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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Il presente studio propone un protocollo per studiare l'adattamento a sinistra-destra provino invertito soltanto mediante dispositivi indossabili, utilizzando neuroimaging, che può essere uno strumento efficace per scoprire l'adattabilità degli esseri umani a un ambiente novello nella dominio uditivo.

Abstract

Un insolito spazio sensoriale è uno degli strumenti efficaci per scoprire il meccanismo di adattamento degli esseri umani a un ambiente novello. Anche se la maggior parte degli studi precedenti hanno utilizzato speciali occhiali con prismi per raggiungere spazi insoliti nel dominio visivo, una metodologia per studiare l'adattamento agli spazi insoliti uditivi ha ancora completamente essere stabiliti. Il presente studio propone un nuovo protocollo per set-up, convalidare e utilizzare un sistema stereofonico invertito di sinistra-destra utilizzando solo dispositivi indossabili, e di studiare l'adattamento a sinistra-destra invertita audizione con l'aiuto di neuroimaging. Sebbene caratteristiche acustiche individuali non sono state ancora implementate, e lieve eccesso di suoni unreversed è relativamente incontrollabile, l'apparecchio costruito Mostra ad alte prestazioni in una localizzazione di sorgente sonora 360° accoppiata con problemi di udito caratteristiche con un piccolo ritardo. Inoltre, si presenta come un lettore musicale mobile e consente a un partecipante a concentrarsi sulla vita quotidiana senza destare curiosità o attirare l'attenzione di altri individui. Poiché gli effetti dell'adattamento con successo sono stati rilevati a livello percettivo, comportamentale e neuroplasticità, è concluso questo protocollo fornisce una metodologia promettente per lo studio di adeguamento al provino invertita destra-sinistra che è uno strumento efficace per scoprendo l'adattabilità degli esseri umani ad un romanzo ambienti nel dominio uditivo.

Introduzione

Capacità di adattamento a un ambiente novello è una delle funzioni fondamentali per gli esseri umani a vivere robustamente in qualsiasi situazione. Uno strumento efficace per scoprire il meccanismo di adattabilità ambientale negli esseri umani è un insolito spazio sensoriale che viene artificialmente prodotta da apparati. Nella maggior parte degli studi precedenti si tratta di questo argomento, occhiali speciali con i prismi sono stati utilizzati per ottenere una visione invertita destra-sinistra1,2,3,4,5 o su-giù invertito visione6,7. Inoltre, l'esposizione a tale visione da pochi giorni a più di un mese ha rivelato un adattamento percettivo e comportamentale1,2,3,4,5, 6 , 7 (per esempio, la capacità di guidare una bicicletta2,5,7). Inoltre, le misurazioni periodiche dell'attività del cervello utilizzando tecniche di neuroimaging, come l'elettroencefalografia (EEG)1, magnetoencefalografia (MEG)3e la formazione immagine a risonanza magnetica funzionale (fMRI)2, 4,5,7, hanno rilevato cambiamenti nell'attività neurale sottostante l'adattamento (ad es., attivazione bilaterale visual per stimolazione visiva unilaterale4, 5). anche se aspetto del partecipante diventa strano in una certa misura e grande cura è necessario per l'osservatore mantenere la sicurezza del partecipante, visione invertita con prismi fornisce precise informazioni visive tridimensionali (3D) senza qualsiasi ritardo in modo da indossare. Di conseguenza, la metodologia per scoprire il meccanismo di adattabilità ambientale relativamente viene stabilita nel dominio visivo.

Nel 1879, Thompson ha proposto un concetto di pseudophone, "uno strumento per indagare le leggi della audizione binaurale attraverso le illusioni che produce la percezione acustica dello spazio"8. Tuttavia, in contrasto con i casi visual1,2,3,4,5,6,7, pochi sono stati tentativi di studiare l'adattamento a insolito spazi uditivi e nessuna conoscenza notevole è stato ottenuto fino ad oggi. Nonostante una lunga storia di sviluppo di display uditivi virtuali9,10, indossabili apparecchi per il controllo 3D provino raramente sono stati sviluppati. Quindi, soltanto alcuni rapporti esaminato l'adeguamento al provino invertita destra-sinistra. Uno tradizionale apparato è costituito da una coppia di curve trombe che sono attraversati e inseriti nel canale uditivo di un partecipante in un contrariwise modo11,12. Nel 1928, giovane primo segnalato l'uso di questi attraversato trombe e li portava continuamente per 3 giorni al massimo o un totale di 85 h per testare adattamento ad audition invertita destra-sinistra. Willey et al. 12 rianalizzato l'adattamento in tre partecipanti indossando le trombe per 3, 7 e 8 giorni, rispettivamente. Le trombe curve facilmente fornito provino invertita destra-sinistra, ma ha avuto un problema con l'affidabilità di precisione spaziale, vestibilità e strano aspetto. Un apparato più avanzato per l'audizione invertito è un sistema elettronico in cui linee di sinistra e destra della testa/auricolari e microfoni sono inversamente collegati13,14. Ohtsubo et al. 13 raggiunto uditiva inversione utilizzando i primi mai binaurale per cuffie-microfoni che sono stati collegati ad un amplificatore fisso e valutate le prestazioni. Più recentemente, Hofman et al. 14 reticolato completare a canale-apparecchi acustici e testato adattamento in due partecipanti che portava l'aids per 49H in 3 giorni e 3 settimane, rispettivamente. Anche se questi studi sono segnalati ad alte prestazioni della localizzazione di sorgente sonora nel campo uditivo anteriore, la localizzazione di sorgente sonora nel backfield e un potenziale ritardo dei dispositivi elettrici non sono mai state valutate. Soprattutto in Hofman et al.' Studio s, la prestazione spaziale di apparecchi acustici è stata garantita per la parte anteriore 60° nella condizione di testa-fisso e per il 150° anteriore nello stato privo di testa, suggerendo le prestazioni omniazimuth sconosciuto. Inoltre, il periodo di esposizione può essere troppo breve per rilevare fenomeni legati all'adattamento rispetto ai casi più lungo di visione invertita2,4,5. Nessuno di questi studi hanno misurato l'attività di cervello utilizzando tecniche di neuroimaging. Pertanto, l'incertezza nella precisione spazio-temporale, i periodi di esposizione breve e il mancato utilizzo del neuroimaging potrebbe essere motivi per il piccolo numero dei rapporti e la limitata quantità di conoscenze sull'adattamento al provino invertita destra-sinistra.

Grazie ai recenti progressi nella tecnologia acustica indossabile, Aoyama e Kuriki15 riusciti a costruire un sinistra-destra invertita audizione 3D utilizzando solo indossabili che recentemente è diventato disponibile e realizzato il sistema di omniazimuth con alta spatiotemporal precisione. Inoltre, circa 1 mese esposizione al provino invertita utilizzando l'apparecchio esposto alcuni risultati rappresentativi per misurazioni di MEG. Basato su questo rapporto, descriviamo, in questo articolo, un protocollo dettagliato per set-up, convalidare e utilizzare il sistema, e per verificare l'adattamento a sinistra-destra invertito audizione con l'aiuto di neuroimaging che viene eseguita periodicamente senza il sistema. Questo approccio è efficace per scoprire l'adattabilità degli esseri umani a un ambiente novello nel dominio uditivo.

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Protocollo

Tutti i metodi descritti qui sono stati approvati dal comitato etico di Tokyo Denki University. Per ogni partecipante, il consenso informato è stato ottenuto dopo che il partecipante ha ricevuto una spiegazione dettagliata del protocollo.

1. installazione di sinistra-destra invertito sistema Audition

  1. Installazione del sistema Audition invertito senza un partecipante
    1. Preparare un lineare registratore (LPCM) modulazione a impulsi, microfoni binaurali e binaurale auricolari in-ear.
    2. Collegare le linee di destra e sinistra dei microfoni sotterfugio al registratore LPCM affinché sinistra-destra invertiti segnali audio analogici vengono digitalizzati. Inoltre, collegare le linee sinistra e destra degli auricolari dritti al registratore affinché i segnali digitalizzati invertiti immediatamente vengono riprodotti.
      Nota: Nel caso che impiegano l'auricolare-microfoni binaurali come auricolari binaurale, non utilizzare le parti di auricolare al fine di ridurre la propagazione dei suoni che passano attraverso le parti di microfono.
    3. Mettere i corpi di microfoni e auricolari insieme per ogni orecchio con isolamento leggero di materiali sonori di correzione e coprire i microfoni con parabrezza dedicati per sopprimere il rumore del vento.
    4. Inserire le batterie ricaricabili e una carta di grande capacità di memoria ad alta velocità nel masterizzatore LPCM e accenderlo. Impostare le condizioni di registrazione correttamente in maniera tale che i segnali audio vengono registrati sulla scheda di memoria come un formato LPCM a una frequenza di campionamento di 96 kHz con una profondità di 24 bit.
    5. Posizionare il corpo del sistema in un sacchetto di formato tascabile.
  2. Installazione del sistema Audition invertita con un partecipante
    1. Incaricare un partecipante per inserire gli auricolari del sistema invertita provino strettamente nel canale uditivo.
    2. Scollegare le linee per i microfoni di sinistra e destra e collegare il lato dominante-orecchio del microfono dritto al registratore.
    3. Istruire il partecipante da togliere e mettere sul lato dominante-orecchio del sistema ripetutamente mentre si regola il volume dell'audio del registratore per rendere il livello sonoro soggettivo di diretta (normale) e indiretta (invertita) suona uguale (il più vicino possibile).
    4. Controllare il volume per l'orecchio non dominante pure e collegare tutte le linee del sistema di nuovo.
    5. Collocare il sistema in tasca del partecipante, fissaggio delle corde sui vestiti del partecipante in modo appropriato per impedire loro di rimanere impigliati e raccogliere i rumori indesiderati.

2. convalida della sinistra-destra invertito sistema Audition

Nota: Eseguire la procedura seguente per convalidare il sistema di audizione invertita destra-sinistra, indipendentemente dalla esperimenti studiando adattamento ad inversione sinistra-destra.

  1. Convalida la localizzazione di sorgente sonora del sistema Audition invertito
    1. Individuare un goniometro digitale angolo cui direzione iniziale è definita come 0° al centro di una camera anecoica, e assumere un cerchio virtuale centrato a questo punto con un raggio di 2 m. lungo il cerchio virtuale, mark 72 sorgenti sonore possibili ogni 5 ° da-180 ° a 175 ° in un modo in senso orario e impostare gli altoparlanti di onda piana in questi punti diretti verso il centro del cerchio.
    2. Impostare una videocamera vicino al centro della stanza per registrare il display del goniometro digitale.
      Nota: Poiché il display del goniometro si muove con il corpo del goniometro, il campo visivo del video deve essere sufficientemente grande da coprire tutte le aree possibili. Inoltre, la videocamera deve essere posizionata con cura al fine di non disturbare la posizione seduta del partecipante e la presentazione audio.
    3. Preparare per due sessioni di localizzazione di sorgente sonora: nella prima sessione, il partecipante non mettere sul sistema provino invertita. Nella seconda sessione, il partecipante mette sull'apparecchiatura, si calibra e controlla il sistema (come spiegato nel passaggio 1.2) più velocemente possibile.
    4. Guidare i partecipanti di sedersi comodamente e con gli occhi bendati al centro del lato cerchio 0° sorgente sonora e attendere che l'esperimento iniziare.
    5. Condurre due sessioni della localizzazione di sorgente sonora. In entrambe le sessioni, hanno l'uso partecipante il goniometro per indicare la direzione sonora percepita più precisamente possibile senza muovere la testa.
    6. Per ogni sessione, avviare la registrazione video sul display di angolo del goniometro e suoni di 1000 Hz presenti a livello di 65 dB di pressione sonora (SPL) da una qualsiasi delle sorgenti sonore: il suono in un'unica sede è casualmente commutato al suono in un'altra posizione ogni 10 s in tale un modo che ogni posizione è usato una volta.
      Nota: Qui si usa MATLAB con il Toolbox psicofisica16,17,18. Anche se la casella degli strumenti viene comunemente utilizzato per presentare suoni, qualsiasi software di stimolazione affidabile anche può essere utilizzato.
    7. Dopo ogni sessione, interrompere la registrazione video e istruire i partecipanti a prendere una pausa per quantità di tempo sufficiente.
    8. Leggere gli angoli percettivi prova-di-prova visualizzati il goniometro dal video registrato e valutare la prestazione spaziale del sistema invertita provino confrontando gli angoli percettivi normale e le condizioni rovesciate contro il fisico angoli definiti dalla direzione delle sorgenti sonore.
  2. Convalida del ritardo del sistema Audition invertito
    1. Mettere il sistema invertita audizione su una scrivania in una camera tranquilla con nessuno dei partecipanti.
    2. Scollegare una linea al microfono sinistro e posizionare un altoparlante di onda piana e l'auricolare sinistro più vicino possibile al microfono giusto.
    3. Avviare la registrazione diretti (normali) suoni dall'altoparlante e suoni indiretti (invertiti) dall'auricolare sinistro contemporaneamente attraverso il microfono giusto.
    4. 1-ms presenti fare clic su suoni dall'altoparlante con un intervallo di Inter-stimolo moderato alle 65-dB SPL.
    5. Dopo un numero sufficiente di prove, tappa che presenta e registrare i suoni.
    6. Al fine di confermare la configurazione simmetrica del sistema, è necessario ripetere gli stessi passaggi sopra utilizzando l'auricolare destro e il sinistro microfono.
    7. Leggere i dati audio registrati utilizzando software (ad es., MATLAB) e valutare la differenza tra i tempi di insorgenza dei suoni (normali) diretti e indiretti suoni (invertiti), che corrisponde ad un potenziale ritardo causato dal tempo trascorso, passando attraverso il percorso elettrico nel sistema.

3. studiare l'adattamento a sinistra-destra invertita Audition

  1. Procedura dell'esposizione a Audition invertito
    1. Ricordare ai partecipanti più volte del loro diritto di chiudere l'esposizione in qualsiasi momento.
      Nota: Fermare l'esposizione più presto se il partecipante segnala malattia o se si osserva alcun segno che il partecipante vuole chiudere l'esposizione per qualsiasi motivo.
    2. Preparare un numero sufficiente di ricambio batterie ricaricabili e schede di memoria ad alta velocità di grande capacità per consentire al partecipante di sostituirli in qualsiasi momento.
    3. Indicare al partecipante di indossare, calibrare e controllare il sistema di audizione invertita da soli durante il periodo di esposizione, come spiegato al punto 1.2. Eseguire la stessa procedura ogni volta che il partecipante indossa il sistema dopo ogni interruzione.
    4. Istruire i partecipanti a svolgere attività di vita quotidiana mentre indossa il sistema continuamente per circa un mese, tranne durante il sonno, balneazione, neuroimaging e altre volte di emergenza. In questi casi, chiedere ai partecipanti di rimuovere il sistema e inserire immediatamente i tappi per le orecchie nelle loro orecchie per impedire il ripristino di adattamento.
      Nota: Anche se è l'ideale per il partecipante da indossare tutto il giorno e la notte il sistema, è consigliabile che il sistema non essere indossato durante il sonno e balneazione al fine di evitare rumori imprevisti e scosse elettriche, rispettivamente.
    5. Sostituire le batterie e schede di memoria regolarmente prima di esaurimento della batteria e la memoria di sovraccapacità, rispettivamente. Rimuovere il sistema e sostituirlo con tappi per le orecchie rapidamente in un luogo silenzioso senza produrre alcun suono.
    6. Quando un partecipante ha bisogno di muoversi in auto all'esterno, il partecipante in una macchina, accompagnare il partecipante in movimento, o chiedere loro di utilizzare il mezzo di trasporto sicuro per gli atti compiuti da solo.
      Nota: Occorre prestare molta attenzione da parte del ricercatore al fine di non compromettere la sicurezza del partecipante durante il periodo di esposizione, soprattutto quando il partecipante va fuori. Vietano il partecipante di adempiere eventuali comportamenti pericolosi.
    7. Al fine di facilitare l'adattamento, indicare al partecipante di sperimentare situazioni che coinvolgono alti input uditivi, come camminare in un centro commerciale o un campus, avendo una conversazione con più di due persone, e riproduzione video 3D giochi, per quanto possibile.
    8. Istruire i partecipanti a tenere un diario o un rapporto soggettivo ad un osservatore come frequentemente come possibile circa i cambiamenti percettivi e comportamentali, esperti eventi e tutto ciò che il partecipante si accorge.
    9. Dopo il periodo di esposizione di destinazione, istruire il partecipante a decollare il sistema provino invertita.
      Nota: È anche importante seguire i cambiamenti percettivi e comportamentali al fine di esaminare il processo di recupero dall'adattamento ad audition invertita destra-sinistra.
  2. Neuroimaging durante l'esposizione al provino invertito
    1. Istruire il partecipante addestrare un'attività che verrà utilizzato durante gli esperimenti di neuroimaging come sufficientemente come possibile.
      1. Ad esempio, i treni al partecipante di eseguire un compito di tempo di reazione selettiva in due condizioni, compatibili e incompatibili15. La circostanza compatibile consiste di reagire immediatamente al suono di destra-orecchio con il dito indice destro e al suono di sinistra-orecchio con il dito indice sinistro. La condizione incompatibile è costituito da risponde immediatamente al suono di destra-orecchio con il dito indice sinistro e al suono di sinistra-orecchio con il dito indice destro.
      2. Utilizzare suoni di 1000 Hz a 65 dB SPL per 0,1 s con un intervallo di Inter-stimolo di 2,5 – 3,5 s, che appare casualmente su entrambi i lati dell'orecchio.
    2. Prima dell'esposizione al provino invertita, condurre un esperimento di neuroimaging in attività di formazione.
      1. Ad esempio, registrare le risposte di MEG o EEG, come pure le risposte di sinistra e destra dito sotto il tempo di reazione selettiva attività15. L'operazione consiste di due compatibili e due blocchi incompatibili che sono disposti alternativamente con un intervallo di Inter-blocco di almeno 30 s e con i suoni che appaiono 80 volte per ogni blocco attraverso gli auricolari inseriti con tubi di plastica dell'orecchio.
        Nota: Anche se un sistema di MEG 122-canale è stato usato in Aoyama e Kuriki15, un sistema di EEG multicanale è anche adatto per questo protocollo.
      2. Per il registrazione di MEG/EEG, impostare la frequenza di campionamento a 1 kHz e la banda passante di registrazione analogica a 0,03 – 200 Hz.
    3. Durante circa 1 mese esposizione al provino invertita, condurre esperimenti neuroimaging sotto il compito addestrato ogni settimana senza il sistema invertita provino esattamente nello stesso modo come l'esperimento di pre-esposizione (punto 3.2.2).
      Nota: Il sistema è rimosso immediatamente prima e immediatamente dopo ogni esperimento.
    4. Una settimana dopo l'esposizione, condurre un esperimento di neuroimaging sotto il compito addestrato in esattamente allo stesso modo come l'esperimento di pre-esposizione (punto 3.2.2).
    5. Analizzare i dati raccolti prima, durante e dopo l'esposizione all'audizione invertita destra-sinistra.
      1. Ad esempio, dopo aver respinto le epoche contaminate con gli artefatti relativi al occhio, rimuovere l'offset nell'intervallo pre-stimolo e impostare il passa-basso filtro a 40 Hz, media i dati MEG/EEG da 100 ms prima a 500 ms dopo l'inizio di suono per il stimolo-risposta condizioni compatibili e incompatibili15.
      2. Utilizzando un MNE software pacchetto19,20, stimare le origini dell'attività del cervello con mappe parametriche statistiche dinamiche (dSPMs) sovrapposti su immagini di superficie corticale e quantificare l'intensità dell'attività cerebrale con minimo-norma stima (multinazionali) per ciascun punto di tempo dei dati media.
      3. Calcolare la connettività funzionale uditivo-motore da single-trial zero-media MEG/EEG di dati da 90 a 500 ms dopo l'inizio del suono per ogni condizione
        Nota: Qui usiamo MATLAB con la casella degli strumenti causalità di Granger multivariata21.
      4. Per i dati comportamentali, calcolare i tempi di reazione medi per le condizioni di stimolo-risposta compatibili e incompatibili.

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Risultati

I risultati rappresentativi mostrati qui sono basati su Aoyama e Kuriki15. Il presente protocollo raggiunto provino invertita destra-sinistra con elevata precisione spazio-temporale. La figura 1 Mostra la localizzazione della sorgente sonora in direzioni oltre 360 ° prima e immediatamente dopo aver messo sul sistema provino invertita destra-sinistra (Figura 1A), in sei partecipanti, come indicato dalla so...

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Discussione

Il protocollo proposto mirato a stabilire una metodologia per lo studio di adattamento a sinistra-destra invertita audizione come strumento efficace per scoprire l'adattabilità degli esseri umani a un ambiente uditivo novello. Come testimoniano i risultati rappresentativi, l'apparato costruito raggiunto provino invertita destra-sinistra con elevata precisione spazio-temporale. Anche se gli apparecchi precedenti per audizione invertita11,12,

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Divulgazioni

L'autore non ha nulla di divulgare.

Riconoscimenti

Questo lavoro è stato parzialmente sostenuto da una sovvenzione JSPS KAKENHI Grant numero JP17K00209. L'autore ringrazia Takayuki Hoshino e Kazuhiro Shigeta per assistenza tecnica.

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Materiali

NameCompanyCatalog NumberComments
Linear pulse-code-modulation recorderSonyPCM-M10
Binaural microphonesRolandCS-10EM
Binaural in-ear earphonesEtymotic ResearchER-4B
Digital angle protractorWenzhou Sanhe Measuring Instrument5422-200
Plane-wave speakerAlphagreenSS-2101
Video cameraSonyHDR-CX560
MATLABMathworksR2012a, R2015aR2012a for stimulation and R2015a for analysis
Psychophysics ToolboxFreeVersion 3http://psychtoolbox.org
Insert earphonesEtymotic ResearchER-2
Magnetoencephalography systemNeuromagNeuromag-122 TM
Electroencephalography systemBrain Productsacti64CHamp
MNEFreeMNE Software Version 2.7,
MNE 0.13		https://martinos.org/mne/stable/index.html
The Multivariate Granger Causality ToolboxFreemvgc_v1.0http://www.sussex.ac.uk/sackler/mvgc/

Riferimenti

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