Много шума из ничего: как мозг распознает звуки в шумной обстановке

Как лечение от эпилепсии помогло понять закономерности человеческого слуха, что такое эффект коктейльной вечеринки и как мозг различает звук в неспокойной толпе или в шумном вагоне метро, разбирался Indicator.Ru.

Благодаря динамичным изменениям в слуховой коре головного мозга люди способны различать слова и фразы даже в шумном месте. Как именно работают такие механизмы распознавания, выяснила группа американских ученых. С полным текстом исследования можно ознакомиться в журнале Nature Communications.

Первичная слуховая кора содержит тонотопические карты, в каждой из которых высокочастотные звуки возбуждают нейроны с одного конца карты, а низкочастотные звуки — с противоположной стороны. Карты, которых насчитывается шесть штук, анализируют различные свойства звуков: ищут его источник и определяют их частоту. Слуховая зона коры занимает часть верхней височной извилины и извилину Гешля.

Способность узнавать голоса среди шума и сосредотачиваться на одном диалоге в оживленной обстановке известна как «эффект коктейльной вечеринки». Человек фильтрует лишние звуки и получает нужную ему информацию, игнорируя фоновый шум. Некоторые ученые считают, что, когда определенные части слов теряются из-за внешнего шума, область в слуховой коре головного мозга заполняется отсутствующими звуками в режиме реального времени. Другая точка зрения состоит в том, что быстрые изменения в слуховой коре происходят благодаря предыдущему опыту, то есть люди воспринимают фразы, услышанные ранее и которые звучат неразборчиво из-за наличия шума.

Эдвард Чан из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и его коллеги провели эксперимент, чтобы проверить, как именно слуховая кора реагирует на слова, произнесенные в шумной обстановке. Для этого они составили список слов, которые отличаются друг от друга одним звуком, например, «faster» (быстрее) и «factor» (фактор). Исследователи проигрывали запись слов и внедряли шумовые помехи на место «спорного» звука, и группа из пяти добровольцев должна была сообщить, какое слово они услышали. В то время как участники прослушивали запись, ученые фиксировали прямую активность нейронов слуховой коры головного мозга. В результате авторы обнаружили, что в верхней извилине височной доли, где находится слуховая проекционная область коры, реакция нейронов на шум происходит параллельно с отслеживанием оригинальных слов и их восприятием. Иными словами, слуховая кора заполняет звуковые пробелы в настоящем времени.

Кристофер Холдграф вместе с командой исследователей из Калифорнийского университета в Беркли и медицинской школы Университета Джонса Хопкинса провел исследование на похожую тему: он изучал, как быстро меняется чувство языка и как речевые сигналы обрабатываются мозгом. Человеческое восприятие речи является еще одной областью, в которой восходящие и нисходящие механизмы находятся в постоянном взаимодействии. Предполагалось, что предыдущий опыт работы с языком и звуками, существующими в природе, играет определенную роль в формировании коркового ответа на речь.

Ученые воспользовались электрокортикографией — методом функционального исследования коры полушарий головного мозга, в ходе которого ее биопотенциалы регистрируются с помощью электродов, находящихся непосредственно на поверхности коры мозга. В исследовании принимали участие семь пациентов, которым были имплантированы электроды для лечения эпилепсии. Они прослушивали записанные предложения, половина из которых звучала чисто, а в остальные были вставлены шумовые помехи. Когда пациенты впервые услышали предложения с шумом, они не смогли распознать слова и мозг идентифицировал услышанное как шум. Однако, когда участники эксперимента впервые прослушали другие предложения без помех, нейроны слуховой коры головного мозга активизировалась, чтобы улучшить речевой сигнал. Из-за этого звуковые помехи начали обрабатываться мозгом по другому сценарию, и участники смогли понять те фрагменты речи, которые ранее казались непонятными. Это говорит о том, что слуховая кора человеческого мозга способна меняться в ответ на опыт. Исследование также продемонстрировало, как чувственное восприятие помогает улучшать речь.