Wie das Gehirn Anwahl die Lautstärke zu hören, jemand in einer Menschenmenge

Unsere Gehirne haben eine Bemerkenswerte Fähigkeit, herausgreifen eine Stimme unter vielen. Nun, ein team von der Columbia University neuroengineers entdeckt hat, die Schritte, die stattfinden, in das Gehirn zu machen dieses Kunststück möglich. Die heutige Entdeckung hilft zu beheben und langjährige wissenschaftliche Frage, wie sich der auditorische cortex, des Gehirns listening center, zu decodieren und zu verstärken, eine Stimme, die über andere—in blitzschnellen Geschwindigkeiten. Dieses neue wissen steht auch zum vorantreiben der Entwicklung von Hörgeräte-Technologien und Gehirn-computer-Schnittstellen, die stärker ähneln das Gehirn.

Diese Ergebnisse wurden berichtet heute in Neuron.

„Unsere Fähigkeit zu konzentrieren, auf die person neben uns auf einer cocktail-party während der Verzicht auf die umgebende Lärm ist außergewöhnlich, aber wir verstanden so wenig über wie das alles funktioniert“, sagte Nima Mesgarani, Ph. D., Papier senior-Autor und principal investigator an der Columbia ‚ s Mortimer B. Zuckerman Mind-Gehirn-Verhalten-Instituts. „Die heutige Studie bringt die dringend benötigte Verständnis, was sich als entscheidend für Wissenschaftler und Innovatoren arbeiten zur Verbesserung der Sprach-und Hörstörungen Technologien.“

Der auditorische Kortex ist das Gehirn hört hub. Das Innenohr sendet diese Hirnregion elektrische Signale, die darstellen, ein Durcheinander von Schallwellen von der Außenwelt. Der auditorische Kortex müssen dann wählen, sinnvolle Töne aus, die Durcheinander.

„Das Studium, wie das auditorische cortex Arten aus verschiedenen sounds, ist wie der Versuch, herauszufinden, was auf einen großen See, in dem jedes Boot, Schwimmer und Fische in Bewegung ist, und wie schnell—nur dass die Muster der Wellen im Wasser, als ein Führer,“ sagte Dr. Mesgarani, der auch ein associate professor für Elektrotechnik an der Columbia Engineering.

Die Zeitung von heute baut auf das team 2012 Studie zeigen, dass das menschliche Gehirn ist eine selektive, über die Töne, die es hört. Die Studie ergab, dass, wenn eine person hört jemanden reden, Ihre Gehirnwellen zu ändern, wählen features, die von der Stimme des Sprechers und Stimmen andere Stimmen. Die Forscher wollten verstehen, wie das passiert innerhalb der Anatomie des auditorischen cortex.

„Wir haben lange bekannt, dass Bereiche des auditorischen cortex sind hierarchisch angeordnet, mit immer komplexer werdenden Decodierung Auftritt auf jeder Stufe, aber haben wir nicht beobachtet, wie die Stimme eines bestimmten Sprechers verarbeitet wird, entlang diesem Weg,“ sagte James O ‚ Sullivan, Ph. D., die Studie der erste Autor, der den Abschluss dieser Arbeit während eines Postdoc-Forscher in der Mesgarani lab. „Um dies zu verstehen, haben wir nötig, zur Aufzeichnung der neuronalen Aktivität des Gehirns direkt.“

Die Forscher waren besonders daran interessiert, in beiden teilen des auditorischen Kortex ’s Hierarchie: Heschl‘ s gyrus (HG) und des superior temporalen gyrus (STG). Informationen aus dem Ohr erreicht, HG erste, durchqueren Sie es und Ankunft am STG später.

Zu verstehen, dass diese Hirnregionen, die Forscher zusammen mit Neurochirurgen Ashesh Mehta, MD, Ph. D., Guy McKhann, MD, und Sameer Sheth, MD, Ph. D., Neurologe Catherine Schevon, MD, Ph. D., sowie anderen co-Autoren Jose Herrero, Ph. D. und Elliot Smith, Ph. D. Basierend an der Columbia University, Irving Medical Center und Northwell Gesundheit, diese ärzte behandeln, Epilepsie-Patienten, von denen einige regelmäßige Gehirn-Operationen. Für diese Studie, die Patienten sich freiwillig gemeldet, um zu hören, um Aufnahmen von Menschen zu sprechen, während die dres. Mesgarani und O ‚ Sullivan beobachtet Ihre Gehirnströme über Elektroden implantiert, die Patienten der HG oder die STG-Regionen.

Die Elektroden erlaubte dem team zu identifizieren, die eine klare Unterscheidung zwischen den beiden Hirnarealen‘ Rollen in der Interpretation klingt. Die Daten zeigten, dass die HG schafft eine reiche und multi-dimensionale Darstellung der Ton-Gemisch, wobei jeder Lautsprecher wird getrennt durch Unterschiede in der Frequenz. Diese region zeigte keine Präferenz für ein Sprach-oder ein anderes. Allerdings werden die Daten gesammelt aus dem STG erzählt eine ganz andere Geschichte.

„Wir fanden, dass es möglich ist, zum verstärken eines Sprechers oder die andere Stimme durch die richtige Gewichtung der output-signal von HG. Basierend auf unseren Aufnahmen, ist es plausibel, dass die STG region führt, die Gewichtung,“ sagte Dr. O ‚ Sullivan.

Zusammen, diese Ergebnisse zeigen eine klare Aufteilung der Aufgaben zwischen diesen beiden Bereichen des auditorischen Kortex: HG repräsentiert, während die STG wählt. Alles geschieht in rund 150 Millisekunden, das scheint augenblicklich zu einem Hörer.

Die Forscher fanden auch eine zusätzliche Rolle für die STG. Nach der Auswahl des STG gebildet, ein auditorisches Objekt, eine Darstellung der sound, der Analog zu unseren mentalen Repräsentationen der Objekte, die wir mit unseren Augen sehen. Dies veranschaulicht, dass selbst wenn eine Stimme, die ist verdeckt von einem anderen Lautsprecher—wie wenn zwei Leute reden über einander—STG können immer noch stellen Sie die gewünschten Lautsprecher als ein einheitliches ganzes, das unabhängig von der Lautstärke der konkurrierenden Stimme.

Die gewonnenen Informationen könnten als Grundlage für algorithmen, die sich replizieren, diesen biologischen Prozess künstlich, wie bei Hörgeräten. Früher in diesem Jahr Dr. Mesgarani und sein team angekündigt, die Entwicklung eines brain-controlled hearing aid, was nutzt ein solcher Algorithmus zur Verstärkung des sounds ein Lautsprecher gegenüber dem anderen.

Die Forscher planen, um zu studieren HG und STG-Aktivität in immer komplexeren Szenarien mit mehreren Lautsprechern oder auch visual cues. Diese Bemühungen werden helfen, zu erstellen Sie ein detailliertes und genaues Bild davon, wie jeder Bereich des auditorischen cortex arbeitet.

„Unser Ziel ist es, besser zu verstehen, wie das Gehirn ermöglicht uns so gut hören, als auch Technologien, die den Menschen helfen—ob es also Schlaganfall überlebenden sprechen können, um Ihre lieben, oder so den hörgeschädigten unterhalten kann leichter in einem überfüllten Partei“, sagte Dr. Mesgarani. „Und die heutige Studie ist ein entscheidender Weg, Punkt entlang des Pfades.“