Hur förstärker hjärnan uppmärksammade ljud?
När flera ljud hörs samtidigt behöver hjärnan fokusera på det ljud som är viktigt. Forskaren undersökte hur hjärnans aktivitet förändras när vi riktar uppmärksamheten mot ett specifikt ljud.
Introduktion
Vi omges hela tiden av ljud från olika källor, till exempel en person som talar, en bil som kör förbi eller en fågel som sjunger. Dessa ljud förekommer ofta samtidigt och bildar tillsammans en ljudscen (auditory scene).1
I en ljudscen är vissa ljud ofta viktigare för oss än andra. På ett livligt café kan vi till exempel försöka lyssna på en vän, trots att många andra människor talar i bakgrunden. Förmågan att fokusera på ett visst ljud och samtidigt ignorera andra kallas selektiv uppmärksamhet.2
När vi uppmärksammar ett ljud kan det upplevas som om ljudet blir tydligare eller starkare, medan övriga ljud dämpas.3 Detta stämmer till viss del överens med hur uppmärksamheten påverkar aktiviteten i hörselhjärnbarken. Olika neuroner i hörselhjärnbarken reagerar starkast på olika ljudfrekvenser, det vill säga olika tonhöjder. Studier på djur har visat att när djuret fokuserar på en av två samtidiga toner med olika frekvens, reagerar de neuroner som är känsliga för den uppmärksammade frekvensen starkare. Samtidigt reagerar neuroner som är känsliga för den frekvens som inte uppmärksammas svagare.4 Denna idé, att uppmärksamheten förstärker viktig information och dämpar oviktig information, kallas förstärkningsteorin.
I vardagen riktar vi däremot ofta uppmärksamheten mot betydligt mer komplicerade ljud än en enskild tonhöjd. Vi kan till exempel lyssna efter en gitarr i ett musikstycke där flera andra instrument spelar samtidigt. Ett gitarrljud består av många olika egenskaper och kan därför inte identifieras enbart utifrån en viss ljudfrekvens. Det är också osannolikt att en enda neuron skulle vara specialiserad på att känna igen hela ljudet av en gitarr.5 I stället antas hjärnan känna igen ljud genom aktivitetsmönster (activity pattern) hos stora grupper av neuroner.6 Ett visst ljud kodas alltså inte av en enda neuron, utan av ett särskilt aktivitetsmönster som är fördelat över tusentals neuroner.7
I den här studien undersökte vi hur hörselhjärnbarkens samlade aktivitetsmönster ser ut när tre naturliga ljud hörs samtidigt. Vi undersökte också hur aktivitetsmönstret förändras när lyssnaren riktar sin uppmärksamhet mot olika ljud i ljudscenen.
Hur gjordes forskningen?
Tjugo slumpmässigt valda vuxna försökspersoner fick lyssna på olika ljudscener medan deras hjärnaktivitet mättes med funktionell magnetkameraundersökning fMRI. Ljuden hörde till tre kategorier: tal, djurläten och musikinstrument. Varje kategori innehöll sex olika ljud, till exempel en barnröst, en hund och en trumpet.
fMRI mäter inte nervcellernas aktivitet direkt. När nervcellerna i ett område av hjärnan arbetar behöver de mer syre och energi, vilket leder till förändringar i blodflödet i det området. Dessa förändringar kan registreras med fMRI. Metoden delar in hjärnan i små tredimensionella punkter, så kallade voxlar. Varje voxel är cirka 2mm3 och innehåller tusentals neuroner. På så sätt kan man undersöka de aktivitetsmönster som bildas över flera voxlar i hjärnan när försökspersonen lyssnar på olika ljud.
Varje ljud spelades upp både ensamt och som en del av en ljudscen med tre samtidiga ljud. Ljudscenerna var av två slag. I scener inom samma kategori kunde alla tre ljud till exempel vara djurläten, såsom en hund, en fågel och en katt. I scener mellan olika kategorier kunde ljudscenen i stället innehålla till exempel en barnröst, en hund och en trumpet.
Försökspersonerna fick i uppgift att rikta sin uppmärksamhet mot ett av de tre ljuden. Varje ljud förekom därför i tre olika situationer: ensamt, som det ljud som försökspersonen skulle uppmärksamma eller som ett av de två ljud som försökspersonen skulle försöka ignorera.
För att undersöka hur uppmärksamheten påverkade hjärnans aktivitet använde vi först aktivitetsmönstret för varje ljud när det spelades ensamt som en referens (Figur 1A). Därefter undersökte vi om hjärnans aktivitetsmönster i en ljudscen blev mer likt detta referensmönster när personen uppmärksammade ljudet i en scen (Figur 1B) än när samma ljud fanns i en scen men skulle ignoreras och personen i stället skulle uppmärksamma ett annat ljud (Figur 1C).
Vad fann forskningen?
Vi visade att aktivitetsmönstrena för hela ljudscenen blev mer likt mönstret för det ljud som försökspersonen uppmärksammade än mönstren för de ljud som ignorerades (Figur 1). Det uppmärksammade ljudet präglade alltså hur hela ljudscenen behandlades i hjärnan.
Denna effekt syntes i hörselbarken för alla tre ljudkategorier: djurläten, instrument och tal. För tal kunde en liknande effekt dessutom ses i ett betydligt större delar av hjärnan.
Effekten berodde också på vilka typer av ljud som ingick i ljudscenen. När ljudscenen innehöll ljud från olika kategorier blev hjärnans aktivitetsmönster mer likt det typiska mönstret för den kategori som uppmärksammades. Om försökspersonen till exempel lyssnade på en trumpet i en ljudscen som också innehöll en hund och en barnröst, blev aktivitetsmönstret mer likt det typiska mönstret för instrument i allmänhet.
När alla ljud i ljudscenen däremot tillhörde samma kategori blev aktivitetsmönstret mer likt mönstret för det enskilda ljudet som uppmärksammades. Om försökspersonen lyssnade på en trumpet medan en gitarr och en orgel hördes i bakgrunden, blev aktivitetsmönstret alltså mer likt det mönster som trumpeten framkallade när den spelades ensam.
Till slut
Vi visade alltså att när flera komplexa ljud hörs samtidigt blir hjärnans samlade aktivitetsmönster mer likt mönstret för det ljud som försökspersonen riktar sin uppmärksamhet mot. Det uppmärksammade ljudet påverkar med andra ord hur hela ljudscenen representeras i hjärnan. Liknande fenomen i naturen har beskrivits med begreppet attraktion. Det handlar om att komplexa mönster kan uppstå utan att någon styr helheten. En fågelflock kan till exempel börja röra sig i invecklade formationer genom att varje fågel bara anpassar sig till fåglarna närmast framför och bredvid sig.
Att effekten såg olika ut i de två typerna av ljudscener är också rimligt. När ljuden tillhör olika kategorier, till exempel tal, djurläten och instrument, räcker det att hjärnan förstärker skillnaderna mellan kategorierna. När alla ljud däremot tillhör samma kategori måste hjärnan skilja mellan ljud som liknar varandra betydligt mer.
Eftersom fMRI endast visar relativt långsamma förändringar i hjärnaktiviteten undersöker vi nu om samma effekter också kan observeras med andra mätningsinstrument som möjliggör att följa förändringarna med noggrann tidsurskiljningförmåga (på millisekund nivå).