuku spočíva v tom, že časti spektra nemusia byť počuteľné, čo môže ovplyvniť určenie smeru zvuku. Výsledky prvého experimentu teda možno mylne zameniť za fakt, že šírka počuteľnej časti spektra sa môže s klesajúcou intenzitou zvuku zmenšovať.
Preto bolo rozhodnuté vykonať ďalší experiment, ale s použitím naopak A-vážené* hluk
A-váženie* aplikované na hladiny zvuku, aby sa zohľadnila relatívna hlasitosť vnímaná ľudským uchom, pretože ucho je menej citlivé na nízke zvukové frekvencie. A-váha sa realizuje aritmetickým pripočítaním tabuľky hodnôt uvedených v oktávových pásmach k nameraným hladinám akustického tlaku v dB.
Na grafe 2D ukazuje nespracované údaje (kruhy) a údaje (čiary) prispôsobené modelu NMLE od všetkých účastníkov experimentu.
Analýza údajov ukázala, že keď sú všetky časti zvuku približne rovnako počuteľné (v prvom aj v druhom pokuse), vnímaná lateralita a sklon v grafe vysvetľujúci zmenu laterality s ITD klesajú s klesajúcou intenzitou zvuku.
Výsledky druhého experimentu teda potvrdili výsledky prvého. To znamená, že v praxi sa ukázalo, že model navrhnutý v roku 1948 Jeffressom nie je správny.
Ukazuje sa, že lokalizácia zvuku sa zhoršuje so znižovaním intenzity zvuku a Jeffress veril, že zvuky ľudia vnímajú a spracúvajú rovnakým spôsobom, bez ohľadu na ich intenzitu.
Pre podrobnejšie oboznámenie sa s nuansami štúdie odporúčam pozrieť .
Epilóg
Teoretické predpoklady a praktické experimenty, ktoré ich potvrdzujú, ukázali, že mozgové neuróny u cicavcov sa aktivujú rôznou rýchlosťou v závislosti od smeru zvukového signálu. Mozog potom porovnáva tieto rýchlosti medzi všetkými neurónmi zapojenými do procesu, aby dynamicky vytvoril mapu zvukového prostredia.
Jeffressonov model vlastne nie je 100% chybný, keďže sa ním dá dokonale opísať lokalizácia zdroja zvuku u sovy obyčajnej. Áno, pre sovy lesné nezáleží na intenzite zvuku, v každom prípade určia polohu jeho zdroja. Tento model však nefunguje s opicami rhesus, ako ukázali predchádzajúce experimenty. Preto tento Jeffressonov model nemôže opísať lokalizáciu zvukov pre všetky živé veci.
Experimenty s ľudskými účastníkmi opäť potvrdili, že lokalizácia zvuku sa v rôznych organizmoch vyskytuje odlišne. Mnohí z účastníkov nevedeli správne určiť polohu zdroja zvukových signálov pre nízku intenzitu zvukov.
Vedci sa domnievajú, že ich práca vykazuje určité podobnosti medzi tým, ako vidíme a ako počujeme. Oba procesy sú spojené s rýchlosťou neurónov v rôznych častiach mozgu, ako aj s hodnotením tohto rozdielu na určenie polohy objektov, ktoré vidíme v priestore, ako aj polohy zdroja zvuku, ktorý počujeme.
V budúcnosti sa vedci chystajú uskutočniť sériu experimentov, aby podrobnejšie preskúmali prepojenie medzi ľudským sluchom a zrakom, čo nám umožní lepšie pochopiť, ako presne náš mozog dynamicky vytvára mapu sveta okolo nás.
Ďakujem za pozornosť, buďte zvedaví a prajeme všetkým pekný týždeň! 🙂
Ďakujeme, že ste zostali s nami. Páčia sa vám naše články? Chcete vidieť viac zaujímavého obsahu? Podporte nás zadaním objednávky alebo odporučením priateľom, , 30% zľava pre užívateľov Habr na unikátny analóg serverov základnej úrovne, ktorý sme pre vás vymysleli: (k dispozícii s RAID1 a RAID10, až 24 jadier a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 krát lacnejší? Len tu v Holandsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 USD! Čítať o
Zdroj: hab.com