En ingeniør foreslår en ny model for måden, hvorpå mennesker lokaliserer lyde

Et af de vedvarende gåder ved høretab er faldet i en persons evne til at bestemme, hvor en lyd stammer fra, et centralt overlevelsesevne, der gør det muligt for dyr - fra firben til mennesker - at lokalisere farens placering, bytte og gruppemedlemmer. I moderne tid, finde en tabt mobiltelefon ved hjælp af applikationen "Find min enhed, "bare for at finde ud af, at den var gledet under en sofapude, er afhængig af små forskelle i den ringelyd, der når ørerne.

I modsætning til andre sanseopfattelser, såsom at føle, hvor regndråber rammer huden eller at kunne skelne høje toner fra lavt på klaveret, lydenes retning skal beregnes; hjernen estimerer dem ved at behandle forskellen i ankomsttid på tværs af de to ører, den såkaldte interaural tidsforskel (ITD). En mangeårig konsensus blandt biomedicinske ingeniører er, at mennesker lokaliserer lyde med et skema, der ligner et rumligt kort eller kompas, med neuroner justeret fra venstre til højre, der brænder individuelt, når de aktiveres af en lyd, der kommer fra en given vinkel - sig f.eks. 30 grader mod venstre fra midten af ​​hovedet.

Men i forskning offentliggjort i denne måned i tidsskriftet eLife , Antje Ihlefeld, direktør for NJIT's Neural Engineering for Speech and Hearing Laboratory, foreslår en anden model baseret på en mere dynamisk neuralkode. Opdagelsen giver nyt håb, hun siger, at ingeniører en dag kan udtænke høreapparater, nu notorisk dårlig til at genskabe lydretning, at rette op på dette underskud.

"Hvis der er et statisk kort i hjernen, der nedbrydes og ikke kan rettes, der udgør en skræmmende forhindring. Det betyder, at folk sandsynligvis ikke kan "genlære" at lokalisere lyde godt. Men hvis denne perceptuelle evne er baseret på en dynamisk neuralkode, det giver os mere håb om at omskole folks hjerner, "Ihlefeld noter." Vi ville programmere høreapparater og cochleaimplantater ikke kun for at kompensere for en persons høretab, men også baseret på, hvor godt den person kunne tilpasse sig brug af signaler fra deres enheder. Dette er især vigtigt i situationer med baggrundslyd, hvor intet høreapparat i øjeblikket kan gendanne muligheden for at skille mållyden ud. Vi ved, at det virkelig ville hjælpe at give tegn til at gendanne lydretning. "

Hvad der førte hende til denne konklusion er en rejse med videnskabeligt detektivarbejde, der begyndte med en samtale med Robert Shapley, en fremtrædende neurofysiolog ved NYU, der bemærkede en særegenhed ved menneskelig kikkertdybdeopfattelse - evnen til at bestemme, hvor langt væk et visuelt objekt er - det afhænger også af en beregning, der sammenligner input modtaget af begge øjne. Shapley bemærkede, at disse afstandsestimater systematisk er mindre præcise for lavkontraststimuli (billeder, der er sværere at skelne fra deres omgivelser) end for højkontrast.

Ihlefeld og Shapley spekulerede på, om det samme neurale princip gjaldt for lokalisering af lyd:om det er mindre præcist for blødere lyde end for højere. Men dette ville afvige fra den fremherskende rumlige kortteori, kendt som Jeffress -modellen, der fastholder, at lyde af alle bind behandles - og derfor opfattes - på samme måde. Fysiologer, der foreslår, at pattedyr er afhængige af en mere dynamisk neural model, har længe været uenig i det. De mener, at neuroner fra pattedyr har en tendens til at fyre i forskellige hastigheder afhængigt af retningsignaler, og at hjernen derefter sammenligner disse hastigheder på tværs af neuroner for dynamisk at opbygge et kort over lydmiljøet.

"Udfordringen med at bevise eller modbevise disse teorier er, at vi ikke kan se direkte på den neurale kode for disse opfattelser, fordi de relevante neuroner er placeret i den menneskelige hjernestamme, så vi kan ikke få billeder i høj opløsning af dem, "siger hun." Men vi havde en anelse om, at de to modeller ville give forskellige forudsigelser om lydplacering ved et meget lavt volumen. "

De søgte i litteraturen efter beviser og fandt kun to papirer, der var optaget fra neuralt væv ved disse lave lyde. Den ene undersøgelse var hos ulveugler - en art, der menes at stole på Jeffress -modellen, baseret på optagelser i høj opløsning i fuglenes hjernevæv-og den anden undersøgelse var hos et pattedyr, rhesus makak, et dyr, der menes at bruge dynamisk hastighedskodning. De rekonstruerede derefter omhyggeligt skydeegenskaberne for neuronerne registreret i disse gamle undersøgelser og brugte deres rekonstruktioner til at estimere lydretning både som en funktion af ITD og volumen.

"Vi forventede, at for ladugle -data, det burde virkelig ikke være ligegyldigt hvor høj en kilde er - den forudsagte lydretning skulle være virkelig præcis uanset lydstyrken - og det kunne vi bekræfte. Imidlertid, hvad vi fandt for abedata er, at forudsagt lydretning afhængede af både ITD og volumen, "sagde hun." Vi søgte derefter i den menneskelige litteratur efter undersøgelser af opfattet lydretning som en funktion af ITD, som man også mente ikke var afhængig af volumen, men fandt overraskende ingen beviser for at bakke op om denne langvarige tro. "

Hun og hendes kandidatstuderende, Nima Alamatsaz, derefter hvervede frivillige på NJIT campus for at teste deres hypotese, ved hjælp af lyde til at teste, hvordan volumen påvirker, hvor folk tror, ​​at en lyd dukker op.

"Vi byggede en ekstremt stille, lydafskærmet værelse med specialiseret kalibreret udstyr, der gjorde det muligt for os at præsentere lyde med høj præcision til vores frivillige og registrere, hvor de opfattede lyden stammer fra. Og helt sikkert, folk fejlidentificerede de blødere lyde, "bemærker Alamatsaz.

"Til dato, vi er ikke i stand til at beskrive lydlokaliseringsberegninger i hjernen præcist, "tilføjer Ihlefeld." Dog, de nuværende resultater er uforenelige med forestillingen om, at den menneskelige hjerne er afhængig af en Jeffress-lignende beregning. I stedet, vi lader til at stole på en lidt mindre præcis mekanisme.

Mere generelt, siger forskerne, deres undersøgelser peger på direkte paralleller i hørelse og visuel opfattelse, der er blevet overset før nu, og som tyder på, at hastighedsbaseret kodning er en grundlæggende underliggende operation, når man beregner rumlige dimensioner fra to sensoriske input.

"Fordi vores arbejde opdager samlende principper på tværs af de to sanser, vi forventer, at interesserede publikummer vil omfatte kognitive forskere, fysiologer og eksperter i beregningsmodellering i både hørelse og syn, "Ihlefeld siger." Det er fascinerende at sammenligne, hvordan hjernen bruger informationen, der når vores øjne og ører til at forstå verden omkring os og opdage, at to tilsyneladende uafhængige opfattelser - syn og hørelse - faktisk kan være ret ens. . "