Каждому доводилось попадать в такую ситуацию: вы встретили знакомого на вернисаже, на вечеринке или в шумном баре, и хотите с ним поболтать. В помещении играет музыка, звучат громкие и оживленные разговоры, звенят бокалы, где-то разбивается бутылка. Но, несмотря на окружающий шум, вы спокойно общаетесь с другом. Эта способность к коммуникации, которую мы считаем само собой разумеющейся, на самом деле является потрясающим достижением нашего мозга/чувства слуха, потому что он способен отфильтровывать важнейшую акустическую информацию от всех неразборчивых шумов и голосов.
Для ученых описанный «эффект вечеринки», под которым подразумевается способность слуха, несмотря на царящий вокруг шум, сконцентрироваться на определенном акустическом сигнале, до сих пор остается явлением, которое невозможно однозначно объяснить. «Эффект вечеринки» — явление бинауральное, проявляется лишь в том случае, когда человек одинаково хорошо слышит обоими ушами. Люди, которые слышат только одним ухом, или носят СА, гораздо сильнее подвержены воздействию шума, чем люди с нормальным слухом. Это приводит к возникновению проблем в коммуникации. Именно на фоне этого и можно в полной мере оценить, насколько превосходно наш слух может распознавать знакомые голоса и звуки среди общего шума вечеринки. Эта удивительная способность человеческого слуха долго оставалась загадкой, особенно для неврологов. Ученые предполагали, что избирательный слух основывается на предварительном знании или наличии своеобразного архива в мозгу. Но как действует эта связь между воспоминаниями и текущим восприятием, они объяснить не могли.
Наш мозг может творить подлинные чудеса, например, отфильтровывать в баре важную информацию из массы расплывчатых голосов и звуков
Звуковой архив человеческого мозга
Как мозгу удается расслышать знакомые звуки, например, голоса друзей, среди многочисленных звуков вечеринки? Ответить на этот вопрос решили профессор Христиан Лейболд и доктор Гонзало Отацу, сотрудники Мюнхенского университета имени Людвига Максимилиана (ФРГ). «Уже давно существует гипотеза о том, что мы в течение всей жизни собираем своеобразную «звуковую библиотеку» в слуховом центре мозга», — говорит Лейболд. Как эксперт в области вычислительной неврологии (междисциплинарного научного направления, которое исследует способность мозга к информационной обработке сложных сенсорных ощущений), вместе с возглавляемым им коллективом он создал модель, которая позволила лучше понять, как мозг различает звуки и другие раздражители. «До сих пор мы полагали, что наш внутренний «архивариус» сравнивает поступающие звуки с данными, имеющимися в библиотеке. Но все полученные нами сведения, хотя и не противоречили этой гипотезе, не могли убедительно объяснить, по какому принципу происходит распознавание», — рассказывает Лейболд. В качестве места нахождения этого архивариуса называется таламус в промежуточном мозге.
Модель по принципу библиотеки
В модели Лейболда и Отацу архивариус тоже сравнивает входные акустические сигналы с источниками звука, хранящимися в библиотеке. Но, в отличие от прежних подходов, новая модель очень быстро находит соответствие с образцом правильного источника, используя огромное число нервных связей, которые ведут из коры головного мозга назад, в таламус. Так, во время испытаний ученым удалось одновременно выделить звук скрипки и стрекот саранчи из 400 звуков. Преимущество модели, основанной на принципе библиотеки, в первую очередь состоит в том, что она работает в реальном времени. Потому что в любой ситуации услышанное нужно немедленно идентифицировать и истолковать. Именно от этого зависят колоссальные когнитивные способности нашего мозга, в том числе и способность без задержки анализировать все поступающие сигналы.
«В ходе научных экспериментов давно обнаружено, что головной мозг посылает огромный объем информации в таламус. Именно этот поток и лег в основу нашей модели», — говорит Лейболд. Абстрактные математические модели, пытающиеся описать нейробиологические процессы, выгодно отличаются тем, что они могут проанализировать все сопутствующие факторы. Полученные результаты ученые хотят внедрить в другие модели, уже не теоретические, а практические, и испытать их в ходе психоакустических экспериментов.
Исследования начались в Англии
«Эффектом вечеринки» ученые занимаются с 1953 года. Психолог Эдвард Колин Черри (1914-1979) из Лондонского Имперского колледжа провел первые опыты, изучавшие слух в экстремальных акустических условиях. При этом он предъявлял участникам экспериментов разные акустические сигналы в каждое ухо, требуя сосредоточиться на одном. Черри обнаружил, что испытуемые могли сохранять в памяти лишь небольшую информацию об игнорируемом сигнале; точнее говоря, они замечали его физические свойства, но не осознавали его значение. На основании этого Черри пришел к выводу, что игнорируемая акустическая информация в мозгу почти не обрабатывается. Мы пользуемся физической разницей между сигналами, чтобы выбрать, какой из них хотели бы отслеживать. Британский исследователь также высказал предположение о том, что решающую роль играет направление, с которого приходит сигнал, так как благодаря этому мозг может различать звуки, доносящиеся с разного расстояния.
Однако пространственный слух сам по себе не объясняет «нейронные фокусы», с помощью которых мозг различает акустические сигналы. Альберт Бергеман, канадский психолог и профессор Монреальского университета, уже 40 лет проводит исследования человеческого восприятия слуха и психофизики. Он приобрел известность в 1990 году, введя в обиход понятие «анализ акустической обстановки». Этот слуховой анализ, по аналогии с визуальным, подразумевает, что человек может воспринимать поодиночке и позднее однозначно идентифицировать не только изображения, которые видит, но и слуховые объекты. Говоря иными словами, руководствуясь физическими свойствами или частотным спектром, человек может распознавать отдельные звуки, как, например, гудок автомобиля или стук двери, выделяя их из окружающей среды.
Рояль и торт в слуховой коре
Немецкий нейрофизиолог Хольгер Шульце, профессор отоларингологической клиники Нюрнбергского университета, три года назад открыл важный механизм, который помогает объяснить, за счет чего мы можем сосредоточиться на отдельных голосах в акустическом хаосе вечеринки. Шульце проводил опыты с монгольскими песчанками, которые играют важную роль в исследованиях слуха, так как их слуховая система напоминает человеческую. При этом он составлял топографические карты слуховой коры животных, чтобы наглядно продемонстрировать реакцию нервных клеток. Эти карты, названные им «тонотопическими», отображают реакцию клеток на частоту звукового сигнала. «Полученная картина напоминает рояльные клавиши: участки мозга, реагирующие на разные частотные диапазоны, располагаются рядом друг с другом в виде полосок. Следовательно, частоты, которые находятся на большем расстоянии друг от друга, различаются сильнее», – утверждает Шульце.
Наряду с этим исследователи обнаружили циклические карты, которые отображают возрастание и спад тонального сигнала, или его периодичность. В отличие от «тонотопических» карт, циклические карты расположены не линейно, в виде рояльных клавиш, а по кругу, как куски нарезанного торта. «Уже тогда мы заподозрили, что эти циклические карты являются ключом к разгадке «эффекта вечеринки». Потому что индивидуальные голоса имеют разные основные частоты и периодичности, в связи с чем отдельные «куски торта» циклической карты могут представлять индивидуального собеседника в слуховой коре. И чем больше человек с разной высотой голоса говорят одновременно, тем больше «кусков торта» возбуждается». О том, чтобы при этом не возник акустический хаос, заботятся замедляющие трансмиттеры. «Благодаря им возбуждается «кусок торта» именно того собеседника, с которым вы хотите пообщаться на вечеринке», — объясняет Шульце.
Эксперименты с песчанками дают основание предположить, что в процессе должен участвовать эффективный замедляющий механизм. По мнению ученых, этот механизм существует и у нас в мозгу; именно он заботится о том, чтобы при различении речевых сигналов в нашем распоряжении оставалась лишь значимая информация. Ученые так стремятся полностью понять «эффект вечеринки» еще и потому, что малейшее повреждение слуха приводит к невозможности участвовать в разговоре на фоне шума. До сих пор эти повреждения слуха удается скомпенсировать лишь частично, с помощью СА или КИ.
Маскировка звуков
Почти одновременно с нюрнбергскими экспериментами д-р Александр Гутшалк из неврологической клиники Гейдельбергского университета провел ряд опытов по изучению обработки информации, содержащейся в акустических сигналах. При этом Гутшалк и его американские коллеги из университета Миннесоты особенно интересовались «информационной маскировкой звуков», которая должна была раскрыть механизм «эффекта вечеринки». «Даже если вся акустическая информация, получаемая нашими ушами, передается в мозг, это еще не означает, что мы действительно воспринимаем абсолютно все», — считает ученый-невролог. Потому что отдельные акустические раздражители необходимо отфильтровать от гула голосов, отделить от фонового шума и, наконец, сознательно воспринять.
Чтобы изучить нейронный механизм информационной маскировки, Гутшалк создал в лаборатории такой же сложный шумовой фон, как и на вечеринке: нормально слышащим людям предъявлялся хаос случайно генерируемых звуков. В некоторых записях был замаскирован регулярно повторяющийся целевой тон, который имитировал разговор на вечеринке. Испытуемый должен был его распознать. Одновременно с этим у участников эксперимента с помощью высокочувствительного магнитоэнцефалографа регистрировалась активность мозговых токов (возникающие при этом магнитные поля). Полученные результаты показали возбуждение слуховой коры уже через 20-30 миллисекунд независимо от того, слышал ли человек целевой тон или нет. «Будет ли наш мозг сознательно воспринимать звук, решается уже после того, как он зарегистрирован в коре головного мозга. Находясь на вечеринке, мы, возможно, слышим гораздо меньше слов, чем в действительности. Потому что осознанный слух начинается лишь тогда, когда звук или слово уже зарегистрированы слуховой корой. Лишь после этого наш мозг решает, какие слова мы будем сознательно воспринимать», — к такому заключению пришел Готшалк.
Эффективный принцип повторения
Изучением «эффекта вечеринки» занимаются и в Нью-йоркском университете в Манхэттене. «Нам, ученым, уже давно известно, что «эффект вечеринки» основывается на предварительном знании определенных звуков. Неясным оставалось лишь то, какую роль это может сыграть в решении проблемы», — говорит американский невролог д-р Джош Макдермотт. Он попытался ответить на вопрос, как люди обходятся с совершенно неизвестными им звуками, и до предела обострил в своих экспериментах акустическую ситуацию. Он генерировал на компьютере новые искусственные звуки и смешивал их. «Мы предъявляли испытуемым смесь из двух таких звуков. После этого мы предъявляли им отдельный звук и спрашивали, присутствовал ли он в смешанной версии». При этом смесь и отдельный звук следовали друг за другом через очень короткие промежутки времени. Однако задача явно оказалась слишком сложной для участников опыта, потому что они просто отвечали наугад.
После этого Макдермотт упростил эксперимент и многократно повторял один и тот же отдельный звук в разных композициях. На этот раз все слушатели смогли его расслышать/различить. Таким образом, опыт доказал, что «эффект вечеринки» действует и для совершенно незнакомых звуков, если повторять их достаточно часто. Принцип повторения активно используется в мире животных: призывные крики отдельных животных складываются из короткой последовательности звуков, которая повторяется несколько раз.
Даже животные знаю о том, что фоновый шум может существенно затруднить коммуникацию. Для того, чтобы с этим справиться, птица-носорог просто громче свистит, в то время как животные используют повторения, чтобы расслышать нужное
Вечеринка для роботов
Все эти научные открытия свидетельствуют о том, что наш мозг крайне точно распознает акустические сигналы. Ученым до сих пор не удалось создать техническую систему (например, робота), которая могла бы сравниться с человеческим слухом. Сегодня европейские исследователи из Германии, Франции, Швейцарии и Чехии совместно работают над тем, чтобы снабдить это техническое устройство способностью избирательного слуха. Этот проект носит название «Гуманоиды со слуховыми и зрительными способностями в обитаемом пространстве», по-английски сокращенно Humavips. Руководитель – д-р Раду Ород из французского Национального НИИ информатики и автоматики. В ходе проекта Humavips ученые пытаются сделать слух робота как можно более приближенным к человеческому, чтобы он смог на вечеринке или на каком-нибудь общественном мероприятии отфильтровывать важную информацию и подавлять мешающие шумы для лучшей коммуникации.
Сможем ли мы когда-нибудь общаться с роботами? Проект Humavips пытается сделать невозможное возможным с помощью говорящего робота NAO
Конечная цель проекта Humavips звучит как научная фантастика: робот должен уметь устно общаться с людьми. Однако сам Ород предпочитает не поднимать планку так высоко. «Если мы создадим робота, который сможет различать, сколько человек беседуют друг с другом, и отличать их голоса от других источников звука, это уже будет выдающийся результат». По словам Орода, в прошлом проблему «эффекта вечеринки» пробовали решить исключительно с помощью слухового анализа. В отличие от этого проект Humavips пытается реализовать «эффект вечеринки» с помощью двух связанных друг с другом сенсорных чувств — слуха и зрения. Результаты исследований будут испытаны с помощью «говорящего» робота NAO, специально для этого разработанного французской фирмой Aldebaran Robotics. В проекте Humavips, рассчитанном на три года, под руководством специалистов французского Национального НИИ информатики и автоматики участвуют также ученые из университета Билефельда (ФРГ), Пражского технического университета, Швейцарского исследовательского института IDIAP, и французская фирма Aldebaran.
Герман Нильсон
Журнал "Hörakustik" №1, 2012 год
