Локализација звука: како мозак препознаје изворе звука

Свет око нас је испуњен свим врстама информација које наш мозак непрекидно обрађује. Ову информацију прима преко органа чула, од којих је сваки одговоран за свој део сигнала: очи (вид), језик (укус), нос (мирис), кожа (додир), вестибуларни апарат (равнотежа, положај у простору и осећај за тежина) и уши (звук). Комбиновањем сигнала из свих ових органа, наш мозак може да изгради тачну слику нашег окружења. Али нису нам познати сви аспекти обраде спољашњих сигнала. Једна од ових тајни је механизам за локализацију извора звукова.

Научници из Лабораторије за неуроинжењеринг говора и слуха (Нев Јерсеи Институте оф Тецхнологи) предложили су нови модел неуронског процеса локализације звука. Који се тачно процеси дешавају у мозгу током перцепције звука, како наш мозак разуме позицију извора звука и како ово истраживање може помоћи у борби против оштећења слуха. О томе сазнајемо из извештаја истраживачке групе. Иди.

Основа истраживања

Информације које наш мозак прима од наших чула разликују се једна од друге, како у погледу извора, тако и у смислу њихове обраде. Неки сигнали се нашем мозгу одмах појављују као тачна информација, док други захтевају додатне рачунарске процесе. Грубо говорећи, додир осетимо одмах, али када чујемо звук, ипак морамо да пронађемо одакле долази.

Основа за локализацију звукова у хоризонталној равни је интераурал* временска разлика (ИТД од интераурална временска разлика) звуци који допиру до ушију слушаоца.

Интераурална база* - растојање између ушију.

Постоји специфична област у мозгу (медијална супериорна маслина или МСО) која је одговорна за овај процес. У тренутку када се звучни сигнал прими у МВО, интерауралне временске разлике се претварају у брзину реакције неурона. Облик криве излазне брзине МБО као функције ИТД подсећа на облик унакрсне корелационе функције улазних сигнала за свако уво.

Како се информације обрађују и тумаче у МБО-у и даље није сасвим јасно, због чега постоји неколико врло контрадикторних теорија. Најпознатија и заправо класична теорија локализације звука је Џефресов модел (Ллоид А. Јеффресс). Заснован је на означена линија* детекторски неурони који су осетљиви на бинауралну синхронизацију неуронских улаза из сваког уха, при чему је сваки неурон максимално осетљив на одређену количину ИТД (КСНУМКСА).

Принцип означене линије* је хипотеза која објашњава како различити нерви, од којих сви користе исте физиолошке принципе у преношењу импулса дуж својих аксона, могу да генеришу различите сензације. Структурно слични нерви могу генерисати различите сензорне перцепције ако су повезани са јединственим неуронима у централном нервном систему који су способни да декодирају сличне нервне сигнале на различите начине.

Слика #1

Овај модел је рачунарски сличан неуронском кодирању, заснован на неограниченим унакрсним корелацијама звукова који допиру до оба уха.

Постоји и модел који сугерише да се локализација звука може моделовати на основу разлика у брзини одговора одређених популација неурона из различитих хемисфера мозга, тј. модел интерхемисферне асиметрије (КСНУМКСВ).

До сада је било тешко недвосмислено рећи која је од две теорије (модела) тачна, с обзиром да свака од њих предвиђа различите зависности локализације звука од интензитета звука.

У студији коју данас гледамо, истраживачи су одлучили да комбинују оба модела како би разумели да ли је перцепција звукова заснована на неуронском кодирању или на разликама у одговору појединих неуронских популација. Спроведено је неколико експеримената у којима су учествовали људи старости од 18 до 27 година (5 жена и 7 мушкараца). Аудиометрија учесника (мерење оштрине слуха) била је 25 дБ или више између 250 и 8000 Хз. Учесник експеримената смештен је у звучно изоловану просторију, у којој је постављена специјална опрема, калибрисана са високом прецизношћу. Учесници су морали да, чувши звучни сигнал, назначе правац из којег је дошао.

Резултати истраживања

За процену зависности латерализација* мождане активности од интензитета звука као одговора на обележене неуроне, коришћени су подаци о брзини реакције неурона у ламинарном језгру мозга сове.

Латералност* - асиметрија леве и десне половине тела.

За процену зависности латерализације мождане активности од брзине реакције појединих популација неурона коришћени су подаци о активности инфериорног коликулуса мозга резус мајмуна, након чега су додатно израчунате разлике у брзини неурона из различитих хемисфера. .

Модел означене линије детекторских неурона предвиђа да ће, како се интензитет звука смањује, латералност перципираног извора конвергирати до средњих вредности сличних односу тихих и гласних звукова (КСНУМКСС).

Модел хемисферне асиметрије, заузврат, сугерише да како интензитет звука опада до нивоа близу прага, перципирана латералност ће се померити ка средњој линији (1D).

При већем укупном интензитету звука, очекује се да ће латерализација бити инваријантна интензитета (уметнути у КСНУМКСС и 1D).

Стога, анализирање како интензитет звука утиче на перципирани правац звука омогућава нам да тачно одредимо природу процеса који се дешавају у том тренутку – неурона из истог општег подручја или неурона из различитих хемисфера.

Јасно је да способност особе да разликује ИТД може варирати у зависности од интензитета звука. Међутим, научници кажу да је тешко протумачити претходна открића која повезују осетљивост са ИТД и процену слушалаца о правцу извора звука као функцију интензитета звука. Неке студије кажу да када интензитет звука достигне гранични праг, перципирана латералност извора се смањује. Друге студије сугеришу да интензитет уопште не утиче на перцепцију.

Другим речима, научници „нежно“ наговештавају да у литератури има мало информација о односу између ИТД, интензитета звука и одређивања правца његовог извора. Постоје теорије које постоје као нека врста аксиома, општеприхваћених у научној заједници. Због тога је одлучено да се све теорије, модели и могући механизми перцепције слуха детаљно тестирају у пракси.

Први експеримент је био заснован на психофизичкој парадигми која је омогућила проучавање латерализације засноване на ИТД као функције интензитета звука у групи од десет учесника са нормалним слухом.

Слика #2

Извори звука су посебно подешени да покрију већину фреквенцијског опсега унутар којег људи могу да открију ИТД, тј. од 300 до 1200 Хз (КСНУМКСА).

У сваком испитивању, слушалац је морао да укаже на перципирану латералност, мерену као функција нивоа сензације, у опсегу ИТД вредности од 375 до 375 мс. Да би се одредио ефекат интензитета звука, коришћен је нелинеарни модел мешаних ефеката (НМЛЕ) који је укључивао и фиксни и насумични интензитет звука.

Распоред КСНУМКСВ показује процењену латерализацију са спектрално равним шумом при два интензитета звука за репрезентативног слушаоца. И распоред КСНУМКСС приказује необрађене податке (кругови) и уграђени НМЛЕ модел (линије) свих слушалаца.

Табела 1

Горња табела приказује све НЛМЕ параметре. Може се видети да се перципирана латералност повећава са повећањем ИТД, као што су научници очекивали. Како се интензитет звука смањивао, перцепција се све више померала ка средњој линији (уметнута у графикон 2C).

Ови трендови су подржани моделом НЛМЕ, који је показао значајне ефекте ИТД и интензитета звука на максимални степен латералности, подржавајући модел међухемисферних разлика.

Поред тога, средњи аудиометријски прагови за чисте тонове имали су мали утицај на перципирану латералност. Али интензитет звука није значајно утицао на показатеље психометријских функција.

Основни циљ другог експеримента био је да се утврди како ће се променити резултати добијени у претходном експерименту када се узму у обзир спектралне карактеристике стимулуса (звукова). Потреба за тестирањем спектрално равног шума при ниском интензитету звука је да делови спектра можда неће бити чујни и то може утицати на одређивање правца звука. Сходно томе, резултати првог експеримента могу се погрешно погрешити са чињеницом да ширина чујног дела спектра може да се смањи са смањењем интензитета звука.

Због тога је одлучено да се спроведе још један експеримент, али користећи обрнуто А-пондерисан* буке

А-вагање* примењен на нивое звука како би се узела у обзир релативна гласноћа коју перципира људско ухо, пошто је ухо мање осетљиво на ниске фреквенције звука. А-пондерисање се спроводи аритметичким додавањем табеле вредности наведених у октавним опсезима измереним нивоима звучног притиска у дБ.

На графикону 2D приказује необрађене податке (кругови) и податке прилагођене моделу НМЛЕ (линије) свих учесника у експерименту.

Анализа података је показала да када су сви делови звука приближно подједнако чујни (и у првом и у другом огледу), перципирана латералност и нагиб на графикону који објашњава промену латералности са ИТД опадају са смањењем интензитета звука.

Тако су резултати другог експеримента потврдили резултате првог. Односно, у пракси се показало да модел који је 1948. предложио Џефрес није тачан.

Испоставило се да се локализација звука погоршава како се интензитет звука смањује, а Џефрес је веровао да људи перципирају и обрађују звукове на исти начин, без обзира на њихов интензитет.

За детаљније упознавање са нијансама студије, препоручујем да погледате саопштавају научници.

Епилог

Теоријске претпоставке и практични експерименти који их потврђују показали су да се неурони мозга код сисара активирају различитом брзином у зависности од правца звучног сигнала. Мозак затим упоређује ове брзине између свих неурона укључених у процес да би динамички направио мапу звучног окружења.

Џефресонов модел заправо није 100% погрешан, јер се може користити да се савршено опише локализација извора звука код сова ушара. Да, за сове ушаре интензитет звука у сваком случају није битан, они ће одредити положај његовог извора. Међутим, овај модел не ради са резус мајмунима, као што су показали претходни експерименти. Стога, овај Џефресонов модел не може да опише локализацију звукова за сва жива бића.

Експерименти са људским учесницима још једном су потврдили да се локализација звука различито јавља у различитим организмима. Многи од учесника нису били у стању да правилно одреде положај извора звучних сигнала због ниског интензитета звукова.

Научници верују да њихов рад показује одређене сличности између тога како видимо и како чујемо. Оба процеса су повезана са брзином неурона у различитим деловима мозга, као и са проценом ове разлике да би се утврдио како положај објеката које видимо у простору, тако и положај извора звука који чујемо.

У будућности, истраживачи ће спровести низ експеримената како би детаљније испитали везу између људског слуха и вида, што ће нам омогућити да боље разумемо како тачно наш мозак динамички гради мапу света око нас.

Хвала на читању, останите радознали и желим вам одличну недељу! 🙂

Хвала вам што сте остали са нама. Да ли вам се свиђају наши чланци? Желите да видите још занимљивијег садржаја? Подржите нас тако што ћете наручити или препоручити пријатељима, ВПС у облаку за програмере од 4.99 УСД, 30% попуста за кориснике Хабра на јединствени аналог сервера почетног нивоа, који смо ми измислили за вас: Цела истина о ВПС (КВМ) Е5-2650 в4 (6 језгара) 10ГБ ДДР4 240ГБ ССД 1Гбпс од 20 долара или како делити сервер? (доступно са РАИД1 и РАИД10, до 24 језгра и до 40 ГБ ДДР4).

Делл Р730кд 2 пута јефтинији? Само овде 2 к Интел ТетраДеца-Цоре Ксеон 2к Е5-2697в3 2.6ГХз 14Ц 64ГБ ДДР4 4к960ГБ ССД 1Гбпс 100 ТВ од 199 УСД у Холандији! Делл Р420 - 2к Е5-2430 2.2Гхз 6Ц 128ГБ ДДР3 2к960ГБ ССД 1Гбпс 100ТБ - од 99 долара! Читали о Како изградити инфраструктурну корпорацију. класе уз коришћење Делл Р730кд Е5-2650 в4 сервера у вредности од 9000 евра за пени?

Извор: ввв.хабр.цом