Как мозг выделяет голос в шуме и почему мы слышим одного человека среди многих
Учёные из Массачусетского технологического института попытались объяснить одну из самых привычных, но при этом загадочных способностей человеческого мозга. Речь идёт о том, как человек может слышать конкретного собеседника в шумной толпе. Например, на вечеринке или в людном ресторане вокруг звучат десятки голосов. Тем не менее мозг каким-то образом выделяет один голос и позволяет следить именно за ним. В нейронауке это явление давно называют проблемой коктейльной вечеринки. Исследователи решили разобраться, какие механизмы позволяют мозгу справляться с такой задачей.
В основе работы лежит компьютерная модель слуховой системы. Учёные попытались воспроизвести в ней те процессы, которые происходят в нервных клетках мозга. Они обнаружили довольно интересный принцип. Когда человек концентрируется на голосе собеседника, нейроны, отвечающие за определённые характеристики этого голоса, начинают работать активнее. Например, усиливается реакция клеток, которые распознают высоту звука. Благодаря этому нужный голос словно становится громче на фоне остальных.
По сути мозг как будто усиливает определённые акустические признаки. Всё, что не относится к выбранному голосу, наоборот ослабляется. Это похоже на работу фильтра. Такой механизм делает сигнал более заметным для нервной системы.
Исследователи отмечают, что подобное усиление активности нейронов наблюдали и раньше. Однако раньше было неясно, достаточно ли этого механизма, чтобы объяснить способность человека выделять один голос среди множества. Новая модель показала, что даже такой простой принцип может объяснить значительную часть поведения слухового внимания у человека.
Интересно, что для обучения модели учёные использовали своеобразную подсказку. Сначала системе давали короткий фрагмент нужного голоса. После этого она получала запись, где смешивались несколько разных голосов. Задача заключалась в том, чтобы определить слово, произнесённое именно тем голосом, который был задан заранее. Таким образом исследователи проверяли, сможет ли искусственная система повторить поведение человеческого слуха. Модель часто допускала те же ошибки, что и человек. Например, ей было сложнее различать голоса, если они принадлежали людям с похожим тембром. Два мужских голоса или два женских иногда путались. Это хорошо знакомая ситуация: многие люди замечали, что в шумной комнате трудно следить за разговором, если несколько собеседников говорят похожими голосами.
Человек видит и слышит прежде всего то, на чём он сосредоточился.
Уильям Джеймс
Отдельный интерес вызвал ещё один фактор. Помимо высоты голоса мозгу помогает ориентироваться пространство. Если голоса доносятся из разных точек вокруг человека, задача становится намного проще. В таких условиях слух быстрее выделяет нужный источник звука.
Исследователи решили проверить это предположение на модели. Они виртуально разместили голоса в разных направлениях. Оказалось, что система гораздо лучше справлялась с задачей, когда нужный голос находился в другом месте по сравнению с отвлекающими звуками. Любопытно, что расположение источника звука в горизонтальной плоскости помогало больше всего. Если же голоса различались по высоте, например один звучал словно сверху, а другой снизу, модель справлялась хуже. Когда подобный эксперимент провели с людьми, результат оказался почти таким же.
Это наблюдение может показаться мелочью. Однако на самом деле оно многое говорит о том, как устроена слуховая система человека. Наш мозг намного лучше различает направление звука слева или справа, чем сверху или снизу. Это связано с тем, как уши и нервная система обрабатывают временные различия между сигналами. Компьютерная модель позволила исследователям проводить тысячи виртуальных экспериментов. В реальной лаборатории на это ушли бы годы. Такой подход открывает новую возможность для изучения слухового восприятия.
Учёные считают, что подобные модели могут помочь улучшить слуховые импланты, которые помогают людям с тяжёлой потерей слуха воспринимать звуки. Однако пользователи таких имплантов часто жалуются на одну проблему: в шумной обстановке им особенно трудно различать речь. Если исследователям удастся внедрить принципы работы внимания в технологии обработки звука, это может значительно облегчить жизнь таким людям. Фактически речь идёт о том, чтобы научить устройства работать чуть более похоже на человеческий мозг. Если техника сможет усиливать нужный голос и ослаблять остальные, разговор в шумной комнате станет намного понятнее.
