Localização sonora: como o cérebro reconhece as fontes sonoras

O mundo ao nosso redor está cheio de todos os tipos de informações que nosso cérebro processa continuamente. Ele recebe essas informações através dos sentidos, cada um dos quais é responsável por sua parcela de sinais: olhos (visão), língua (paladar), nariz (olfato), pele (toque), aparelho vestibular (equilíbrio, posição espacial e sensação de peso) e ouvidos (som). Ao reunir sinais de todos esses órgãos, nosso cérebro pode construir uma imagem precisa do ambiente. Mas nem todos os aspectos do processamento de sinal externo são conhecidos por nós. Um desses segredos é o mecanismo de localização da fonte de som.

Cientistas do Laboratório de Neuroengenharia de Fala e Audição (Instituto de Tecnologia de Nova Jersey) propuseram um novo modelo do processo neural de localização sonora. O que exatamente processos ocorrem no cérebro durante a percepção do som, como nosso cérebro entende a posição da fonte sonora e como este estudo pode ajudar no combate a defeitos auditivos. Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

A informação que nosso cérebro recebe dos sentidos difere um do outro em termos de fonte e de processamento. Alguns sinais aparecem imediatamente na frente do nosso cérebro na forma de informações precisas, enquanto outros precisam de processos computacionais adicionais. Grosso modo, sentimos o toque imediatamente, mas quando ouvimos o som, ainda precisamos descobrir de onde vem.

A base para localizar sons no plano horizontal é a diferença de tempo interaural * (ITD da diferença de tempo interaural ) dos sons que chegam aos ouvidos do ouvinte.

Base interaural * - a distância entre as orelhas.

Há uma certa área no cérebro (azeitona superior medial ou MBO) que é responsável por esse processo. No momento de receber o sinal sonoro no MBO, as diferenças interaurais no tempo são convertidas na taxa de reação dos neurônios. O formato das curvas de velocidade de saída do MBO como uma função ITD se assemelha ao formato da função de correlação cruzada dos sinais de entrada para cada ouvido.

A maneira como as informações são processadas e interpretadas no MBO permanece não totalmente clara, e é por isso que existem várias teorias muito conflitantes. A teoria mais famosa e de fato clássica da localização sonora é o modelo de Jeffress ( Lloyd A. Jeffress ). Ele se baseia em uma linha marcada * de detectores de neurônios sensíveis ao sincronismo binaural dos sinais de entrada neural de cada ouvido, e cada neurônio é mais sensível a um valor ITD específico ( 1A ).

O princípio da linha marcada * é uma hipótese que explica como diferentes nervos, que usam os mesmos princípios fisiológicos para transmitir impulsos ao longo de seus axônios, são capazes de gerar sensações diferentes. Os nervos estruturalmente semelhantes podem gerar percepções sensoriais diferentes se estiverem associados a neurônios únicos no sistema nervoso central que são capazes de decodificar sinais nervosos semelhantes de várias maneiras.

Imagem Nº 1

Este modelo é computacionalmente semelhante à codificação neural baseada em correlações cruzadas ilimitadas de sons que atingem os dois ouvidos.

Existe também um modelo no qual se assume que a localização do som pode ser modelada com base nas diferenças na taxa de reação de certas populações de neurônios de diferentes hemisférios do cérebro, isto é, modelo de assimetria inter-hemisférica ( 1B ).

Até agora, era difícil afirmar inequivocamente qual das duas teorias (modelos) está correta, uma vez que cada uma delas prediz diferentes dependências da localização sonora e da intensidade sonora.

No estudo que estamos considerando hoje, os cientistas decidiram combinar os dois modelos para entender se a percepção dos sons é baseada na codificação neural ou na diferença na resposta das populações neurais individuais. Foram realizadas várias experiências nas quais participaram pessoas de 18 a 27 anos (5 mulheres e 7 homens). A audiometria (medida da acuidade auditiva) dos participantes foi de 25 dB ou superior, na frequência de 250 a 8000 Hz. O participante do experimento foi colocado em uma sala à prova de som na qual equipamento especial foi calibrado com alta precisão. Os participantes devem, depois de ouvir um sinal sonoro, indicar a direção de onde vem.

Resultados da pesquisa

Para avaliar a dependência da lateralização * da atividade cerebral em relação à intensidade do som em resposta a neurônios marcados, usamos dados sobre a taxa de reação dos neurônios no núcleo laminar do cérebro da coruja.

Lateralidade * - assimetria das metades esquerda e direita do corpo.

Para avaliar a dependência da lateralização da atividade cerebral na taxa de reação de certas populações de neurônios, usamos os dados de atividade do cérebro inferior dois do macaco rhesus, após o qual foram calculadas adicionalmente as diferenças na velocidade dos neurônios de diferentes hemisférios.

O modelo da linha marcada de detectores de neurônios sugere que, com uma diminuição na intensidade do som, a lateralidade da fonte percebida irá convergir em valores médios semelhantes à proporção de sons baixos e altos ( 1C ).

O modelo de assimetria inter-hemisférica, por sua vez, sugere que, com uma diminuição na intensidade do som para quase o limiar, a lateralidade percebida mudará para a linha média ( 1D ).

Em uma intensidade sonora geral mais alta, supõe-se que a lateralização seja invariante em intensidade (inserções em 1C e 1D ).

Portanto, uma análise de como a intensidade do som afeta a direção percebida do som permite determinar com precisão a natureza dos processos que ocorrem naquele momento - neurônios de uma área comum ou neurônios de diferentes hemisférios.

Obviamente, a capacidade de uma pessoa para distinguir entre ITDs pode variar com a intensidade do som. No entanto, os cientistas dizem que é difícil interpretar descobertas anteriores relacionadas à sensibilidade ao ITD e à avaliação do ouvinte sobre a direção da fonte sonora em função da intensidade do som. Alguns estudos dizem que quando a intensidade do som atinge o limite, a lateralidade percebida da fonte diminui. Outros estudos sugerem que não há efeito da intensidade sobre a percepção.

Em outras palavras, os cientistas sugerem “gentilmente” que não há informações suficientes na literatura sobre o relacionamento do ITD, a intensidade do som e a determinação da direção de sua fonte. Existem teorias que existem como uma espécie de axiomas geralmente aceitos pela comunidade científica. Portanto, decidiu-se testar em detalhes todas as teorias, modelos e possíveis mecanismos de percepção auditiva na prática.

O primeiro experimento foi conduzido usando o paradigma psicofísico, que nos permitiu estudar a lateralização baseada em ITD em função da intensidade do som em um grupo de dez participantes ouvintes do experimento.


Imagem No. 2

As fontes de som foram sintonizadas especialmente para cobrir a maior parte da faixa de frequência na qual as pessoas são capazes de reconhecer ITD, ou seja, 300 a 1200 Hz ( 2A ).

Em cada um dos testes, o ouvinte teve que indicar a lateralidade esperada, medida em função do nível de sensações, na faixa de valores de ITD de 375 a 375 ms. Para determinar o efeito da intensidade sonora, foi utilizado o modelo de efeito misto não linear (NMLE), que incluía intensidade sonora fixa e aleatória.

O gráfico 2B mostra a lateralização estimada com ruído espectralmente plano em duas intensidades sonoras para um ouvinte representativo. Um gráfico 2C mostra os dados brutos (círculos) e adaptados ao modelo NMLE (linhas) de todos os ouvintes.


Quadro número 1

A tabela acima mostra todos os parâmetros NLME. Pode-se observar que a lateralidade percebida aumentou com o aumento do ITD, como os cientistas esperavam. Com uma diminuição na intensidade do som, a percepção mudou cada vez mais para a linha média (insira no gráfico 2C ).

Essas tendências foram reforçadas pelo modelo NLME, que mostrou uma influência significativa do ITD e da intensidade sonora no grau máximo de lateralidade, confirmando o modelo de diferenças inter-hemisféricas.

Além disso, os limiares audiométricos médios dos tons puros tiveram um efeito insignificante na lateralidade percebida. Mas a intensidade do som não afetou significativamente o desempenho das funções psicométricas.

O principal objetivo do segundo experimento foi determinar como os resultados obtidos no experimento anterior mudam quando as características espectrais dos estímulos (sons) são levadas em consideração. A necessidade de testar ruído espectralmente plano em baixa intensidade sonora é que partes do espectro podem não ser ouvidas e isso pode afetar a determinação da direção do som. Portanto, o fato de a largura da parte audível do espectro poder diminuir com a diminuição da intensidade do som pode ser confundido com os resultados do primeiro experimento.

Portanto, foi decidido realizar outro experimento, mas já usando ruído de volta A * ponderado .

A ponderação A * é aplicada aos níveis de som para levar em consideração o volume relativo percebido pelo ouvido humano, uma vez que o ouvido é menos sensível a baixas frequências sonoras. A ponderação A é implementada por aritmética, adicionando uma tabela de valores listados em bandas de oitava aos níveis de pressão sonora medidos em dB.

O gráfico 2D mostra os dados brutos (círculos) e os dados (linhas) adaptados ao modelo NMLE para todos os participantes do experimento.

Uma análise dos dados mostrou que, quando todas as partes do som são aproximadamente igualmente audíveis (no primeiro e no segundo experimentos), a lateralidade e a inclinação percebidas no gráfico explicando a mudança na lateralidade com ITD diminuem com a intensidade do som diminuindo.

Assim, os resultados do segundo experimento confirmaram os resultados do primeiro. Ou seja, na prática, foi demonstrado que o modelo proposto em 1948 por Jeffress não está correto.

Acontece que a localização dos sons piora com a diminuição da intensidade do som, e Jeffress acreditava que os sons são percebidos e processados ​​por uma pessoa igualmente, independentemente de sua intensidade.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas .

Epílogo

Pressupostos teóricos e experimentos práticos que os confirmaram mostraram que os neurônios do cérebro de mamíferos são ativados em velocidades diferentes, dependendo da direção do sinal sonoro. Depois disso, o cérebro compara essas velocidades entre todos os neurônios envolvidos no processo para mapear dinamicamente o ambiente sonoro.

Na verdade, o modelo Jeffresson não é 100% errado, uma vez que pode ser usado para descrever perfeitamente a localização de uma fonte sonora em uma coruja de celeiro. Sim, para as corujas, a intensidade do som não importa, elas determinarão, de qualquer forma, a posição de sua fonte. No entanto, este modelo não funciona com macacos rhesus, como mostrado em experimentos anteriores. Portanto, este modelo de Jeffresson não pode descrever a localização de sons para todos os seres vivos.

Experimentos com pessoas mais uma vez confirmaram que a localização de sons ocorre em diferentes organismos de maneiras diferentes. Muitos dos participantes não conseguiram determinar corretamente a posição da fonte de sinais sonoros devido à baixa intensidade dos sons.

Os cientistas acreditam que seu trabalho mostra uma certa semelhança entre a maneira como vemos e como ouvimos. Ambos os processos estão associados à velocidade dos neurônios em diferentes partes do cérebro, bem como à avaliação dessa diferença para determinar a posição dos objetos que vemos no espaço e a posição da fonte do som que ouvimos.

No futuro, os pesquisadores farão uma série de experimentos para examinar mais de perto a relação entre audição e visão humana, o que nos ajudará a entender melhor como nosso cérebro constrói dinamicamente um mapa do mundo ao nosso redor.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal! :)

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