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我们如何本地化声音的新模型

听力丧失的持久难题之一是人确定声音起源的能力下降,这是一个重要的生存能力,可以使动物(从蜥蜴到人)准确定位危险,猎物和小组成员的位置。在近代,通过使用“查找我的设备”应用程序查找丢失的手机,只是发现它已滑入沙发枕头下,这取决于到达耳朵的铃声的微小差异。

我们如何本地化声音的新模型

与其他感官知觉不同,例如感觉雨滴落在皮肤上的感觉或能够区分钢琴高音与低音的感觉,必须计算声音的方向。大脑通过处理两只耳朵的到达时间差(即耳间时间差(ITD))来估计它们。生物医学工程师之间的长期共识是,人类以类似于空间图或指南针的方案定位声音,神经元从左向右排列,当被给定角度的声音(例如,从左向左30度)激活时会单独发射头部的中心。

但是在一项新的研究中,NJIT语音与听力实验室神经工程总监Antje Ihlefeld提出了一种基于更具动态性的神经代码的不同模型。她说,这一发现提供了新的希望,即工程师有一天可能会设计出助听器,以纠正这种缺陷。如今,助听器现在在恢复声音方向方面非常差。

“如果大脑中的静态图退化并且无法修复,那将是一个艰巨的障碍。这意味着人们可能无法“重新学习”本地化的声音。但是,如果这种感知能力是基于动态神经代码的,那么它将给我们带来更多重新训练人们的大脑的希望。” Ihlefeld指出。“我们将对助听器和人工耳蜗进行编程,不仅是为了补偿个人的听力损失,而且还要根据该人适应设备上的提示的适应程度而定。这对于具有背景声音的情况尤为重要,在这种情况下,目前尚无助听器可以恢复选择目标声音的能力。我们知道,提供提示以恢复声音指向确实会有所帮助。”

导致她得出这个结论的是学术研究工作的旅程,该旅程始于与纽约大学的一位著名神经生理学家罗伯特·沙普利(Robert Shapley)的对话,他谈到了人类双眼深度感知的特殊性–确定视觉物体有多远的能力–这还取决于计算比较两只眼睛接收到的输入。Shapley指出,相对于高对比度的刺激,这些距离估计对于低对比度刺激(较难于与周围环境区分的图像)在系统上不那么准确。

Ihlefeld和Shapley想知道相同的神经原理是否适用于声音定位:柔和的声音是否比响亮的声音更不准确。但这与流行的空间地图理论(称为Jeffress模型)背道而驰,该理论认为,所有音量的声音都以相同的方式处理-因此被感知。生理学家认为哺乳动物依赖于更具动态性的神经模型,长期以来一直不同意这种观点。他们认为,哺乳动物神经元倾向于根据定向信号以不同的速率发射,然后大脑会比较各组神经元的这些速率,以动态建立声音环境图。

“证明或反驳这些理论的挑战在于,由于相关的神经元位于人脑干中,因此我们无法直接看待这些感知的神经代码,因此我们无法获得它们的高分辨率图像,” Ihlefeld说。“但是我们有预感,这两种模型将以非常低的音量给出不同的声音位置预测。”

他们在文献中搜索了证据,并发现只有两篇论文以这些低声从神经组织中记录下来。一项研究是在仓中进行的;该物种被认为是基于杰弗瑞斯模型的,是基于鸟类大脑组织中的高分辨率记录而进行的;另一项研究是在哺乳动物恒河猴中,这是一种被认为利用动态速率的动物。编码。然后,他们仔细地重建了这些古老研究中记录的神经元的放电特性,并利用它们的重建来估计声音方向与ITD和音量的关系。

“我们期望对于谷仓猫头鹰数据来说,声源到底有多大无关紧要-无论声音大小如何,预测的声音方向都应该是准确的-我们能够确认这一点。但是,我们从猴子数据中发现,预测的声音方向取决于ITD和音量。”她说。“然后,我们在人类文献中搜索了关于感知的声音方向与ITD的关系的研究,该研究也被认为不依赖于音量,但是令人惊讶的是,没有证据支持这种长期存在的信念。”

Ihlefeld和她的研究生,尼玛·阿拉玛兹(Nima Alamatsaz),然后在新泽西理工大学校园招募志愿者,使用声音测试音量如何影响人们认为声音出现的地方,以检验他们的假设。

“我们用专门的校准设备建造了一个非常安静,隔音的房间,使我们能够向志愿者展示高精度的声音,并记录他们感觉到声音的来源。毫无疑问,人们会误以为柔和的声音。” Alamatsaz指出。

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点击次数:更新时间2019-12-01【打印此页】??【关闭
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