Nový model pro způsob, jakým lidé najdou …

Jednou z přetrvávajících hádanek ztráty sluchu je snížená schopnost člověka určit, odkud zvuk pochází, důležitá dovednost přežití, která umožňuje zvířatům od ještěrek po člověka lokalizovat nebezpečí a určit jeho kořist. a členové skupiny. V moderní době je použití aplikace „Najít moje zařízení“ k nalezení ztraceného mobilního telefonu a zjištění, že právě spadl pod sedák, založeno na malých rozdílech ve vyzváněcím zvuku, který zasahuje vaše uši.

Na rozdíl od jiných smyslových vjemů, jako je pocit dešťových kapek dopadajících na kůži nebo schopnost rozlišit vysoké tóny od nízkých tónů na klavíru, je třeba vypočítat směr zvuků; Mozek je odhaduje zpracováním rozdílu v době příjezdu mezi oběma ušima, který se nazývá časový rozdíl mezi ušima (ITD). Dlouhodobým konsenzem mezi biomedicínskými inženýry je, že lidé najdou zvuky pomocí kompasu nebo schématu podobného prostorové mapě, ve kterém jsou jednotlivé vypálené neurony zarovnány zleva doprava, když jsou spuštěny zvukem vycházejícím z určitého úhlu. například 30 stupňů doleva od středu hlavy.

Ve výzkumu zveřejněném v časopise tento měsíc eLifeAntje Ihlefeld, ředitel Laboratoře neurálního inženýrství pro řeč a sluch NJIT, navrhuje jiný model založený na dynamičtějším neurálním kódu. Objev říká, že inženýři mohou jednoho dne být schopni navrhnout sluchátka, která jsou špatně známá pro korekci směru zvuku, aby tuto chybu napravili.

“Pokud je v mozku statická mapa, která je zkreslená a nelze ji opravit, je to skličující překážka.” To znamená, že lidé pravděpodobně nebudou schopni „znovu se naučit“ správně lokalizovat zvuky. Pokud je však tato schopnost vnímání založena, dynamický neurální kód nám dává větší naději na rekvalifikaci mozků lidí, “říká Ihlefeld. “Naprogramujeme sluchadla a kochleární implantáty nejen na kompenzaci ztráty sluchu jednotlivce, ale také na základě toho, jak dobře se tato osoba dokáže přizpůsobit použití signálů z jejich zařízení.” To je zvláště důležité v situacích, kdy není na pozadí žádný šum. V současné době nemůže žádné sluchadlo obnovit schopnost vybrat cílový zvuk. Víme, že poskytnutí vodítek k obnovení směru zvuku může skutečně pomoci. “

K tomuto závěru ho vedla akademická detektivní studijní cesta, která začala rozhovorem s Robertem Shapleyem, renomovaným neurofyziologem z New York University, který komentoval zvláštnost vnímání lidské binokulární hloubky: schopnost určit, jak daleko je vizuální objekt – je to stejné záleží také na vstupu pro výpočetní srovnání přijatém oběma očima. Shapley poznamenal, že tyto odhady vzdálenosti byly trvale méně přesné pro podněty s nízkým kontrastem (obrazy, které se obtížněji odlišují od jejich okolí) než vysoce kontrastní.

Ihlefeld a Shapley si kladli otázku, zda pro lokalizaci zvuku platí stejný neurální princip: menší jistota pro měkčí zvuky než pro hlasitější zvuky? Tím se však odchýlí od dominantní teorie prostorových map známé jako Jeffressův model, která tvrdí, že zvuky všech svazků jsou zpracovávány stejným způsobem, a proto jsou vnímány. Fyziologové, kteří naznačují, že savci spoléhají na dynamičtější neurální model, již dlouho nesouhlasili. Tvrdí, že savčí neurony mají tendenci střílet různými rychlostmi v závislosti na směrových signálech a mozek poté tyto rychlosti dynamicky porovnává mezi shluky neuronů a vytváří mapu zvukové mapy.

“Potíž v prokázání nebo vyvrácení těchto teorií spočívá v tom, že se nemůžeme dívat přímo na neurální kód těchto vjemů, protože příslušné neurony se nacházejí v lidském mozkovém kmeni, takže nemůžeme získat snímky ve vysokém rozlišení,” říká. “Měli jsme však tušení, že tyto dva modely poskytnou různé odhady polohy zvuku při velmi nízké hlasitosti.”

Hledali důkazy v literatuře a našli pouze dva dokumenty zaznamenávající nervovou tkáň s těmito tichými zvuky. Jedna studie byla provedena na sovách, druhu, o kterém se předpokládá, že je spojen s Jeffressovým modelem, na základě záznamů mozkové tkáně ptáků ve vysokém rozlišení, a druhá studie byla provedena na savci, zvířeti a makakovi rhesus. Věříme, že bude použito dynamické kódování rychlosti. Později pečlivě rekonstruovali vypalovací vlastnosti neuronů zaznamenané v těchto dřívějších studiích a pomocí jejich rekonstrukcí předpověděly směr zvuku jako funkci ITD i hlasitosti.

“Pokud jde o data Sova pálená, doufali jsme, že nezáleží na tom, jak hlasitý je zdroj (předpokládaný směr zvuku by měl být skutečně správný bez ohledu na hlasitost zvuku), a byli jsme schopni to ověřit.” Zjistili jsme však, že předpovězený směr zvuku u opičích dat závisí na ITD i na hlasitosti, “uvedl. Poté jsme v lidské literatuře hledali studie o směru vnímaného zvuku jako funkce ITD, o kterém se věří, že není závislé na objemu, ale překvapivě jsme nenašli žádný důkaz podporující tuto dlouhodobou víru. “

On a jeho postgraduální student Nima Alamatsaz přijali dobrovolníky z kampusu NJIT, aby otestovali své hypotézy, a pomocí zvuků vyhodnotili, jak zvuky ovlivňují to, odkud si lidé myslí, že zvuk vychází.

Alamatsaz řekl: „Postavili jsme extrémně tichou, zvukem chráněnou místnost se speciálně kalibrovaným vybavením, které nám umožňuje s vysokou přesností prezentovat hlasy našim dobrovolníkům a zaznamenávat, odkud zvuk vnímají. A skutečně lidé mylně identifikovali měkčí zvuky “.

“Doposud jsme nebyli schopni přesně popsat výpočty zvukové lokalizace v mozku,” dodává Ihlefeld. “Současné výsledky však nejsou v souladu s myšlenkou, že lidský mozek závisí na výpočtu podobném Jeffressově.” Místo toho se zdá, že je založen na trochu méně přesném mechanismu. “

Obecněji řečeno, vědci tvrdí, že jejich práce ukazuje na přímé paralely ve sluchovém a vizuálním vnímání, které byly dosud ignorovány, a naznačují, že kódování založené na rychlosti je základním procesem při výpočtu prostorových dimenzí. dva senzorické vstupy.

„Jak naše studie odhaluje sjednocující principy mezi těmito dvěma smysly, očekáváme, že mezi zainteresované publikum budou patřit kognitivní vědci, fyziologové a odborníci na počítačové modelování sluchu i zraku,“ říká Ihlefeld. „Je fascinující srovnávat, jak mozek využívá informace, které se dostanou do našich očí a uší, k pochopení světa kolem nás a k zjištění, že dvě zdánlivě oddělená vnímání, zrak a sluch, mohou být v konečném důsledku docela podobné.“