Wie lokalisiert das Gehirn Schallquellen?

Das Gehirn hat eine erstaunliche Fähigkeit, die Quelle von Geräuschen um Sie herum zu identifizieren. Während der Fahrt können Sie erkennen, woher ein herannahendes Feuerwehrauto kommt, und entsprechend anhalten. Im klassischen Schwimmbadspiel von „Marco Polo,“Der Spieler, der „es“ ist, schwimmt auf die Spieler zu, die „Polo“ sagen.“ Auf dem Gebiet der Neurowissenschaften wird diese Fähigkeit als Schalllokalisierung bezeichnet. Menschen können die Quelle eines Tons mit extremer Präzision lokalisieren (innerhalb von 2 Grad Raum)! Diese bemerkenswerte Leistung wird durch die Fähigkeit des Gehirns erreicht, die Informationen von beiden Ohren zu interpretieren. Wie macht dein Gehirn das?

Neurowissenschaftler arbeiten seit vielen Jahren daran, die Mechanismen der Schalllokalisierung zu verstehen, und haben zwei Hinweise identifiziert, die für die Schalllokalisierung in der horizontalen Dimension wesentlich sind. Stellen Sie sich vor, es gibt einen Kreis, der eine perfekt flache Ebene um Ihren Kopf bildet, wie unten gezeigt. Wenn ein Ton aus dem Lautsprecher kommt, wie können Sie seinen Standort so genau identifizieren? In den 1790er Jahren spielte Venturi eine Flöte um Menschen und bat sie, in seine Richtung zu zeigen. Er schlug vor, dass der Schallamplitudenunterschied (Lautheit) zwischen den beiden Ohren der für die Schalllokalisierung verwendete Hinweis sei. Viel später, im Jahr 1908, schlug Malloch vor, dass der Zeitunterschied des Schalls, der jedes Ohr erreichte, das Stichwort für die Schalllokalisierung war. Jahre später fanden Neurowissenschaftler Neuronen in den Hörzentren des Gehirns, die speziell auf jeden Hinweis abgestimmt sind: Intensitäts- und Zeitunterschiede zwischen den beiden Ohren. Das Gehirn verwendet also beide Signale, um Schallquellen zu lokalisieren. Zum Beispiel würde der Ton, der vom Lautsprecher kommt, Ihr linkes Ohr schneller erreichen und lauter sein als der Ton, der Ihr rechtes Ohr erreicht. Ihr Gehirn vergleicht diese Unterschiede und sagt Ihnen, woher der Ton kommt!

Aber was passiert, wenn ein Geräusch von irgendwo entlang der Mittellinie Ihres Kopfes kommt? Es könnte direkt vor dir sein, hinter dir, oder über dir. In jedem dieser Fälle würde es keinen Unterschied in der Lautstärke oder Verzögerung zwischen Ihren beiden Ohren geben! Es stellt sich heraus, dass Ihr Gehirn einen dritten Hinweis verwendet, um Geräusche in der vertikalen Dimension zu lokalisieren: das unterschiedliche Frequenzprofil des Schalls, das durch die Größe Ihres Kopfes und Ihres Außenohrs verursacht wird und als Ohrmuschel bezeichnet wird. Die Pinnae sind exquisit geformt, um nicht nur Schall zu sammeln, sondern auch das Frequenzprofil eines Schalls zu verändern. Je nach Herkunft werden bestimmte Frequenzen verstärkt, während andere abgeschwächt werden. Wie in der Abbildung unten gezeigt, sind Häufigkeitsänderungen in Farben an ihre Positionen gebunden. Dieser Hinweis ist für jede Ohrmuschel einzigartig und daher monoaural. Neurowissenschaftler haben Neuronen in der unteren Ebene des Gehirns gefunden, die ebenfalls auf diese Frequenzkerben abgestimmt sind.

Was passiert also, wenn sich Geräusche bewegen? Offensichtlich werden Geräusche lauter, wenn sie sich uns nähern, und weicher, wenn sie sich entfernen, aber auch die wahrgenommenen Schallfrequenzen ändern sich. Zum Beispiel klingt die Frequenz der Sirene eines Feuerwehrautos höher, wenn es sich auf uns zubewegt, und niedriger, wenn es sich wegbewegt. Dieses Phänomen wurde zuerst vom österreichischen Physiker Christian Doppler entdeckt und wird daher Doppler-Effekt genannt. Der Doppler-Effekt kann ein Hinweis für die Wahrnehmung von Entfernungsänderungen sein. Zusätzlich verfolgt das Gehirn den vertikalen und horizontalen Winkel durch die binauralen und monauralen Hinweise wie die drei oben genannten Hinweise.

Insgesamt verwendet das Gehirn eine Vielzahl von Hinweisen, um den Ort eines Geräusches zu bestimmen. Unser derzeitiges Verständnis der Mechanismen der Schalllokalisierung beschränkt sich hauptsächlich auf die Signale selbst und darauf, wie die unteren Ebenen des Hörwegs des Gehirns diese Signale verarbeiten. Es ist eine wirklich aufregende Zeit zu erforschen, wie das auditorische Gehirn auf höherer Ebene diese Signale von niedrigeren Ebenen verwendet, um die Wahrnehmung des Schallortes zu formen!

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Geschrieben von Xiaorui „Ray“ Xiong

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Bilder angepasst von Crowd At Busy Street von Petr Kratochvil, 123rf, Wikimedia Commons, clker und Grothe B., Pecka M. & McAlpine D. ( 2010). Mechanismen der Schalllokalisation bei Säugetieren,Physiologische Übersichten, 90 (3) 983-1012. DOI: 10.1152/physrev.00026.2009.