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認知科學：導論/聽覺

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資訊

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聽覺是將一些流體介質（如空氣或水）中的壓力波轉化為某種內部表徵。

人類聽覺系統（HAS）

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概述

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人類聽覺系統（HAS）是外耳、中耳和內耳結構的特定組織，旨在將來自環境的聲音波轉化為神經資訊，併發送到聽覺皮層以進行語音理解 [1]。HAS 直接參與交流和語音理解。這始於透過聽覺系統的各種結構進行的聽覺感知。人類聽覺系統對於諸如語音理解、交流、記憶、學習、平衡和定位等日常認知過程至關重要 [2]。雖然 HAS 提供了諸如來自環境的資訊和促進人類合作等適應性優勢 [3]，但一些問題包括耳鳴和其他聽覺干擾，會降低認知效率 [4]。聽覺資訊可以與視覺資訊同時使用，使個人能夠理解周圍環境 [5]。

結構

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HAS 是一個複雜的系統，其組織旨在確保聲音振動傳送到認知上連貫的輸入中。聽覺是接收聲能或聲波，導致鼓膜振動，這是聽覺的主要預設機制。振動被轉化為聽覺資訊，並激活大腦區域，如額葉和韋尼克區，這些區域負責語音和聲音理解 [6]。HAS 由三個結構組成：外耳、中耳和內耳，它們由各種組織和小的骨頭組成，共同發揮作用。外耳和中耳的功能是放大來自我們周圍環境的聽覺感知 [7]。聲音放大後，這些波就會透過內耳。此時，內耳的結構會將外部聽覺感知轉化為振動脈衝，然後用於將資訊傳送到大腦。

外耳

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外耳由兩個部分組成：耳廓和耳道。它被定義為耳朵的可見結構，其目的是收集和傳輸聽覺資料 [8]。耳廓負責收集聲音，可以定義為頻率在 16 到 32 赫茲 (Hz) 和 16 000 到 20 000 赫茲之間的聲波。耳廓和耳道透過處理來自耳道內毛細胞纖毛彎曲的聲音，將外部聽覺資料傳遞到鼓膜。外耳結構負責捕捉聲音並將其傳送到中耳 [9]。

中耳

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中耳由兩個主要部分組成：鼓膜和聽骨鏈 [7]。中耳還透過咽鼓管與嗅覺系統（負責嗅覺的系統）的背面相連。構成中耳的各種結構包括：錘骨前韌帶、外耳道、鐙骨、錘骨、錘骨柄、環狀突起、錘骨後韌帶、圓窗、錘骨上韌帶、鐙骨肌和鼓膜張肌。此外，人類中耳包含三個聽骨，能夠處理更高的聽覺頻率傳輸。中耳由許多較小的結構組成，這些結構負責接收來自外耳的聽覺輸入並將其放大，以便在內耳進行進一步處理 [10]。

內耳

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內耳是能夠進行聲音轉導和平衡的結構。與外耳和中耳相比，它的結構更加複雜。它的結構包括耳蝸、充滿液體的半規管和前庭 [11]。內耳還與中耳相連，與聽骨鏈相關。內耳側重於分析聲波頻率以及透過檢查流體和毛纖維的運動來實現平衡機制 [12]。關於先前概念的研究結果得出結論，內耳的進化使人類能夠檢測更高頻率的聲音 [13]。

聲音轉導機制

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聲音轉導機制（STM）專門負責將聲波轉化為脈衝。在聽覺感知階段，傳入通路和靜息聲神經將神經脈衝從耳蝸傳輸出去。耳蝸用作腦幹的頻率分析器，在那裡，這些脈衝將由大腦的中央聽覺通路 (CAP) 處理 [14]。內耳的傳出纖維將脈衝從聽覺皮層傳送到耳蝸。這表明 STM 是大腦之間脈衝通訊所必需的，而這種通訊發生在 HAS 的神經結構中。

人類聽覺系統的結構

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HAS 函式的作用是將聲音振動轉換為神經衝動 [15]。聽覺系統的初始神經過程發生在中腦，在那裡專門的神經元在聽覺感知後積累。在聽覺感知的過程中，毛細胞變得興奮，啟用神經系統內的神經衝動。內毛細胞將可聽聲波和頻率的振動轉換成神經衝動。聲波觸發內耳纖維後，靜態聽神經的離子通道開啟和關閉，允許神經衝動和神經遞質釋放 [16]。

記憶和學習

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記憶被定義為編碼新資訊的能力，隨後是所學知識的長期儲存。人腦能夠檢索儲存的資訊來幫助認知任務 [17]。這包括短期記憶的一部分，也稱為聽覺工作記憶 (AWM)。AWM 使人們能夠在刺激不再可感知後，在短時間內保持和操作聽覺資料。在 HAS 中，工作記憶透過將聽覺資訊傳輸到 AWM 和聽覺長期記憶 (ALTM) 來實現。一旦 AWM 系統持有來自工作記憶的資訊，它就可以與視覺工作記憶 (VWM) 結合使用，並被傳輸到中央執行記憶 (CEM)。一旦被保留在 CEM 中，資訊就可以被認知地處理為一個可理解的單元，並參與更高階的認知任務 [18]。

前庭功能、平衡和定位

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聽覺系統在神經系統脊椎動物的感覺劃分中，對前庭功能、平衡和定位起著重要作用。脊椎動物的這種劃分使前庭和半規管能夠保持平衡 [19]。HAS 提供的另一個功能是定位 - 確定感知聲音位置的能力。定位從耳廓區分雙耳接收到的音訊時間開始 [9]。聲音的位置被認知地感知為方向感。聲音以大約每秒 344 米的速度傳播。人耳相距約 0.175 米，因此雙耳在不同的時間接收到相同的聲音 - 大約 0.5 毫秒的時間差。到達時間之間的差異用於確定聲音來自哪個方向。 [20]

聽力損失

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完全或部分聽力損失是成年人中第三常見的健康缺陷 [16]。完全或部分聽力損失會導致認知混亂和精神衰退，因為社會孤立 [20]。HAS 中的部分聽力損失可能是由許多因素造成的，最明顯的是耳咽管兩側鼓膜壓力平衡的破壞。          

聽力損失的主要原因是長期使用 HAS 造成的內耳毛細胞損傷的不斷暴露 [21]。由於暴露引起的毛細胞損傷被稱為“尖端連線斷裂”。尖端連線對於將機械刺激連線到毛細胞的機械電轉換通道至關重要。機械電轉換 (MET) 通道負責將來自我們周圍環境的聲音輸入轉換為電脈衝，以及隨後的認知輸入 [22]。與年齡相關的聽力損失 (ARHL) 可能是由於長期使用 HAS 的影響造成的。

耳鳴

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人類聽覺系統中一個常見的問題是耳鳴現象，即由耳朵的生理狀況引起的噪音感知。慢性耳鳴影響 10-15% 的個體 [23]。有兩種型別；客觀耳鳴 (OT) 和主觀耳鳴 (ST)。OT 是由大量的血液流動引起的振動引起的，這些振動刺激耳蝸。OT 被定義為客觀的，因為受試者正在感知來自迴圈系統的實際頻率和振動。ST 與 OT 不同，它不是由實際的聲音感知引起的。ST 負責為受影響的受試者提供聲音感知，這是由缺乏聲音感知和/或聲學刺激引起的 [24]。ST 對聲音感知有持續的影響，持續時間從幾秒到幾分鐘不等。

回聲定位

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回聲定位與聽覺有關 - 它使用由代理建立的聲音來確定世界中的空間關係。該動物，例如蝙蝠或海豚，發出高音調的聲音。它們從環境中的表面反射回來，代理的聽覺以空間方面解釋這些資訊。因此，可以將回聲定位視為使用聽覺來完成通常是視覺工作的內容 - 瞭解我們物質世界的結構。但請注意，它無法檢測顏色、亮度或其他視覺屬性：只能檢測形狀、距離和紋理。

動物和植物聽覺系統

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一些植物對聲音有反應。

  • 其他動物能夠聽到而我們不能聽到的資訊的例子

人類聽覺系統的感覺

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  • 從外耳到內耳的資訊處理總結
  • 閾值描述及其重要性
  • 導致某些“感知”形式的低階編碼

人類聽覺系統中的感知

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  • 我們對大腦如何將這些資訊整合在一起的理解總結
  • 非典型人類感知的例子

人工聽覺系統

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  • 例子
  1. ↑ Lee, A.K. & Wallace, M.T. (2019). Visual Influence on Auditory Perception. Multisensory Processes: The Auditory Perspective 68(1), 1-8. doi: 10.1007/978.3.030.10461.0-1
  2. ↑ Akbari, H., Khalighinejad, B., Herrero, J.L., Mehta, A.D., & Mesgarani, N. (2019). Towards reconstructing intelligible speech from the human auditory cortex. Scientific reports, 9(1), 874. doi: 10.1038/s41598-018-37359-z
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