Svet okoli nas je poln najrazličnejših informacij, ki jih naši možgani nenehno obdelujejo. Te informacije sprejema preko čutil, od katerih je vsak odgovoren za svoj delež signalov: oči (vid), jezik (okus), nos (voh), koža (dotik), vestibularni aparat (ravnotežje, položaj v prostoru in občutek za teža) in ušesa (zvok). S kombiniranjem signalov iz vseh teh organov lahko naši možgani ustvarijo natančno sliko našega okolja. Toda vsi vidiki obdelave zunanjih signalov nam niso znani. Ena od teh skrivnosti je mehanizem za lokalizacijo vira zvokov.
Znanstveniki iz Laboratorija za nevroinženiring govora in sluha (New Jersey Institute of Technology) so predlagali nov model nevronskega procesa lokalizacije zvoka. Kakšni točno procesi se dogajajo v možganih med zaznavanjem zvoka, kako naši možgani razumejo položaj vira zvoka in kako lahko ta raziskava pomaga v boju proti okvaram sluha. O tem izvemo iz poročila raziskovalne skupine. pojdi
Raziskovalna osnova
Informacije, ki jih naši možgani prejmejo od naših čutil, se med seboj razlikujejo, tako glede izvora kot glede obdelave. Nekateri signali se našim možganom takoj prikažejo kot točne informacije, drugi pa zahtevajo dodatne računske procese. Grobo rečeno, dotik začutimo takoj, ko pa slišimo zvok, moramo še ugotoviti, od kod prihaja.
Osnova za lokalizacijo zvokov v vodoravni ravnini je interaural* časovna razlika (ITD od interauralna časovna razlika) zvoki, ki dosežejo poslušalčeva ušesa.
Interauralna baza* - razdalja med ušesi.
Za ta proces je odgovorno posebno področje v možganih (medialna zgornja oliva ali MSO). V trenutku, ko je zvočni signal sprejet v MVO, se interauralne časovne razlike pretvorijo v hitrost reakcije nevronov. Oblika krivulj izhodne hitrosti MBO kot funkcije ITD je podobna obliki navzkrižne korelacijske funkcije vhodnih signalov za vsako uho.
Kako se informacije obdelujejo in interpretirajo v MBO, ostaja ne povsem jasno, zato obstaja več zelo nasprotujočih si teorij. Najbolj znana in pravzaprav klasična teorija lokalizacije zvoka je Jeffressov model (Lloyd A. Jeffress). Temelji na označena črta* detektorski nevroni, ki so občutljivi na binauralno sinhronizacijo nevronskih vnosov iz vsakega ušesa, pri čemer je vsak nevron maksimalno občutljiv na določeno količino ITD (1А).
Princip označene črte* je hipoteza, ki pojasnjuje, kako lahko različni živci, ki vsi uporabljajo iste fiziološke principe pri prenosu impulzov po svojih aksonih, ustvarjajo različne občutke. Strukturno podobni živci lahko ustvarijo različne senzorične zaznave, če so povezani z edinstvenimi nevroni v centralnem živčnem sistemu, ki so sposobni dekodirati podobne živčne signale na različne načine.
Slika #1
Ta model je računsko podoben nevronskemu kodiranju, ki temelji na neomejenih navzkrižnih korelacijah zvokov, ki dosežejo obe ušesi.
Obstaja tudi model, ki nakazuje, da je mogoče lokalizacijo zvoka modelirati na podlagi razlik v odzivni hitrosti določenih populacij nevronov iz različnih hemisfer možganov, tj. model medhemisferne asimetrije (1V).
Doslej je bilo težko nedvoumno trditi, katera od obeh teorij (modelov) je pravilna, glede na to, da vsaka predvideva različne odvisnosti lokalizacije zvoka od jakosti zvoka.
V študiji, ki jo obravnavamo danes, so se raziskovalci odločili združiti oba modela, da bi razumeli, ali zaznavanje zvokov temelji na nevronskem kodiranju ali na razlikah v odzivu posameznih nevronskih populacij. Izvedenih je bilo več poskusov, v katerih so sodelovali ljudje, stari od 18 do 27 let (5 žensk in 7 moških). Avdiometrija udeležencev (meritev ostrine sluha) je bila 25 dB ali več med 250 in 8000 Hz. Udeleženec v poskusih je bil postavljen v zvočno izolirano sobo, v kateri je bila nameščena posebna oprema, kalibrirana z visoko natančnostjo. Udeleženci so morali, ko so slišali zvočni signal, nakazati smer, iz katere je prišel.
Rezultati raziskav
Za oceno odvisnosti lateralizacija* možgansko aktivnost iz zvočne jakosti kot odziv na označene nevrone, uporabljeni so bili podatki o reakcijski hitrosti nevronov v laminarnem jedru možganov pege sove.
Lateralnost* - asimetrija leve in desne polovice telesa.
Za oceno odvisnosti lateralizacije možganske aktivnosti od hitrosti reakcije določenih populacij nevronov so bili uporabljeni podatki iz aktivnosti spodnjega kolikulusa možganov opice rezus, nakar so bile dodatno izračunane razlike v hitrosti nevronov iz različnih hemisfer. .
Model označenih linij detektorskih nevronov napoveduje, da bo z zmanjšanjem jakosti zvoka lateralnost zaznanega vira konvergirala k srednjim vrednostim, podobnim razmerju med tihimi in glasnimi zvoki (1S).
Model hemisferne asimetrije pa nakazuje, da se bo zaznana lateralnost premaknila proti srednji črti, ko se jakost zvoka zmanjša na skoraj mejne ravni (1D).
Pri večji skupni jakosti zvoka se pričakuje, da bo lateralizacija intenzitetno nespremenljiva (vstavki v 1S и 1D).
Zato nam analiza, kako intenzivnost zvoka vpliva na zaznano smer zvoka, omogoča natančno določitev narave procesov, ki se dogajajo v tistem trenutku - nevroni iz istega splošnega območja ali nevroni iz različnih hemisfer.
Jasno je, da se sposobnost posameznika, da razlikuje ITD, lahko razlikuje glede na jakost zvoka. Vendar pa znanstveniki pravijo, da je težko razlagati prejšnje ugotovitve, ki povezujejo občutljivost z ITD in poslušalčevo presojo smeri vira zvoka kot funkcijo jakosti zvoka. Nekatere študije pravijo, da ko jakost zvoka doseže mejni prag, se zaznana lateralnost vira zmanjša. Druge študije kažejo, da intenzivnost sploh ne vpliva na zaznavanje.
Z drugimi besedami, znanstveniki »nežno« namigujejo, da je v literaturi malo informacij o razmerju med ITD, jakostjo zvoka in določanjem smeri njegovega izvora. Obstajajo teorije, ki obstajajo kot nekakšni aksiomi, splošno sprejeti v znanstveni skupnosti. Zato je bilo odločeno, da vse teorije, modele in možne mehanizme slušnega zaznavanja podrobno preizkusimo v praksi.
Prvi poskus je temeljil na psihofizični paradigmi, ki je omogočila preučevanje lateralizacije na podlagi ITD kot funkcije jakosti zvoka v skupini desetih udeležencev z normalnim sluhom.
Slika #2
Zvočni viri so bili posebej nastavljeni tako, da pokrivajo večino frekvenčnega območja, znotraj katerega lahko ljudje prepoznajo ITD, tj. od 300 do 1200 Hz (2А).
Pri vsakem poskusu je moral poslušalec navesti zaznano lateralnost, izmerjeno kot funkcijo ravni občutka, v razponu vrednosti ITD od 375 do 375 ms. Za določitev učinka jakosti zvoka je bil uporabljen model nelinearnih mešanih učinkov (NMLE), ki je vključeval tako fiksno kot naključno jakost zvoka.
Urnik 2V prikazuje ocenjeno lateralizacijo s spektralno ravnim šumom pri dveh jakostih zvoka za reprezentativnega poslušalca. In urnik 2S prikazuje neobdelane podatke (krogi) in prilagojen model NMLE (črte) vseh poslušalcev.
Tabela # 1
Zgornja tabela prikazuje vse parametre NLME. Vidimo lahko, da se je zaznana lateralnost povečala z naraščanjem ITD, kot so znanstveniki pričakovali. Ko se je intenzivnost zvoka zmanjševala, se je zaznavanje vedno bolj pomikalo proti srednji črti (vložek v graf 2C).
Te trende je podprl model NLME, ki je pokazal pomembne učinke ITD in jakosti zvoka na največjo stopnjo lateralnosti, kar podpira model medhemisfernih razlik.
Poleg tega so povprečni avdiometrični pragovi za čiste tone malo vplivali na zaznano lateralnost. Toda intenzivnost zvoka ni bistveno vplivala na kazalnike psihometričnih funkcij.
Glavni cilj drugega poskusa je bil ugotoviti, kako se bodo rezultati, dobljeni v prejšnjem poskusu, spremenili ob upoštevanju spektralnih značilnosti dražljajev (zvokov). Potreba po testiranju spektralno ravnega hrupa pri nizki jakosti zvoka je v tem, da deli spektra morda niso slišni, kar lahko vpliva na določitev smeri zvoka. Posledično lahko rezultate prvega poskusa pomotoma zamenjamo z dejstvom, da se lahko širina slišnega dela spektra zmanjšuje z zmanjševanjem jakosti zvoka.
Zato je bilo odločeno, da izvedemo še en poskus, vendar v obratni smeri A-ponderirano* hrup
A-tehtanje* uporabi za ravni zvoka, da se upošteva relativna glasnost, ki jo zazna človeško uho, saj je uho manj občutljivo na nizke zvočne frekvence. A-ponderiranje se izvede z aritmetičnim dodajanjem tabele vrednosti, navedenih v oktavnih pasovih, izmerjenim ravnem zvočnega tlaka v dB.
Na grafikonu 2D prikazuje neobdelane podatke (krogi) in podatke, prilagojene modelu NMLE (črte) vseh udeležencev v poskusu.
Analiza podatkov je pokazala, da ko so vsi deli zvoka približno enako slišni (tako v prvem kot v drugem poskusu), se zaznana lateralnost in naklon v grafu, ki pojasnjuje spremembo lateralnosti z ITD, zmanjšujeta z zmanjševanjem jakosti zvoka.
Tako so rezultati drugega poskusa potrdili rezultate prvega. To pomeni, da se je v praksi izkazalo, da model, ki ga je leta 1948 predlagal Jeffress, ni pravilen.
Izkazalo se je, da se lokalizacija zvoka poslabša, ko se intenzivnost zvoka zmanjša, in Jeffress je verjel, da ljudje zvoke zaznavamo in obdelujemo na enak način, ne glede na njihovo intenzivnost.
Za podrobnejšo seznanitev z odtenki študije priporočam ogled .
Epilog
Teoretične predpostavke in praktični poskusi, ki jih potrjujejo, so pokazali, da se možganski nevroni pri sesalcih aktivirajo različno hitro, odvisno od smeri zvočnega signala. Možgani nato primerjajo te hitrosti med vsemi nevroni, vključenimi v proces, da dinamično zgradijo zemljevid zvočnega okolja.
Jeffressonov model dejansko ni 100% napačen, saj se lahko uporablja za popoln opis lokalizacije vira zvoka pri pegastih sovah. Da, za pege sove ni pomembna intenzivnost zvoka, v vsakem primeru bodo določile položaj njegovega vira. Vendar ta model ne deluje pri opicah rezus, kot so pokazali prejšnji poskusi. Zato ta Jeffressonov model ne more opisati lokalizacije zvokov za vsa živa bitja.
Poskusi s človeškimi udeleženci so še enkrat potrdili, da se lokalizacija zvoka v različnih organizmih pojavlja različno. Veliko udeležencev zaradi nizke intenzivnosti zvokov ni moglo pravilno določiti položaja vira zvočnih signalov.
Znanstveniki menijo, da njihovo delo kaže določene podobnosti med tem, kako vidimo in kako slišimo. Oba procesa sta povezana s hitrostjo nevronov v različnih delih možganov, pa tudi z oceno te razlike za določanje položaja predmetov, ki jih vidimo v prostoru, in položaja vira zvoka, ki ga slišimo.
V prihodnosti bodo raziskovalci izvedli vrsto poskusov, s katerimi bodo podrobneje preučili povezavo med človeškim sluhom in vidom, kar nam bo omogočilo boljše razumevanje, kako natančno naši možgani dinamično gradijo zemljevid sveta okoli nas.
Hvala za branje, ostanite radovedni in lep teden, fantje! 🙂
Hvala, ker ste ostali z nami. So vam všeč naši članki? Želite videti več zanimivih vsebin? Podprite nas tako, da oddate naročilo ali priporočite prijateljem, , 30% popust za uporabnike Habr na edinstvenem analogu začetnih strežnikov, ki smo ga izumili za vas: (na voljo z RAID1 in RAID10, do 24 jeder in do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2-krat cenejši? Samo tukaj na Nizozemskem! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 $! Preberite o
Vir: www.habr.com