Влияние диотического и дихотического предъявления на восприятие высоты тона: исследование средних и высоких частот

Введение в исследование восприятия высоты тона

Исследования восприятия высоты тона человеком показали, что разностные пороги для дискриминации основной частоты (F0), известные как F0DL (Difference Limens for Fundamental Frequency), обычно малы для комплексных тонов, содержащих разрешенные гармоники, и начинают увеличиваться (ухудшаться), когда ранг низшей гармоники превышает примерно 6-8. F0DL достигают высокого плато, когда присутствуют только гармоники с очень высокими рангами (выше примерно 14-16).

Роль разрешающей способности компонентов

Одно из объяснений этой закономерности результатов связано с разрешающей способностью компонентов. Частоты компонентов гармонического комплексного тона являются целыми кратными F0 и, следовательно, линейно распределены по частоте. В улитке эти компоненты в некоторой степени разделены, то есть каждая гармоника вызывает максимум вибрации (возбуждения) в определенном месте базилярной мембраны (БМ). Каждое место на БМ ведет себя как нелинейный полосовой фильтр с тонотопическим расположением центральных частот (ЦЧ) фильтров на БМ. Однако полосы пропускания этих фильтров увеличиваются с увеличением центральной частоты, и thus с увеличением гармонического ранга компоненты становятся менее разрешенными на БМ, а картина вибрации на выходе фильтра становится более сложной.

Нейронные механизмы обработки звука

Слуховые нейроны имеют тенденцию срабатывать в определенной фазе waveform, поэтому изменение картины вибрации отражается в изменении временной картины срабатывания волокон слухового нерва, а также в распределении частоты срабатывания по волокнам с разными ЦЧ.

Хотя механизмы, лежащие в основе восприятия высоты тона, остаются предметом дискуссий, общепризнано, что высота тона обычно извлекается центральным механизмом, который комбинирует информацию о месте возбуждения (то есть распределение частоты срабатывания по волокнам слухового нерва, настроенным на разные частоты) и/или временную (фазовую синхронизацию) информацию о частотах разрешенных гармоник.

Методология исследования

Участники исследования

В исследовании приняли участие четырнадцать молодых людей с нормальным слухом и музыкальной подготовкой (9 женщин) в возрасте от 16 до 28 лет (средний возраст 21 год). Никто из них не был профессиональным музыкантом. Среднее количество лет музыкальной подготовки составило 13,9 (от 5 до 21 года), со стандартным отклонением 4,4 года. Большинство из них играли на струнных инструментах или пели в хоре.

Критерии отбора участников

Все слушатели должны были пройти трехэтапный скрининг, чтобы обеспечить слышимость высокочастотных тонов и базовую способность к частотной дискриминации. Требования для прохождения скрининга были следующими:

• Пороги чистого тона в аудиометрии в тишине на октавных частотах от 0,25 до 8 кГц и на 6 кГц должны были быть ≤ 15 дБ уровня слуха (УС)
• Пороги обнаружения 210-мс синусоидальных тонов на 10, 12, 14 и 16 кГц в непрерывном шуме, выравнивающем порог (TEN), должны были быть ≤ 45 дБ УЗД до 14 кГц и ≤ 50 дБ УЗД на 16 кГц
• F0DL для диотически предъявляемых 210-мс комплексных тонов, содержащих гармоники 6-10 с F0 280 или 1400 Гц, и FDL для отдельных компонентов комплексных тонов, представленных изолированно, должны были быть < 6% и < 20% в низкочастотной и высокочастотной областях соответственно

Стимулы и процедура

F0DL измерялись для 210-мс (включая 10-мс нарастание и спад по форме Хэннинга) комплексных тонов, содержащих гармоники 6-10, с F0 1400 или 280 Гц. Для каждого предъявления начальные фазы всех компонентов рандомизировались, а уровни отдельных компонентов варьировались в диапазоне ± 3 дБ (равномерное распределение) относительно среднего уровня компонента.

В условии "диотическое" тоны предъявлялись диотически на фоне непрерывного диотического TEN, простирающегося от 0,02 до 22 кГц. В условии "дихотическое" нечетные гармоники предъявлялись на левое ухо, а четные гармоники - на правое ухо, с независимым TEN на каждом ухе.

Результаты эксперимента

Сравнение диотического и дихотического предъявления

Как и ожидалось, F0DL были выше для F0 1400 Гц, чем для F0 280 Гц. Что более важно, F0DL были ниже для дихотического режима предъявления, чем для диотического режима предъявления для F0 280 Гц, но они были схожи для этих двух режимов предъявления для F0 1400 Гц.

Для оценки значимости результатов использовалась унивариативная общая линейная модель (дисперсионный анализ, ANOVA). Были указаны два фиксированных внутрисубъектных фактора (F0 и режим предъявления) и один случайный фактор (субъект). Зависимой переменной был логарифм F0DL, которые имели приблизительно нормальное распределение.

Статистический анализ данных

Наблюдался высокозначимый основной эффект F0. Ни основной эффект режима предъявления, ни основной эффект субъекта не были значимыми. Важно, что наблюдалось высокозначимое взаимодействие между F0 и режимом предъявления, показывающее, что эффект дихотического предъявления различался между двумя F0.

Для дальнейшей оценки характера значимого взаимодействия между F0 и режимом предъявления был рассчитан t-критерий для зависимых выборок отдельно для каждого F0, чтобы сравнить средние F0DL в диотических и дихотических условиях.

Для F0 280 Гц F0DL были значимо больше для диотического условия, чем для дихотического условия, в то время как для F0 1400 Гц не было значимой разницы между двумя режимами предъявления.

Обсуждение результатов

Низкочастотная область

Для низкочастотной области настоящие результаты подтверждают вывод Бернстайна и Оксенхэма о том, что F0DL уменьшаются при дихотическом предъявлении. Настоящие результаты расширяют этот вывод на комплексные тоны, у которых самая низкая гармоника была всего лишь шестой. Уменьшение F0DL, наблюдаемое здесь, было меньше, чем наблюдаемое ранее для комплексных тонов, где самый низкий гармонический ранг был выше.

Высокочастотная область

Для высокочастотной области F0DL были схожи для диотического и дихотического предъявления. Следовательно, в этом условии, где cue частотного трекинга не принес бы пользы, не наблюдалось дихотического преимущества. Отсутствие дихотического преимущества показывает, что, по крайней мере в этом условии, ни увеличенная разрешающая способность, ни уменьшенный эффективный гармонический ранг в ухе, принимающем четные гармоники, не привели к снижению F0DL.

Объяснение наблюдаемых эффектов

Две категории объяснений

По мнению авторов, существует два класса объяснений обнаружения дихотического преимущества для низкочастотного, но не для высокочастотного условия. Один из них заключается в том, что дихотическое преимущество существует только тогда, когда слушатели используют частотный трекинг, который, как argued выше, уменьшил бы F0DL только для низкочастотной области.

Второй класс объяснений заключается в том, что факторы, влияющие на восприятие высоты тона и дискриминацию F0, качественно различаются между низкочастотной и очень высокочастотной областями. Например, Гокель и др. утверждали, что слабая или отсутствующая фазовая синхронизация с отдельными компонентами высокочастотного комплекса заставляет слушателей полагаться на cues картины возбуждения.

Заключение и выводы

В summary, F0DL измерялись для комплексных тонов, содержащих гармоники 6-10 с F0 280 и 1400 Гц, для диотического и дихотического предъявления. Для низкого F0 F0DL для дихотического условия были значимо ниже, чем для диотического условия, thus расширяя предыдущие findings до еще более низких гармонических рангов.

Напротив, для высокого F0 F0DL были схожи для двух режимов предъявления. Это открытие может быть обусловлено либо тем, что слушатели могут использовать частотный трекинг только в низкочастотной области, и/или различиями в факторах, ограничивающих дискриминацию F0 в шуме в двух областях. Это исследование provides дальнейшую поддержку качественного различия в том, как слушатели обрабатывают информацию при сравнении высот тона комплексных тонов для стимулов с низко- и среднечастотными компонентами и стимулов только с очень высокочастотными компонентами.

Дополнительная информация

Доступность данных

В соответствии с требованиями открытого доступа данные этого исследования доступны онлайн по запросу в MRC Cognition and Brain Sciences Unit.

Благодарности

Это исследование было поддержано Medical Research Council UK. Мы благодарим Брайана Мура за полезные комментарии к этой рукописи.