Världen omkring oss är fylld med all slags information som vår hjärna kontinuerligt bearbetar. Han tar emot denna information genom sinnesorgan, som vart och ett är ansvarigt för sin andel av signalerna: ögon (syn), tunga (smak), näsa (lukt), hud (beröring), vestibulära apparater (balans, position i rymden och känsla för vikt) och öron (ljud). Genom att kombinera signaler från alla dessa organ kan vår hjärna bygga en korrekt bild av vår miljö. Men inte alla aspekter av bearbetning av externa signaler är kända för oss. En av dessa hemligheter är mekanismen för att lokalisera ljudkällan.
Forskare från Laboratory of Neuroengineering of Speech and Hearing (New Jersey Institute of Technology) har föreslagit en ny modell av den neurala processen för ljudlokalisering. Vilka exakta processer sker i hjärnan under uppfattningen av ljud, hur vår hjärna förstår ljudkällans position och hur denna forskning kan hjälpa till i kampen mot hörselskador. Vi lär oss om detta från forskargruppens rapport. Gå.
Forskningsunderlag
Informationen som vår hjärna får från våra sinnen skiljer sig från varandra, både när det gäller dess källa och när det gäller dess bearbetning. Vissa signaler visas omedelbart för vår hjärna som korrekt information, medan andra kräver ytterligare beräkningsprocesser. Grovt sett känner vi en beröring direkt, men när vi hör ett ljud måste vi ändå hitta var det kommer ifrån.
Grunden för att lokalisera ljud i horisontalplanet är interaural* tidsskillnad (ITD från interaural tidsskillnad) ljud som når lyssnarens öron.
Interaural bas* - avstånd mellan öronen.
Det finns ett specifikt område i hjärnan (medial superior oliven eller MSO) som är ansvarig för denna process. I det ögonblick då en ljudsignal tas emot i MVO, omvandlas interaurala tidsskillnader till reaktionshastigheten för neuroner. Formen på MVO-utgångshastighetskurvorna som en funktion av ITD liknar formen på korskorrelationsfunktionen för insignalerna för varje öra.
Hur information bearbetas och tolkas i MBO är fortfarande inte helt klart, varför det finns flera mycket motsägelsefulla teorier. Den mest kända och faktiskt klassiska teorin om ljudlokalisering är Jeffress-modellen (Lloyd A. Jeffress). Det baseras på markerad linje* detektorneuroner som är känsliga för binaural synkronisering av neurala insignaler från varje öra, där varje neuron är maximalt känslig för en viss mängd ITD (1А).
Markerad linje princip* är en hypotes som förklarar hur olika nerver, som alla använder samma fysiologiska principer för att överföra impulser längs sina axoner, kan generera olika förnimmelser. Strukturellt likartade nerver kan generera olika sensoriska uppfattningar om de är kopplade till unika neuroner i det centrala nervsystemet som kan avkoda liknande nervsignaler på olika sätt.
Bild #1
Denna modell liknar beräkningsmässigt neural kodning, baserad på obegränsade korskorrelationer av ljud som når båda öronen.
Det finns också en modell som föreslår att ljudlokalisering kan modelleras utifrån skillnader i svarshastigheten hos vissa populationer av neuroner från olika hjärnhalvor, d.v.s. modell av interhemisfärisk asymmetri (1V).
Fram till nu har det varit svårt att entydigt ange vilken av de två teorierna (modellerna) som är korrekta, med tanke på att var och en av dem förutsäger olika beroende av ljudlokalisering på ljudintensitet.
I studien vi tittar på idag, beslutade forskarna att kombinera båda modellerna för att förstå om uppfattningen av ljud är baserad på neural kodning eller på skillnader i svaret hos individuella neurala populationer. Flera experiment genomfördes där personer i åldrarna 18 till 27 år (5 kvinnor och 7 män) deltog. Deltagarnas audiometri (ett mått på hörselskärpa) var 25 dB eller högre mellan 250 och 8000 Hz. Deltagaren i experimenten placerades i ett ljudisolerat rum, i vilket specialutrustning placerades, kalibrerad med hög noggrannhet. Deltagarna var tvungna att, när de hörde en ljudsignal, ange varifrån den kom.
Forskningsresultat
Att bedöma beroende lateralisering* hjärnaktivitet från ljudintensitet som svar på märkta neuroner, användes data om reaktionshastigheten för neuroner i den laminära kärnan i kattugglans hjärna.
Lateralitet* - asymmetri i vänster och höger kroppshalva.
För att bedöma beroendet av lateraliseringen av hjärnaktivitet på reaktionshastigheten hos vissa populationer av neuroner användes data från aktiviteten hos den inferior colliculus i rhesusaphjärnan, varefter skillnader i hastigheten hos neuroner från olika hemisfärer beräknades dessutom. .
Den markerade linjemodellen av detektorneuroner förutspår att när ljudintensiteten minskar, kommer lateraliteten hos den upplevda källan att konvergera till medelvärden som liknar förhållandet mellan mjuka och höga ljud (1S).
Den hemisfäriska asymmetrimodellen antyder i sin tur att när ljudintensiteten minskar till nära tröskelnivåer kommer upplevd lateralitet att förskjutas mot mittlinjen (1D).
Vid högre total ljudintensitet förväntas lateraliseringen vara intensitetsinvariant (insättningar i 1S и 1D).
Att analysera hur ljudintensiteten påverkar ljudets upplevda riktning gör det därför möjligt för oss att exakt bestämma karaktären av de processer som sker i det ögonblicket - neuroner från samma allmänna område eller neuroner från olika hemisfärer.
Uppenbarligen kan en persons förmåga att särskilja ITD variera beroende på ljudintensitet. Men forskarna säger att det är svårt att tolka tidigare fynd som kopplar känslighet till ITD och lyssnarnas bedömning av ljudkällans riktning som en funktion av ljudintensiteten. Vissa studier säger att när ljudintensiteten når en gränströskel minskar den upplevda lateraliteten hos källan. Andra studier tyder på att det inte finns någon effekt av intensitet på perception alls.
Med andra ord, forskare antyder "försiktigt" att det finns lite information i litteraturen om förhållandet mellan ITD, ljudintensitet och att bestämma riktningen för dess källa. Det finns teorier som existerar som ett slags axiom, allmänt accepterade av vetenskapssamfundet. Därför beslutades det att i detalj testa alla teorier, modeller och möjliga mekanismer för hörseluppfattning i praktiken.
Det första experimentet baserades på ett psykofysiskt paradigm som möjliggjorde studiet av ITD-baserad lateralisering som en funktion av ljudintensiteten i en grupp om tio normalhörande deltagare.
Bild #2
Ljudkällorna var specifikt inställda för att täcka större delen av det frekvensområde inom vilket människor kan känna igen ITD, d.v.s. från 300 till 1200 Hz (2А).
Vid varje försök var lyssnaren tvungen att ange upplevd lateralitet, mätt som en funktion av sensationsnivå, över ett intervall av ITD-värden från 375 till 375 ms. För att bestämma effekten av ljudintensitet användes en ickelinjär mixed effects-modell (NMLE) som inkluderade både fast och slumpmässig ljudintensitet.
Tidtabell 2V visar uppskattad lateralisering med spektralt platt brus vid två ljudintensiteter för en representativ lyssnare. Och schemat 2S visar rådata (cirklar) och den monterade NMLE-modellen (linjer) för alla lyssnare.
Tabell nr 1
Tabellen ovan visar alla NLME-parametrar. Man kan se att den upplevda lateraliteten ökade med ökande ITD, vilket forskarna förväntade sig. När ljudintensiteten minskade skiftade uppfattningen mer och mer mot mittlinjen (insatt i grafen 2C).
Dessa trender stöddes av NLME-modellen, som visade signifikanta effekter av ITD och ljudintensitet på maximal grad av lateralitet, vilket stödde modellen för interhemisfäriska skillnader.
Dessutom hade genomsnittliga audiometriska trösklar för rena toner liten effekt på upplevd lateralitet. Men ljudintensiteten påverkade inte signifikant indikatorerna för psykometriska funktioner.
Huvudmålet med det andra experimentet var att bestämma hur resultaten som erhölls i det föregående experimentet skulle förändras när man tar hänsyn till stimulans spektrala egenskaper (ljud). Behovet av att testa för spektralt platt brus vid låg ljudintensitet är att delar av spektrumet kanske inte är hörbara och detta kan påverka bestämningen av ljudriktningen. Följaktligen kan resultaten av det första experimentet felaktigt misstas för det faktum att bredden på den hörbara delen av spektrumet kan minska med minskande ljudintensitet.
Därför beslöts det att genomföra ytterligare ett experiment, men med det omvända A-viktad* ljud
A-vägning* tillämpas på ljudnivåer för att ta hänsyn till den relativa ljudstyrka som uppfattas av det mänskliga örat, eftersom örat är mindre känsligt för låga ljudfrekvenser. A-viktning implementeras genom att aritmetiskt addera en tabell med värden listade i oktavband till de uppmätta ljudtrycksnivåerna i dB.
På diagrammet 2D visar rådata (cirklar) och NMLE modellanpassade data (linjer) för alla deltagare i experimentet.
Analys av data visade att när alla delar av ljudet är ungefär lika hörbara (både i första och andra försöket), minskar upplevd lateralitet och lutningen i grafen som förklarar förändringen i lateralitet med ITD med minskande ljudintensitet.
Resultaten från det andra experimentet bekräftade således resultaten från det första. Det vill säga, i praktiken har det visat sig att den modell som Jeffress föreslog redan 1948 inte är korrekt.
Det visar sig att ljudlokalisering förvärras när ljudintensiteten minskar, och Jeffress trodde att ljud uppfattas och bearbetas av människor på samma sätt, oavsett deras intensitet.
För en mer detaljerad bekantskap med studiens nyanser rekommenderar jag att titta på .
Epilog
Teoretiska antaganden och praktiska experiment som bekräftar dem har visat att hjärnneuroner hos däggdjur aktiveras i olika takt beroende på ljudsignalens riktning. Hjärnan jämför sedan dessa hastigheter mellan alla neuroner som är involverade i processen för att dynamiskt bygga en karta över ljudmiljön.
Jeffressons modell är faktiskt inte 100% fel, eftersom den kan användas för att perfekt beskriva lokaliseringen av ljudkällan hos kattugglor. Ja, för kattugglor spelar ingen roll ljudets intensitet; i alla fall kommer de att avgöra källans position. Denna modell fungerar dock inte med rhesusapor, vilket tidigare experiment har visat. Därför kan denna Jeffresson-modell inte beskriva lokaliseringen av ljud för alla levande varelser.
Experiment med mänskliga deltagare har återigen bekräftat att ljudlokalisering sker olika i olika organismer. Många av deltagarna kunde inte korrekt bestämma positionen för ljudkällan på grund av ljudens låga intensitet.
Forskare tror att deras arbete visar vissa likheter mellan hur vi ser och hur vi hör. Båda processerna är förknippade med neuronernas hastighet i olika delar av hjärnan, såväl som med bedömningen av denna skillnad för att bestämma både positionen för de föremål vi ser i rymden och positionen för källan till ljudet vi hör.
I framtiden kommer forskarna att genomföra en serie experiment för att närmare undersöka sambandet mellan mänsklig hörsel och syn, vilket gör att vi bättre kan förstå hur exakt vår hjärna dynamiskt bygger en karta över världen omkring oss.
Tack för din uppmärksamhet, var nyfiken och ha en bra vecka alla! 🙂
Tack för att du stannar hos oss. Gillar du våra artiklar? Vill du se mer intressant innehåll? Stöd oss genom att lägga en beställning eller rekommendera till vänner, , 30 % rabatt för Habr-användare på en unik analog av nybörjarservrar, som uppfanns av oss för dig: (tillgänglig med RAID1 och RAID10, upp till 24 kärnor och upp till 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gånger billigare? Bara här i Nederländerna! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - från $99! Läs om
Källa: will.com