Особливості
відображення частотної структури сигналів в периферичних відділах слухового
аналізатора в нормі і патології
Розглянуто
відображення частотної структури сигналів на виході моделі периферичного
відділу слуховий системи, що включає в себе механізми локальної зворотного зв'язку
по мікрофонним і суммаціонним потенціалом. При порушенні функціонування
механізмів зворотного зв'язку відображення звуків на виході моделі істотно
спотворюються і перестають відбивати формантную структуру звуків, що погіршує
сприйняття. Для відновлення відображення формантной структури звуків на виході
периферичного відділу слуховий системи з порушеними механізмами зворотного
зв'язку пропонується виконувати їх попередню реконструкцію, що збільшує
контрастність частотної структури сигналів.
Порушення
слухової функції може бути обумовлено не тільки погіршенням чутливості
рецепторів внутрішнього вуха, який веде до збільшення порогів сприйняття тональних
звукових сигналів тієї чи іншої частоти, але і цілим рядом факторів, істотно
що впливають на сприйняття людиною сигналів, особливо зі складною спектральної
структурою.
Функціональне
стан зовнішніх волосових клітин
істотно впливає на характер коливань базилярній мембрани під дією
звукового стимулу, причому не тільки на амплітуду, але і на гостроту частотних
характеристик відповідних її ділянок [6]. Вплив зовнішніх волосових
клітин проявляється також ефектом компресії, при якому слабкі звукові
коливання посилюються відповідними ділянками коливальної системи
внутрішнього вуха значно більше, ніж сильні. Тим самим забезпечується
сприйняття слуховий системою людини розширеного діапазону амплітуд коливань
звукових сигналів. Відповідно порушення функціонування зовнішніх
волосових клітин веде до значних змін у характеристиках коливань
базилярній мембрани, що позначається в першу чергу на погіршенні її
частотно-селективних властивостей, а також на характеристиці, що описує зв'язок
амплітуди коливань ділянок базилярній мембрани з амплітудою що впливають на
неї звукових коливань. Таким чином, коливання базилярній мембрани
внутрішнього вуха виявляються суттєво нелінійними, а їх характеристики --
залежать як від рівня, так і від структури чинного звукового сигналу. За
суті, коливальна система равлики виробляє досить складну обробку
сигналу і формує його відображення, яке за допомогою внутрішніх волосових
клітин перетвориться в потік імпульсація в аферентних волокнах слухового
нерва. Зі сказаного випливає, що такі ефекти, як кохлеарний фільтр,
двохтонові придушення, компресія формуються механізмами внутрішнього вуха,
регулюючими коливання базилярній мембрани, а не процесами в
звуковоспрінімающем відділі слухового аналізатора, як це передбачалося раніше.
Для обговорення
характеру порушень слухової функції, обумовлених тими або іншими відхиленнями
у функціонуванні зовнішніх волосових клітин, необхідно знання механізму їх
взаємодії з гідродинамічної коливальної системою внутрішнього вуха.
Найбільш наочно це може бути зроблено на основі моделі механізмів
переробки сигналів, що діють в периферійній частині слухової системи.
У роботах,
проведених в останні роки, показано, що відображення спектральної структури
сигналів в периферійній частині слухової системи складається під впливом
двох основних комплексів механізмів переробки сигналів, обумовлених
структурами внутрішнього вуха. Основну роль у забезпеченні перетворення
частота-координата грає лінійна гідродинамічна система равлики, властивості
якої були описані ще в роботах G. Bekesy [4]. Частотно-селективні властивості
відображення сигналів на виході периферичної частини слухової системи
формуються значною мірою за рахунок комплексу механізмів
механо-електричної зворотного зв'язку, що діють у внутрішньому вусі. При цьому
було показано, що ці механізми є слабозащіщеннимі від пошкоджуючого
впливу таких факторів, як гіпоксія
,
ототоксичну та наркотичні речовини, гучні звуки, механічні травми
[5]. Передбачається, що саме структури внутрішнього вуха, що обумовлюють
зворотні зв'язки, а такими є зовнішні волосових клітини, забезпечують
високі частотно-селективні властивості слуховий системи, а також її здатність
адаптуватися до різних умов навколишнього середовища. Крім того,
функціонування механізмів зворотного зв'язку залежить від структури чинного
звукового сигналу [3]. Слід також розрізняти глобальні та локальні зворотні
зв'язку у внутрішньому вусі, залежно від мети побудови даної моделі [3].
У даній роботі
розглядається вплив на відображення частотної структури сигналів на виході
моделі периферичної частини слухової системи нелінійної локальної зворотного зв'язку
по мікрофонним і суммаціонним потенціалом, описаною в роботах Л.Н. Бабкіної і
співавт. [1, 2]. Було показано [1], що розглянута модель дозволяє
пояснити принцип формування остроселектівной реакції коливальної системи
внутрішнього вуха на тональний стимул. Були визначені значення постійних
коефіцієнтів, що входять в модель, при яких амплітудно-частотні
характеристики базилярній мембрани виявляються близькими до частотнопороговим
кривими волокон слухового нерва і до відповідних характеристикам
внутрірецепторних потенціалів внутрішніх волосових клітин. Використовуючи
отриману модель, були побудовані її відгуки на сигнали зі складною частотної
структурою [2]. При цьому ступінь порушень у функціонуванні механізмів
внутрішнього вуха, які формують частотноселектівние властивості периферичної частини
слуховий системи, в моделі характеризується значенням коефіцієнта
"К1" (див. роботу [2]). Значення К1 = 0 відповідає повна відсутність
зворотного зв'язку, тобто повне порушення функціонування зовнішніх волосових клітин.
Нормальній станом системи зворотного зв'язку відповідає значення К1 = 0,7.
Проміжні значення К1 моделюють часткове порушення дії механізмів,
обумовлюють локальні зворотні зв'язки у внутрішньому вусі. Наведені на рис.
1-3 відображення звуків показують, що коливальна система внутрішнього вуха
забезпечує автоматичне виділення для передачі по аферентні шляхах в
вищі відділи нервової системи найбільш інформативно значущих ділянок
відображення, а саме розташування формантних частот. Всі інші ділянки
відображення виявляються загальмованими (рис. 1, б
, 2, б
, 3, б
).
Якщо
функціонування зовнішніх волосових клітин порушується, тобто зворотній зв'язок
істотно послаблюється, то відображення зазнає кардинальну зміну.
Легко бачити, що формантная структура звуків вже не виділяється. Зони
гальмування зникають (рис. 1, в
; 3, в
).
Відповідно розрізнення звуків буде погіршений. Особливо різке погіршення
розрізнення звуків буде спостерігатися при наявності перешкод. Наведені вище
результати показують, що погіршення функціонування механізмів зворотного зв'язку
в периферичних відділах слухової системи може призводити до істотного
погіршення відображення частотної структури сигналів на виході периферичного
відділу слуховий системи. При цьому порушується сприйняття формантной структури
звуків мови і відповідно порушується розбірливість її сприйняття. Виділення
в коливальної системі внутрішнього вуха тих компонент сигналу, які є
найбільш інформативними, і одночасне придушення коливань, викликаних
дією менш важливих компонент звуків, призводить до істотного скорочення
загального потоку імпульсація, що надходять за аферентні шляхах до вищих відділи
нервової системи. І навпаки, відсутність такого механізму веде до зростання
потоку імпульсація, що надходять у вищі відділи нервової системи від
неінформативних ділянок відображення. Це може бути причиною появи
сильного шуму у вухах, що характерно для багатьох пацієнтів, які страждають сенсоневральної
приглухуватістю
.
Розгляд
відображень спектральної структури звуків мови в нормі (при дії механізмів
зворотного зв'язку) і при патології (при відсутності цих механізмів) дозволяє
запропонувати метод, який може бути використаний для поліпшення сприйняття
звуків мови пацієнтами з приглухуватістю сенсоневральної. Для поліпшення відображення
частотної структури звуків на виході периферичного відділу слуховий системи
необхідно за допомогою попередньої обробки сигналів збільшити контрастність
їх частотної структури з підкресленням найбільш інформативно значущих
частотних складових їх спектрів. Приклад такої реконструкції сигналу наведено
на рис. 1
і 2
. З рис. 1
видно, що при істотному ослабленні зворотного зв'язку відображення звуку
"а" на виході даної моделі периферичного відділу слуху перестає
відбивати його формантную структуру (рис. 1, в
).
У той же час, якщо в процесі обробки звуку "а" він буде замінений
двома складовими, частоти яких відповідають його формантним частотах, то
відображення реконструйованого звуку буде описувати формантную структуру
вихідного звуку навіть при суттєвому послабленні зворотного зв'язку (рис. 2, в
).
З
вищесказаного випливає, що поточне підвищення контрастності частотної структури
звуків може бути використано для поліпшення сприйняття їх пацієнтами з
сенсоневральної приглухуватістю. Така поточна реконструкція сигналів виявляється
можливою з появою нового покоління сигнальних процесорів, що поєднують в
собі економічність, високу продуктивність, малі габарити і низьку
вартість при масовому виробництві.
Список
літератури
1. Бабкіна
Л.Н., Лопотко О.І., Молчанов А.П. Біофізика. М: РАН 1996; 41: 2: 471-478.
2. Бабкіна
Л.Н., Лопотко О.І., Молчанов А.П. Folia Otorhinolaryngologiae et Pathologia
Respiratoriae. St. Petersburg 1996; 4: 33-40.
3. Babkina L.N., Dombrovsky R.V., Molchanov A.P.
Preprint of the report presented at the 103 rd Convention of AES. New York
1997.
4. Bekesy G. Experiments in hearing. New York,
Toronto, London 1960.
5. Evans E.P. AES Proceedings of the 12 international
conference. Copenhagen, Denmark 1993; 11-21.
6. Moore B.J. Echos. The newsletter of the Acoustical
Society of America 1998; 8: 1-8.
7. Л.Н. БАБКІНА, А.П. МОЛЧАНОВ. Особливості
відображення частотної структури сигналів в периферичних відділах слухового
аналізатора в нормі і патології
Для підготовки
даної роботи були використані матеріали з сайтаhttp:// www.nature.ru/
