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[硕士论文] 赵利贤
凝聚态物理 山东建筑大学 2017(学位年度)
摘要:作为自然界中唯一进化出飞行能力的哺乳动物,蝙蝠具有灵敏且精确度极高的生物声呐系统,小蝙蝠亚目的所有种类的蝙蝠都是利用自身的生物声呐系统完成捕食和环境探测等一系列行为。蝙蝠通过喉腔中声带振动产生的超声波信号,口腔和鼻叶作为声音通道使得超声波信号向外发射,随后周围环境中的生物或者非生物作为障碍物会使发射出的超声波信号受阻并发射产生回波信号,蝙蝠的耳朵作为生物声呐系统的接收部分会接收回波信号。目前的研究工作表明,在超声波向外传播的过程中,蝙蝠头部的某些生物声呐器官(例如耳廓、耳屏等结构)会在超声波信号向外传播的过程中对蝙蝠的发射声场产生影响。
  本文研究内容主要包括两部分:
  (1)捕获研究对象并完成中华菊头蝠双耳耳廓运动轨迹的提取。在适合蝙蝠生活的野外洞穴中捕获中华菊头蝠样品后,使用高分辨率高速摄像机拍摄不同方向不同角度的棋盘格图片和蝙蝠接收声音信号时双耳运动的图片,其中棋盘格图片用于相机标定,蝙蝠双耳运动图用于提取蝙蝠耳廓上人工标记的二维点信息,结合相机标定结果和蝙蝠耳廓二维点信息,综合得到蝙蝠双耳的运动轨迹。
  (2)研究主要包括捕获研究对象并完成马来假吸血蝠耳廓的三维重构和数值计算两部分。采集得到马来假吸血蝠作为实验对象后,利用高分辨率Micro-CT扫描仪对马来假吸血蝠耳廓结构进行X射线扫描,得到马来假吸血蝠耳廓结构的X射线投影图。利用三维锥形光束重建算法对该投影图进行处理,得到一组具有多灰度等级的断层图像,随后通过高斯滤波及二值化处理得到马来假吸血蝠耳廓的二值化图像,最终将二值化图像累计叠加得到用立方体体素构成的马来假吸血蝠耳廓的三维数字结构。随后通过人工处理,结合计算机图像处理和三维可视化技术分别对马来假吸血蝠耳廓结构进行填补耳屏分叉和整体剔除耳屏处理,得到原始耳廓三维数字结构、填补耳屏分叉后的耳廓三维数字结构和剔除耳屏的耳廓三维数字结构。得到马来假吸血蝠耳廓的不同三维数字结构后,以耳廓三维数字结构为基础,在耳道内放置一个高斯脉冲点源最为激励源,使用专业计算机进行数值仿真计算,我们将计算区域人为地分为近场和远场。近场采用时域有限差分法得到近场声场的声压幅度值;基于近场声场的计算结果,利用基尔霍夫积分可得到远场声场的声压分布。近场声场的数值解可通过可以随意移动位置的三个相互垂直的平面表示,且近场声压分布中,颜色不同,所代表的的声压幅度值不同;远场声场采用远场声压分布图和声场辐射波瓣图表示,其中远场声压分布图可以表示具体的远场幅值,远场波瓣图可以表征声场的方向性,应重点关注其外形。
  通过分析马来假吸血蝠耳廓不同的三维数字结构的计算结果,得到结论如下:马来假吸血蝠的耳屏及耳屏内的分叉结构不但会对近场声压幅度值的大小产生影响,而且对远场声压分布和形成远场接收方向性波瓣起一定的作用,且有明确的频率选择性。在对近场声压产生影响时,耳屏的影响对象主要是耳廓内的声压幅度值:高斯脉冲点源频率为低频和高频时,剔除耳屏后的耳廓内声压幅度值相较于原始耳廓结构中声压幅度值大且声压分布更均匀;高斯脉冲点源频率为中频时,剔除耳屏后的耳廓内声压幅度值相较于原始耳廓结构中声压幅度值小,并且原始耳廓结构内声压分布相对更加均匀。在对远场声压分布和远场接收方向性产生影响时,耳屏对声压分布和远场辐射波瓣图中主瓣和旁瓣的分布产生影响,高斯脉冲点源频率为低频和高频时,依靠拆分主瓣从而形成两个或两个以上的旁瓣来完成信号的调节;在高斯脉冲点源频率为中频时,信号的调节通过将能量较弱的旁瓣合并成为能量强的主瓣来实现。
[博士论文] 魏翀
海洋物理 厦门大学 2016(学位年度)
摘要:作为群居的海洋哺乳动物,齿鲸类拥有着与众不同且功能强大的生物声呐系统。其生物声呐系统经过自然界的长期演化和优胜劣汰,性能已高度优化。海豚的回声定位声波能够在百米内探测到厘米级大小的物体,并对毫米级厚度的金属目标做出辨别,此外还能在探测移动目标的时候对其波束特性进行调整,其性能远远优于目前世界上任何的人工声呐。其生物声呐系统卓越的性能引起了世界上声学研究者强烈的兴趣,不但使得齿鲸类生物声呐研究成为近年来生物声学界以及国际海洋声学界的焦点,还成为新型海洋技术开发值得关注的高新科技领域,对海洋珍稀哺乳动物种类的保护和发展仿生声纳技术具有极其重要意义。但由于生物声纳的研究属于声学、生物学、仿生学等交叉领域,加之生物声学机制的复杂性以及对活体生物实验研究的不确定性,使得此项研究成为一个极具挑战性的难题。随着近年来计算机科学以及生物医学影像技术的飞速发展,基于物理声学以及应用数学的理论数值模型模拟已经成为一种有效的工程分析方法被广泛地运用在生物声学的研究中,通过数值模拟的研究不但能够直观地揭示生物发声的复杂物理机理和过程,还能解决一些目前实测实验无法回答的难题,并对实测实验的展开提供理论上的指导。
  根据定位信号特征,一般在鲸豚声学研究中把齿鲸类分为两大类型:宽带定位信号型豚类和窄带定位信号型豚类。其中宽带定位信号型豚类的回声定位信号为简短的高频宽带脉冲,信号一般有4-8个周期,持续时间为40-70μs,而窄带定位信号型豚类的回声定位信号为高频窄带脉冲,信号的周期数一般不小于12个,持续时间一般都长于100μs。考虑到结论的适用性,本文的研究将以宽带定位信号型豚类中的宽吻海豚和白鱀豚,以及窄带定位信号型豚类中的鼠海豚和长江江豚为研究对象。首先对死亡动物的新鲜样本进行高精度的CT断层扫描,再对动物的头部组织进行物理特性测量,以此为基础重建动物头部的二维和三维模型,并利用有限元数值模拟的方法对信号在海豚头部产生、头部内部传播以及传送到头部外部形成高指向性声波的物理过程进行模拟和研究。
  论文主要包括以下几个方面的内容:
  1.阐述介绍海豚声学研究的相关背景以及数值模拟在鲸豚声学中的应用。
  2.通过对海豚头部样本的计算机断层扫描以及组织物理声学特性测量,对海豚的头部进行三维声学特性重建。
  3.利用有限元方法搭建海豚头部发声的数值模型并模拟海豚头部内部声波产生、传播到传送到头部外部形成高指向性波束的物理过程。
  4.揭示声波如何在海豚头部内部产生散射、折射和反射,以及形成头部内部的声通道并在头部外部形成具有特殊指向性的生物声呐超声波束的物理机理。
  5.通过数值模拟和相关实测结果的比较,以海豚发声的物理机理为基础,探讨海豚声源处原始信号的波形。
  6.通过建立不同的模型并进行比较,以此来揭示海豚头部复杂的生物组织结构在声波传播和波束形成的物理过程中如何相互调控,并对国际鲸豚声学领域关于海豚的额隆组织是否是头部波束聚焦的根本原因及额隆的具体功能这一具有争议的焦点问题提供直观的理论证据。
  本文的创新之处在于:
  第一,本研究首次发现了未成年长江江豚头部的额隆组织不存在诸如其他成年鲸豚类的额隆组织具有声学参数从内到外呈递增不均匀分布的现象。
  第二,本文首次运用动物离体实验、实测信号分析和数值模型相结合的方法,通过动物离体实验测得海豚的组织的物理特性参数,并以此为基础对海豚进行三维声学特性重建。再结合大量实测数据的分析比较,利用数值模拟的方法来对海豚生物声呐超声波束形成的物理过程进行研究。
  第三,本文首次根据海豚定位信号特性以及头部结构的不同把海豚分为两种类型豚类(宽带定位信号型豚类和窄带定位信号型豚类),并分析和比较了两种豚类不同喙部结构对其生物声呐超声波束形成的物理机理的影响。
  第四,本文首次基于海豚声源处振荡发声的物理机理,以大量相关的实测信号为参照,通过对声源信号的调试和反复计算对不同类型海豚声源处的原始信号进行还原。
  第五,本文首次揭示了海豚头部复杂的生物组织结构在其生物声呐超声波束形成过程中所起到的具体作用,并比较了各个组织的相对作用。结果显示,在超声波束形成过程中,气囊的作用在于促使声波向前传播,而头骨的作用在使声波保持在喙部以上传播。另外,本文首次深入到海豚额隆内部,直观的揭示了额隆组织在头部波束形成中起到相对较小的作用,额隆的功能在于引导波束方向和微弱的聚焦,以及在声信号从海豚头部有效传输进入水中起到阻抗匹配作用。
[硕士论文] 李琳
海洋物理 厦门大学 2015(学位年度)
摘要:声音已经贯穿于生物之间信息传达、嗓音医学、声乐艺术、语音识别、人工智能等众多领域中,是信息传递和科学探索必不可少的工具。然而,对于大多数哺乳动物包括人在内,声带组织振动是产生声音的根源。因而,研究生物的声行为具有重要的科学意义和社会价值。
  由于声带组织自身的非线性生物力学特性,以及声道中湍流的非线性压流关系,形成了生物发声的非线性特性。因此,对生物发声的非线性特性研究是探索生物声行为的重中之重。
  本文首先阐述了生物的发声机理和生物发声非线性特性的发展概况,介绍了研究非线性特性的常用分析方法。接着,围绕声带表面脱水、高压下的发音分岔以及四类信号三大研究热点,结合非线性时间序列分析、高速摄影成像技术以及双质量模型三种研究方法,分别探究上述三种情况下声带振动发声的非线性特性。
  对于声带表面脱水情况,高速摄影成像实验结果表明,随着脱水等级的增加,声门面积幅度和粘膜波幅度显著增加,而振动频率不发生显著变化。根据实际样本中声带长度和声门间隙等系统参数的变化,构建脱水状态下的非线性双质量模型。仿真结果显示,声门面积幅度与实验观测结果相一致。从而表明,声带表面脱水会对发声系统产生非线性影响。
  对于发音分岔情况,发音分岔是由于声带产生次谐波振动引起的,通过对次谐波的粘膜波定量分析来研究其非线性特性。MATLAB仿真结果表明,与传统的线性粘膜波拟合算法相比,我们所提出的最小二乘法与牛顿-高斯迭代法相结合的非线性粘膜波拟合算法,拟合优度均高于0.9,更适用于高阶次的次谐波粘膜波定量拟合。
  对于四类信号情况,根据Sprecher所提出的四类信号特征,分别采集四类信号的音频信号及其相对应的声带振动信号。通过时空分析考察了四类信号的振动模式特征。同时,引入非线性时间序列分析法中的关联维数和Kolomogrov熵,分别对四类音频信号和振动信号进行定量分析与分类。结果表明,与Kolomogrov熵相比,关联维数更能有效地对四类信号进行非线性定量分类。
[硕士论文] 李晨
电子与通信工程 山东大学 2015(学位年度)
摘要:听觉系统负责听力感知,而耳蜗是动物类(包括高级动物人类)听觉系统接收声音信息的重要感应器官。因耳蜗失去感音性功能所导致的重度感音性耳聋,会使得我们无法完成正常收音和语言交流。人工电子耳蜗基于电刺激原理,可帮助其在安静环境下实现正常语言识别,但在噪音环境下治疗效果并不理想,且精度受限无法识别更丰富的语音信号。其缺陷在于相邻电极间的干扰对会激发一大片听觉神经元;若两个电极刺激同一神经元群,这两个电极编码出的声觉信息将难以辨别,影响听觉感知。总的来说,电刺激的基本物理原理带来的空间选择性的限制,即使是最好的电极设计也无法克服。研究表明激光也可与耳蜗组织相互作用,引起神经冲动并诱发听觉反应。激光刺激的潜在优势为:刺激精确性高,与组织无接触,与电流刺激相比空间分辨率高。
  我们试图用激光代替电流,使用光纤传导脉冲激光刺激动物耳蜗。我们通过光谱分析方法选取了合适的波长,设计了一套诱发动物听觉的激光系统,对激光器进行驱动调制后可产生参数(能量、脉宽、重复率)可调的脉冲激光,并将其运用于诱发动物听觉。对豚鼠进行手术暴露出耳蜗,将光纤沿耳蜗开口导入正对耳蜗轴,脉冲激光经光纤对其进行辐照,通过电生理测量仪记录激光刺激引起的听性脑干反应(ABR)。我们分别对豚鼠进行声刺激和光刺激,探讨两种触发方式的异同,分析不同激光参数对听觉特性的影响并初步探讨了激光诱发听觉的刺激机理。
  利用光纤传导脉冲激光,通过光声物理实验验证了脉冲激光可产生光致声波,这种声波可以以一种声刺激的方式刺激耳蜗,引起基底膜振动进而诱发听觉;将脉冲激光辐照动物耳蜗组织,在合适的激光参数条件下,激光有效刺激动物耳蜗诱发了稳定的听觉反应,与声触发得到的反应类似,且长时间辐照未引起组织损伤。
  诱发听觉的效果高度依赖于合适的激光参数和组织形态。我们在实验中通过改变激光参数,我们的实验表明激光能量密度越高,ABR幅值越大,诱发的听反应越明显;激光脉宽对ABR幅值的作用不明显。激光对正常听力豚鼠的听力诱发可能是激光光致声波引起的声刺激和激光刺激耳蜗神经的神经刺激的共同作用。
  
[硕士论文] 刘慧华
动物学 华中师范大学 2014(学位年度)
摘要:外侧丘系腹核(ventral nucleus of the lateral lemniscus,VNLL)是中枢听觉通路的重要核团之一,也是下丘(inferior colliculus,IC)所接受上行输入的主要来源之一,在声信号加工、听觉上行传导以及IC神经元声信号检测方面发挥重要作用。本实验研究了小鼠VNLL神经元对声信号的特征检测,在电刺激VNLL条件下研究了VNLL上行输入对IC神经元声信号检测的影响,获得的实验结果如下:
  1.本实验记录了98个VNLL神经元对声信号的反应,其发放模式分为两种类型:起始型和持续型,其中起始型神经元的首次发放潜伏期(first spike latency, FSL)短于持续型神经元的FSL,且在声刺激强度增加时,起始型神经元FSL不缩短,持续型神经元FSL缩短,说明起始型神经元具有时间精确性。实验还比较了起始型和持续型神经元频率调谐曲线的锐化程度,发现它们的Q10和Q30值均无差异,说明VNLL神经元的发放模式与频率调谐能力之间不存在相关性。VNLL神经元的放电率-强度函数(rate-intensity function, RIF)分为三种类型,其比例由大到小依次为单调型、饱和型和非单调型。起始型神经元的动态范围(dynamic range,DR)小于持续型神经元的DR,说明不同发放模式神经元的强度调谐能力存在差异,这种差异与RIF的类型有关。此外,本实验还发现VNLL神经元的最佳频率与深度呈负相关,该结果支持VNLL具有音频组构的观点。
  2.电刺激VNLL条件下记录了85个IC神经元的声反应,其中受抑制IC神经元的比例最大,无影响IC神经元次之,受易化IC神经元最小。比较三类IC神经元的基本参数,发现它们的深度依次降低,FSL依次延长;统计电刺激位点VNLL神经元和记录位点IC神经元的FSL差,显示三类IC神经元FSL差依次增加,说明三类IC神经元的分布可能存在区域性。比较电刺激前后IC神经元强度调谐显示,受抑制IC神经元的RIF被抑制,DR缩短,斜率升高,说明VNLL上行输入增强了IC神经元的强度调谐能力。进一步分析显示,受抑制IC神经元的三类RIF均被抑制,且这种抑制作用随着声强增加而逐渐降低。电刺激前后无影响IC神经元的RIF没有明显变化,强度调谐能力也没有增强。比较电刺激前后IC神经元频率调谐发现,不论是受抑制IC神经元还是无影响IC神经元,它们FTC的Q值均未出现明显变化,表明电刺激VNLL对IC神经元的频率调谐不产生锐化作用,推测IC神经元的频率调谐可能是由VNLL以外的其他核团介导。
  
[硕士论文] 李娟
动物学 华中师范大学 2014(学位年度)
摘要:前掩蔽是一种普遍存在的听觉现象,在人和动物的声通讯和声方位辨别等方面起着重要作用。为了探讨前掩蔽的突触机制,本研究采用自由声场对声刺激方法,在31只昆明(Mus musculus,Km)小鼠下丘(inferior colliculus,IC)上做在体细胞内记录(in vivo intracellular recording),探讨了边带频率或偏离最佳频率(side-bandfrequency, SBF or off-best frequency, off-BF)声刺激和中心频率或on-最佳频率(centerfrequency, CF or on-best frequency, on-BF)声刺激激活的抑制性突触输入在前掩蔽中的作用及机制。获得的主要研究结果如下:
  1.实验共获得113个下丘神经元,对其中43个完整数据做了分析和讨论。根据神经元的兴奋性频率调谐曲线(excitatory frequency tuning curve,EFTC)侧边是否存在抑制区,将神经元划分为有侧边抑制区神经元(n=21)和无侧边抑制区神经元(n=22)两类,有侧边抑制区神经元又可分为3种亚型:低频边有抑制区神经元(n=12)、高频边有抑制区神经元(n=6)、双边均有抑制区神经元(n=3)。通过比较边带频率和中心频率对神经元的前掩蔽效应,结果显示,不管是有侧边抑制区神经元还是无侧边抑制区神经元,中心频率声刺激所致的前掩蔽效应强于边带频率(P<0.05);中心频率声刺激诱发的抑制性突触后电位(inhibitory postsynapticpotential,IPSP)时程比边带频率声刺激诱发的抑制性突触后电位时程长(P<0.05),可谓差异显著。在中心频率和边带频率声刺激掩蔽下,分别有51.2%和83.7%的神经元的掩蔽声诱发的IPSP时程要大于前掩蔽效应持续的时间。以上结果提示,边带频率和中心频率激活的抑制性突触输入介导了下丘神经元的前掩蔽,构成了前掩蔽效应的机制之一。
  2.为了进一步了解神经元对声刺激的反应模式与前掩蔽之间的关系,对所获得的神经元中50个神经元的反应模式做了分析,可分为起始型(onset,O)(n=37)与持续型(sustained,S)(n=13)两种反应类型,O型神经元仅对声刺激的起始爆发动作电位(action potential,AP),S型神经元的发放持续时间与声刺激时程相近。通过比较这两种反应类型神经元的前掩蔽效应,结果显示,O型神经元在声刺激间隔(inter-stimulus interval,ISI)比较小时,探测声上的反应可完全被掩蔽声掩蔽,而S型神经元则表现出较弱的前掩蔽效应,这说明O型神经元的前掩蔽效应要强于S型神经元。实验中还观察到神经元动作电位后跟随抑制突触后电位,O型神经元动作电位后跟随的IPSP时程也要大于S型神经元,但两组数据之间不存在显著性差异(P>0.05)。 O型神经元在ISI较小时(<10 ms)能将两个频率诱发兴奋性突触后电位(excitatory postsynaptic potential,EPSP)整合成AP,而S型神经元则能在更长时间内(ISI≤34 ms)将两个频率诱发的EPSP整合成AP。实验结果提示,由于O型神经元比S型神经元接收了更多的抑制性突触输入和具有更强的时相特性,从而使得O型神经元具有较强的前掩蔽效应;反之,由于S型神经元接受的抑制性突触输入较少也因此具有较低的AP发放阈值,更容易爆发AP。因此,抑制性突触输入直接参与了神经元的前掩蔽的形成。
[硕士论文] 任玥
生物医学工程 天津大学 2013(学位年度)
摘要:音乐作为一种重要的艺术形式,其美学价值受到广泛关注。长期的音乐经历过程,对于大脑的可塑性发展及各认知功能都有着积极影响。对于经过音乐训练的人群而言,存在一种特殊的记忆能力——绝对音准能力。自上世纪60年代电生理研究蓬勃发展以来,已有多项研究尝试利用脑电信号对绝对音准人群听觉响应机制进行探索,然而对于绝对音准人群听觉响应过程中是否调用工作记忆存储模式这个关键问题仍存在较大争议。
  为进一步探究上述问题,本文针对经过音乐训练与绝对音准两类目标人群,分别设置共四组单音刺激响应的odd-ball范式实验,并同步记录受试者64导联脑电数据,分析其事件相关电位(ERP)特性。实验1、2分别由两个正弦纯音和两个钢琴音色纯银构成;实验3、4分别由五个钢琴纯音和同频率的五个人声音色纯音构成,同时在实验4任务中引用了对于相同音频刺激使用不同音名反应的“首调模板”模式。ERP信号处理引入时频特征参数——事件相关谱扰动(ERSP),复杂度表征参数——小波熵值,以及脑部信息流向分析手段——时域格兰杰因果性分析,以期从多角度提取和分析绝对音准人群听觉响应的ERP特性。
  本文时域分析结果显示:经过音乐训练的人群由于对声音刺激较为敏感,在实验1和实验2次及相应潜伏期显著变短,但与作为对照组的相对音准人群相比,绝对音准人群对于实验3,4种纯音所构成的音频刺激产生P3成分并无显著性差异,表明该过程需要调用工作记忆更新模式;进一步通过视频特征分析发现实验3中,绝对音准人群在400ms-600ms时段内脑部多导联能量特征集中于13-18Hz,且与对照组相比出现了显著性差异,而这一差异却在实验4中消失,表明实验任务的不同会造成绝对音准人群对于脑区调用程度的改变;在小波熵值分析中,绝对音准人群在实验3中400-500ms时间段小波熵值显著低于对照人群,而在实验4中却明显高于对照人群,表明“首调模式”的引入提高了绝对音准听觉响应的脑内复杂度;在格兰杰因果分析中,绝对音准人群脑内信息流相对于普通人群具有显著小密度特征。上述ERP特性分析结果有望对于进一步解释和揭示绝对音准的生理机制产生积极作用。
[硕士论文] 苏丽晔
基础医学;生理学 中国医科大学 2013(学位年度)
摘要:目的:
   在自然界中,带有生物学意义的声音大多具有随时间变化而变化的特征。人类的语言和动物的呜叫声就是典型的例子。这些声音中通常含有周期性的或类周期性的重复节律。这样的重复节律往往可以传递重要的语言信息。近几年一些研究者利用一个由多个短促的click音(长度小于1毫秒)构成的声音串(click-train)来模拟声音的重复节律信号。通过研究听皮层神经元对此类click-train音刺激的放电反应特性,可以揭示听觉系统对声音时间信号的编码机制。
   早期文献报道当click音重复率低于30-50Hz时,神经元表现出与click音刺激同步的放电反应。也就是说,每一个单个的click音就会刺激神经元出现一次或几次放电活动;连续周期性重复的click-train音刺激就会刺激出一连串相同周期性重复的神经元放电。这种反应模式被称为时间编码方式。近来有学者通过研究绒毛猴听皮层神经元对click-train音刺激的放电反应,发现了另一种被称为非同步化反应的反应模式。即神经元放电的发生和click音不存在时间上的一致,在整个声音刺激时间段内神经元放电活动都会持续地发生,且它们的平均放电率与click-train音刺激的重复率具有一定的相关性。神经元用平均放电率来体现click-train音刺激的重复率的反应方式被称为频率编码方式。
   相关文献报道当记录位点沿着绒毛猴听皮层尾-鼻轴移动时,神经元的反应会出现同步化和非同步化之间的一个转变。在初级听觉区,神经元的放电-刺激同步化和非同步化反应均能观察到,但是在非初级听觉区(偏尾侧部)同步化反应减弱,而非同步化反应更为多见。由此可知,非初级听觉区的神经元更多地依赖放电频率编码方式对声音信号的时间信息进行编码。但是这种编码方式转变的现象在其他物种中还未曾发现。
   在听觉神经科学研究中,大鼠是一种重要的实验模型,但大部分有关听皮层电生理的数据都是在大鼠麻醉状态下收集到的。已有研究发现麻醉处理会改变听皮层神经元的放电反应模式,尤其会抑制非同步化反应。因此,本实验研究了觉醒大鼠听皮层神经元对于声音刺激重复率相关信息的编码方式,以探究觉醒大鼠初级听觉区(A1区)和非初级听觉区的偏尾侧部(PAF区)的神经元是如何编码声音时间信息的。
   方法:
   1、手术过程
   将大鼠全身麻醉后,置于脑立体定位仪上,暴露前囟和颞骨,定位标记听皮层区域,并安装头部固定器。待大鼠完全清醒后,置于特制的清醒大鼠固定器上,在标记过的听皮层区域颅骨上钻孔,插入记录电极至大鼠听皮层。
   2、声音刺激与数据记录
   通过开放式音箱给予声音刺激。先用纯音刺激探查神经元反应情况,然后将不同重复率的click-train音刺激随机播放,与此同时记录听皮层神经元的反应。
   3、数据分析与处理
   根据解剖学位置和神经元对纯音刺激的反应特性,分别将神经元归于A1区和PAF区。采用MATLAB软件分析处理实验数据。
   结果:
   1、听皮层神经元对click-train音的反应
   我们发现大鼠听皮层中有一类神经元同时运用放电时间和平均放电率两种编码方式对click音重复率进行编码;另有一类神经元单纯用平均放电率来表现click音重复率。除此之外的神经元,其放电时间和平均放电率都不能有效地编码click音重复率。
   2、A1区和PAF区神经元反应的比较
   (1)同步化程度
   对于具有重复性的刺激,A1区神经元的同步化能力比PAF区神经元高,所以A1区神经元主要依靠放电时间对声音的重复率进行编码。
   (2)放电频率编码方式
   A1区神经元的放电频率不能有效地编码具有较高click音重复率的click-train音(≥64Hz),而PAF区神经元能更好地编码这些高重复率的click-train音。
   (3)不同类型神经元的构成比例
   A1区的同步化神经元的比例高于非同步化神经元(74% vs.26%),而PAF区中,同步化神经元的比例低于非同步化神经元(46% vs.54%)。所以PAF区有更多的神经元单纯依赖于放电频率的编码这种非同步化方式对click音重复率进行编码。
   结论:
   A1区神经元多表现为同时用放电时间和放电频率两种方式对较低的click音重复率的click-train音(≤32Hz)进行编码;在PAF区,神经元的时间编码能力大大减弱,而且无论编码低重复率还是高重复率时都更多地依赖于频率编码方式。
[硕士论文] 颜振
声学 山东大学 2012(学位年度)
摘要:本文通过研究运用数值模拟方法得到的蝙蝠耳瓣声场波束方向图,通过分析不同蝙蝠声场波束的共性及特性,在全局的角度细致探讨蝙蝠生物声纳声场波束形成的特点。
   为提高信号的信噪比,保证信号传输过程中的可靠性,智能天线技术成为近年移动通信领域中的一个研究热点。而波束形成是智能天线中的关键技术之一。现在智能天线一般通过阵列天线的相位调制,进行声场波束的调制。而蝙蝠的耳瓣仅通过单个天线对声音的反射,即达到声场形成的目的,这为设计新型智能天线提供了一个非常好的依据。但蝙蝠耳瓣在形态上千差万别,如何选取具有特定功能的形状是非常重要的一个课题。这首先需要对蝙蝠声场波束进行分析,得到本征波束以及人工合成特定声场波束的方法,在分析本征声场波束与外耳形态的对应关系后,最终达到设计新型智能天线目的。
   蝙蝠外耳的复杂结构是蝙蝠调解波束的重要手段。由于其过于复杂,通过蝙蝠外耳形状得到声场解析解不太可能。但通过数值模拟可以得到近场声压数值解,进而得到声场波束远场方向图。本项研究选取了50种蝙蝠分别计算其外耳在其所用频率下的声场波束。由于很多蝙蝠属于变频(FM)蝙蝠,所用频率属于宽带,每种蝙蝠我们在其发声范围选取步长相等的十个频率进行计算。在进行声场指向调整,球面小波压缩后,运用主成分分析的方法求得蝙蝠声纳平均波束以及本征波束。通过改变本征波束权重对声场波束的影响,分析本征波束的物理意义。根据不同蝙蝠声场波束在本征波束空间中的分布特点,分析蝙蝠生物声纳功能特性的一般特点,在声场波束形成这一功能性方面分析生物声纳波束形成的一般规律。并在平均声场的基础上加上不同权重的本征声场合成人工声场波束。解决声场波束形成问题。
   从平均声场波束来看,蝙蝠平均声场波束为单一指向的简单结构,随频率增加伴有轻微收束现象,而随频率增加的收束是所有天线系统的共有特性。根据平均声场波束叠加不同权重的本征波束得到的变化规律。研究发现,第一本征波束代表波束宽度,即第一本征波束权重增大将导致波束宽度变宽。第二本征波束代表旁瓣大小及收束特性,即第二本征波束权重越大,旁瓣越大,随频率增大的收束现象越明显,当第二本征波束为负值时,不表现这些特性。由不同蝙蝠声场波束在本征波束空间中的分布,得到蝙蝠根据声纳信号分类出现聚集性的特点。根据在本征空间中,距离远近表示其相似性程度,以及第一本征波束的物理意义,得到恒频蝙蝠波束宽度较窄,聚集程度较高,调频蝙蝠波束宽度较宽,聚集程度较低,具有多样性的特点。将本征声场波束根据不同权重系数并与平均声场波束进行叠加,即可产生特点形状的波束。也可设计特定形状波束,与本征声场波束内积得到其权重系数。如下一步计算得到本征波束与本征外耳形态的对应关系,即可用于设计具有特定声场波束的天线。
[硕士论文] 王猛
机械电子工程 南京理工大学 2012(学位年度)
摘要:关心和帮助盲人是社会文明进步的重要标志,利用仿生原理开发一种实用、低廉、便携导盲器材是帮助盲人的新的技术手段。本文基于国家自然科学基金研究(编号:60772004),针对目前超声波导盲器材提供的信息量少、价格昂贵等问题,提出了一种新型的仿蝙蝠声纳导盲仪,该导盲仪吸收了蝙蝠声纳的优点,对物体的距离、方位、大小、形状等均有较好的体现。
   本文分析了蝙蝠声纳的基本特征,论证并设计了以DSP为核心、双通道采集、立体声输出方案,制作原理样机并开展了相关试验。首先,在分析蝙蝠声纳脉冲特点的基础上,模拟蝙蝠声纳脉冲的基本形式,设计了恒频(CF)和调频(FM)两种探测波源;然后针对回波信号降频输出的问题,提出了等比例降频方法,并使用信号重构的方法解决了等比例降频方法中有效信号频率集中、播放时间短两个关键问题,保留了有效信号的幅值变化,提高了不同物体的回波信号特征的区分度;此外,还设计并制作了声纳导盲仪的全套软硬件,包括回波信号发射接收模块、DSP主控模块、音频DA输出模块、电源模块、波源数据产生与输出程序、双路回波信号采集程序、音频信号输出程序、信号重构算法程序、键盘功能程序等。
   本论文设计制作的声纳导盲仪经测试表明:信噪比较高、探测距离可达8m、探测广角约为34。、探测物体分辨度可达1.5cm。与现有装置最大的区别是该装置对物体的距离、方位、形状等特征均有较好的复现能力,具备了较好的导盲潜力。由于本研究处于该研究领域的前沿,其研究结果对导盲技术和生物声纳技术研究具有参考意义。
[硕士论文] 李婷
生理学 华南师范大学 2010(学位年度)
摘要:鸟类是除人类以外具有最复杂发声行为的动物,了解鸟鸣与行为的关系及不同鸣声的生物学意义,是鸟类生态学研究的重要内容之一,并且鸟鸣的研究为揭示人类语言形成提供了良好的模型。鸟鸣研究是当今神经学领域研究语言产生、探索脑学习记忆神经机制的热点领域之一。
   本研究利用电刺激损毁与声谱分析相结合的方法,研究成年斑胸草雀(zebra finch,Taeniopygia guttata)正常鸣唱与损毁弓状皮质栎核(robust nucleus of the arcopallium,RA)和中脑丘间复合体背内侧核(dorso medial nucleus of the intercollicular complex,DM)后的差异,用声谱软件进行分析,做出时间波形图、语图、频率谱图。通过分析单独损毁左右两侧RA和DM核团前后的鸣曲声学结构的变化,探讨RA和DM核团在鸣禽发声过程中的调控模式,为进一步揭示鸣禽发声的神经机制提供证据。
   成年雄性斑胸草雀自然状态下鸣曲结构复杂,通常由1-3个序幕音,2-8个短语组成,每个短语可包含几个相同的音节,每个音节多具快速频率调制特性。鸣曲频率范围为 269~16650Hz,能量集中在2958~4744Hz,相对幅值在-15.9 dB~-3 5.6dB之间。
   损毁左侧RA后,主频率(principal frequency,PF)、相对幅值(relative amplitude,RA)与品质因数(quality factor,Q6dB)分别下降1.5%、5.3%、7.3%,高端频率(high frequency,HF)升高了2.6%,经统计学检验,手术前后这四项声学参数均无显著差异(p>0.05)。低端频率(low frequency,LF)升高了87.5%,经统计学检验,手术前后有显著性差异(p<0.01)。损毁左侧RA后,鸣曲无论是在音调、响度还是在音色方面均没有发生变化。损毁左侧RA对鸣曲无明显影响。损毁右侧RA后,与损毁左侧RA后的情况明显不同,由悦耳动听的鸣曲转变为一连串颇有规律的单音节叫声,快速频率调控能力丧失。PF、相对幅值、Q6dB分别下降了24.9%、186.5%和45.8%,LF和HF升高了24.2%和4%。除HF外,其它参数在手术前后均有极显著差异(p<0.01)。即损毁右侧RA后,鸣曲无论是在音调、响度还是在音色方面均发生了明显的变化。
   损毁左侧DM后,经统计学检验,PF、Q6dB这两项声学参数与正常组相比无显著差异(p>0.05)。而其它三项声学参数RA、LF、HF手术前后有显著性差异(p<0.01)。损毁右侧DM后,鸣曲转变为带有序幕音的一连串颇有规律的叫声,快速频率调控能力丧失。PF、相对幅值、Q6dB分别下降了7.3%、22.1%和38.4%,LF和HF升高了88.7%和19.1%。其重要参数在术前与术后均有极显著差异(p<0.01)。即损毁右侧DM后,鸣曲无论是在音调、响度还是在音色方面均发生了明显的变化。
   对比不同侧核团损毁对鸣曲造成的影响,表明斑胸草雀脑鸣唱控制核团确实存在“右侧优势”现象。
[硕士论文] 夏长君
环境科学 东北师范大学 2010(学位年度)
摘要:2007-2009年,我们在吉林省左家自然保护区采集了普通鳾(Sitta europaea)生活史不同阶段的不同行为状态下的野外鸣声,并利用声音分析软件进行了鸣声声谱分析,结合普通鳾野外不同鸣声出现的时期和行为状态,初步探讨了其主要鸣声的声谱特征及生物学意义。
   普通鳾生活史不同阶段的主要鸣声按音节类型可分为11种:diu音、dui音、lui音、vi一声、vi二声、vi四声、vi快声、zi正音、zi倒V音、ji音、ri音,由diu音、dui音、vi二声、vi四声、vi快声和zi正V音构成的鸣声较为常见。普通鸭可发出由不同数量的音节重复构成的不同的鸣叫型,本研究中统计到普通鳾可发出由11个基本音节构成的11种鸣唱型,11种鸣唱型包括33种长短不同的呜叫语句,其鸣唱复杂性的表现形式属于平稳过渡型。
   普通鳾各鸣声基本声学参数特点:①lui音、vi快声音和ji音为较急促的鸣声,音节间停歇时间(Is)值较小,Is相对较长的鸣声包括zi正V音、zi倒V音和ri音;②dui音的音段持续时间(Lss)较长,Lss值较大,且音段内音节数较多,而zi倒音和ji音的音段持续时间较短,Lss值较小;③各鸣声的频率、频率范围及其分布存在一定的差异。zi正V音、zi倒V音和ji音发声频率相对较高,最高频率(Hf)值较大,三者均值都超过10000Hz;④zi正V音、zi倒V音、ji音及ri音频率范围位于中高频区,鸣声主要能量也分布在较高频率上,MPF值相对较大,而其它八种鸣声的能量则靠近最低频率一侧;⑤diu音和ri音鸣声中均无谐波存在,vi二声音具谐波的几率最大。
   普通鳾各鸣声声谱特征:①声谱图上的基本音(BS)均显著;②diu音和ri音的声谱图均为单纯基本音,其它种类鸣声的声谱图为多谐谱(多条频带),除基本音外,还具有若干行陪音位于基本音之上;③各鸣声的音节形状彼此不同;④多数鸣声的功率谱主能峰突出。
   diu音Dui音都是普通鳾的常见鸣声,见于繁殖期和非繁殖期,鸣声出现时,往往伴随同种个体相同的应答声,其生物学意义是保持不同个体间的通讯联系,另外,也是其警戒的鸣声之一,但在警戒时相对于未受干扰时急促。lui音主要出现在普通鳾的繁殖前期的求偶、筑巢和产卵阶段,孵化阶段偶尔出现,但进入育雏期后不再出现,是普通鳾求偶的主要鸣声。vi一声主要见于繁殖前期的求偶和筑巢阶段,偶尔出现在产卵阶段和孵化阶段,是普通鳾求偶的另外一种鸣声。vi二声、vi四声和vi快声出现在繁殖期的不同阶段,但在产卵和孵化阶段出现的最为频繁,而且该鸣声出现时,往往伴随配偶的相同的应答声,尤其当人或其它鸟类等进入其巢区时最为明显,这三种鸣声可能与普通鳾的求偶、繁殖期配偶的维持及配偶间的联系有关。zi正V音、zi倒V音、ji音和ri音四种鸣声繁殖期和非繁殖期都有出现,在普通鳾取食、个体间的互相追逐、繁殖期亲鸟回巢送食和冬季集群时都会发出该种鸣声,是保持不同个体间的通讯联系的一种鸣声。
   对普通鳾求偶期、筑巢期、产卵期和孵卵期的dui音,及筑巢期和产卵期的vi二声、vi四声、vi快声音进行了比较,结果表明,仅dui音音节间停歇时间(SD)在求偶期与产卵期间存在显著差别,其它各声学参数都不存在显著差异。
[硕士论文] 廖从舒
生理学 华南师范大学 2010(学位年度)
摘要:成年雄性斑胸草雀是一种鸣唱学习临界期型鸟,其鸣曲学习与人类语言学习的机理相似,因此作为研究语言学习记忆的理想动物模型。研究发现,ZENK 蛋白(属于 IEG 即刻早期基因家族)与鸣禽鸣唱行为有关,并且在鸣禽前端脑通路的鸣唱核团X区中表达最高,X区主要是对于成年雄性斑胸草雀鸣曲的产生起整合的作用。国外大多数实验室的研究表明,斑胸草雀存在中枢控制右侧优势。成年后的雄性斑胸草雀能够通过听觉反馈来保持稳定的鸣曲,一旦听觉反馈受到影响会导致鸣曲的去稳定化。研究表明,切断成年斑胸草雀右侧鸣管神经并进行听觉隔离后会导致成年鸣禽鸣曲去稳定化。本实验通过切断成年斑胸草雀左右侧鸣管神经并将其听觉隔离,进行免疫荧光反应实验,观察X区中ZENK蛋白表达的变化,研究ZENK蛋白在X区中的表达与成年雄性斑胸草雀鸣曲稳定化之间的关系。
   研究发现:无论断左侧还是右侧鸣管神经,鸣禽仍能发声并且进行鸣唱,从而验证了鸣管神经可以单侧支配鸣禽的发声;同时切断双侧鸣管神经后,成年斑胸草雀只能进行简单的鸣叫,叫声的成分单一;断左侧或者右侧鸣管神经一周后,成年斑胸草雀的鸣曲都能发生去稳定化,对鸣曲的参数进行比较之后发现,断右侧鸣管神经对鸣禽鸣曲的影响较大,更进一步证明了成年斑胸草雀鸣唱的右侧鸣管神经支配优势;对正常的以及断左右侧鸣管神经的斑胸草雀X区进行免疫组化实验,检测其X区中ZENK蛋白的变化。结果发现,正常的斑胸草雀左右侧脑X区 ZENK 蛋白的表达侧别差异不明显,而单侧鸣管神经受损之后,左右侧X区中ZENK蛋白的表达量都明显减少,但呈现较明显的右侧优势,即右侧脑X区ZENK蛋白的表达量相对较多,意味着右侧脑X区ZENK蛋白的表达也存在右侧优势。
   本研究为鸣禽发声支配的脑侧别优势提供了证据。
[博士论文] 张新安
生理学 中国医科大学 2010(学位年度)
摘要:前言:听觉是人体一项非常重要的感觉功能。听觉功能包括两个部分,一是声音的感知过程,即感知声音的存在;二是判断出声音所携带的生物学信息,即声音的认知过程。如果声音的感知过程出现了障碍,就无法感受声音的存在;如果声音的认知过程出现了问题,就无法理解声音刺激的意义。
   多年来,听觉神经科学相关的研究大多集中于对声音感知机制过程的探索,而对于声音认知行为过程大脑皮质神经机制的研究还很少见。传统的研究动物皮层功能的方法一般是将动物全身麻醉后,实施手术,暴露颅骨并打孔,将微电极插入皮层相关区域,记录大脑皮层相关区域神经元的放电活动。通过研究神经细胞对各种声音的反应情况,来探讨声音在脑内的表达及传递机制。由于没有结合动物行为学方面的实验,因此,关于对声音认知的中枢机制还所知甚少。近年来,已有研究报道在动物完全清醒的条件下,记录听觉皮质神经细胞的电活动。利用这一技术可以发现许多在麻醉动物观察不到的听觉神经机制,目前这一技术已经逐渐成为国际上听觉皮质研究的主要手段。但是通常在实验时动物必须被固定在实验台上,被动地感受声音刺激,并没有观察动物根据接收到的声音信息做出主动的行为反应。在这种条件下,我们仍然不知道动物是否真正能够识别不同声音,以及其识别能力如何,这些神经生理学实验结果还不能用来恰当地解释声音认知行为。解决这一问题的关键在于,如何实现在同一动物个体上即做电生理记录,又进行听觉心理实验。正如美国的Cohen等最近提出的“直接研究神经元电活动和动物听觉行为反应的相关性是声音认知研究未来发展的一个重要方向”。
   调频和调幅是声音两个最基本的变量参数,正因为声音有着调频和调幅的性质,才有不同的声音出现,包含着不同的信息。因此,有关调频、调幅音认知方面的研究是当今心理行为学以及听觉神经科学研究的重点。
   本研究是将动物大脑皮层神经元反应情况与其行为学观察结合起来进行研究,旨在揭示动物听觉认知功能的神经机制。研究采用训练猫对不同的调频音或调幅音认知并做出相应的行为学反应,在此基础上,记录听觉皮层神经元放电,研究其反应规律。本研究的意义在于力图回答大脑为什么能够听懂调频与调幅音信息并做出相应的反应,即认知行为的神经机制这一神经科学命题。其成果不但对听觉神经科学的发展具有重要的理论意义,还将有助于为寻找感觉性失语症等听觉语言相关疾病的康复治疗方法提供实验依据。
   方法:
   1、心理行为学训练:整个动物的心理行为学训练均在隔音屏蔽室内进行,采用给声摄食的条件刺激进行听觉刺激的识别,猫禁食2-7天,体重减轻至原体重的80%时,即开始行为学训练,训练在计算机软件的控制下,通过数模转换器向发声器传递发声信息,一对校准喇叭放在行为学训练笼的外面,喇叭距离猫双耳25cm左右。屏蔽室内放置监视器监控猫的位置及活动。猫首先通过训练听到声音后反射性的舔金属给食管,电脑感应到猫前来舔食后发出给食指令,给食泵随即推出一滴液体食物。经过约一周的训练,猫能够形成较为稳定的条件反射。然后,训练猫区分调频或调幅音。
   (1)调频音的训练条件:调频音的频率范围是128-16,128 Hz,持续时间为160ms,声音开始/结束时的上升/下降时间为5ms。调频音每次刺激由3部分组成,前一部分总是持续160ms的升调(upward FM-sweeps,简称U stimuli),中间为250ms的时间间隔,最后为持续160ms的升调或降调(downward FM-sweeps,简称D stimuli)。当受试猫在听到先升后降调的刺激(UD stimuli),即靶刺激时,舔给食管给食;在两个都为升调的刺激(UU stimuli),即非靶刺激时,不给食。因此,猫会有四种表现,即UD刺激时舔给食管(hit)、UU刺激时不舔给食管(correct reiect)、UU刺激时错误地舔管(false alarm)和UD刺激时错失机会(miss)。在本实验中,UU和UD刺激是等概率随机给出的,每100次测试组成一个测试组。一般情况下,猫每天可以完成2-4个测试组的训练。直到猫经过1-2月(约5000-6000次刺激)的训练能够得到较为稳定的行为学表现为止。
   (2)调幅音的训练条件:调幅音包括声音逐渐增大的Ramp音和声音逐渐减小的Damp音,Ramp音的幅度是从零开始随时间线性增大至声音结束,而Damp音恰恰相反。其中两个时间间隔为250ms的Ramp音为靶刺激音,而两个时间间隔为250ms的Damp音为非靶刺激音。最初选择4kHz的调幅音,持续时间为160ms,待猫学会4kHz调幅音的区分后,改变刺激频率(1k,2k,8k,16k)进行上述训练,直到猫能够稳定的识别刺激持续时间为160ms的调幅音为止。
   2、心理行为学测试:在猫学会区分持续时间为160ms的调频音(d'值大于2)之后,用160,80,40,20,10ms五种持续时间不同的声音随机刺激,记录测试结果。在猫学会刺激频率为4kHz,持续时间为160ms的Damp/Ramp音的识别后,用80,40,20,10,5,2.5ms六种持续时间进行检测;用同样的方法,改变刺激频率,分别采用1k,2k,8k,16kHz进行上述测试,记录检测结果。
   3、初级听觉皮质神经元放电的记录:将饱食后的猫装在一个大小合适的棉口袋里,通过埋植在头顶的固定金属块固定,在A1区域,用牙科钻在颅骨打孔(直径0.5-1mm),金属电极刺破硬脑膜,远程控制的微操作推进器将单个树脂绝缘的钨微细电极插入大脑皮层。用128-16,000Hz之间各种声音强度的短纯音刺激了解电极记录的神经元的特征频率,然后采用上述测试条件的调频、调幅音刺激,记录实验结果。每天记录神经元3-5个小时,共持续记录2-6个月。记录期间,在猫的前面放一个摄像镜头以监视猫的状态。如果猫在舒适的体位收听声音刺激,可以保存记录的结果,如果猫处于不安静状态或者入睡状态,可以通过打开/关闭屏蔽室的门或者遥控的轻拍装置对猫进行警告。
   4、数据分析:所有的数据均采用MATLAB(MathWorks)进行统计学分析。
   结果:
   1、猫认知调频、调幅音的行为学特点猫可以识别持续时间较长的调频音(160,80,40ms)和调幅音(80,40,20ms)的频率及振幅的变化,但随着声音持续时间的缩短,识别能力会逐渐降低。当调频音持续时间小于或等于20ms,调幅音持续时间小于等于10ms时,猫难以对其进行识别。
   2、单个神经元编码调频音的特点
   (1)升调和降调刺激反应的潜伏期存在着明显的差异。在持续时间为160ms的升/降调刺激时,降调与升调的反应潜伏期比较,二者存在明显地差异(p<0.01),这种差异随着刺激持续时间的缩短也相应地减小,在持续时间为10ms时,两者没有统计学差异。
   (2)特征频率为低频的神经元,在升调刺激时较早出现反应,而降调刺激时反应出现较晚。特征反应频率在高频的神经元,反应时间与前相反。
   (3)大脑听觉初级皮质的神经元有两种不同的方法对调频音进行编码。一个是升/降调反应的潜伏期的差别(瞬时编码);另一个是由于放电频率大小不同(放电频率编码)。随着声音刺激持续时间的缩短,瞬时编码与放电频率编码的区分能力均减弱,这与行为学结果是一致的。然而,在区分调频音方面瞬时编码比放电频率编码更好,表明瞬时编码比放电频率编码更可靠。
   3、总体神经元编码调频音的特点根据反应的潜伏期,我们将第二个调频音的刺激开始对齐,将291个神经元分成两组:72个神经元反应潜伏期短(<25ms);其余219个神经元以反应潜伏期依次增加,将其按照潜伏期由小至大的顺序将神经元反应进行排列,形成一条清晰地神经元反应的轨迹曲线。部分神经元对升/降调刺激的开始总出现反应(排在图底部),可以用来确定刺激反应的开始。这样的总体反应模式可能是猫区分不同音调变化调频刺激的神经机制之一。
   4、两种神经元反应模式及其编码调幅音的特点
   (1)一般来说,对声音的刺激,在初级听皮层记录的神经元会出现两种反应模式,即有些神经元的反应持续时间较短,称为phasic反应模式;有些神经元反应持续时间较长,称为tonic反应模式。Phasic反应主要通过声音的开始/结束反应来区分,而tonic反应主要通过持续反应对声音大小的变化进行细微瞬时编码。
   (2)Tonic神经元反应与行为学结果有显著的相关性(P<0.01),提示Ramp/Damp音的瞬时振幅变化信息可能包含在tonic反应的瞬时放电频率的变化中。与之相比,phasic神经元反应除了160ms的窗口,没有发现与行为学反应之间存在着显著相关性,表明对于大脑初级听觉皮质神经元区分调幅音来说,tonic神经元参与意义更大。
   结论:
   1、猫可以识别持续时间较长的调频音或调幅音,但随着声音持续时间的缩短,这种识别能力会逐渐降低。
   2、调频音可以诱发A1不同神经元产生瞬时反应。升调诱发的反应,低频率神经元先反应,高频神经元后反应;降调诱发的神经元反应与上述相反。
   3、将A1区神经元以反应潜伏期为序进行排列,其反应模式与猫的行为学表现是一致的。这可能是区分调频音音调变化方向的中枢机制。
   4、猫能够对一定刺激持续时问的瞬时调制的调幅音进行行为学识别,随着调幅音持续时间的缩短,识别能力逐步下降。其神经元反应模式能够解释这种行为学的变化。
   5、调幅音的行为学识别需要神经元功能各异的细胞群的作用:非同步的tonic反应模式能够在声音刺激中实现轻微的幅度调制。同步的phasic反应模式可以体现振幅的突然地改变尤其是在声音结束时的变化。
[硕士论文] 周晓密
针灸推拿学 辽宁中医药大学 2009(学位年度)
摘要:目的:在以往声测经络研究的基础上,应用经络输声系统对手三阳经、手三阴经五输穴进行频谱分析,得出手六经的特征性振动频率,探讨经脉线组织结构声学特性,为经络实质的研究提供证据。
   材料与方法:本实验选健康成年人,男12人,女18人,首先应用经络定位仪定位手三阳经、手三阴经五输穴位置,然后YE1311型信号发生器产生0~100Hz的白噪声带正弦波激振频率进行线性自动扫频,应用经络输声系统由各经井穴输声,并在荥穴、输穴、经穴、合穴及各穴对照位置采样,进行频谱分析,从而得出手六经特征性振动频率。
   结果:
   1.由手三阳经、手三阴经各井穴输声在相应五输穴上可以记录到声信号,阳性率在90%以上,而在五输穴左右对点上,声信号的出现率仅为15.8%~43.3%,这个数值与五输穴上声信号的出现率相比,差异非常显著(P<0.01)。说明手三阳经、手三阴经在声信息传导中具有循经性。
   2.手三阳经、手三阴经的各经五输穴之间频率没有显著差异(P>0.05)。说明当激发各经井穴时,声信号可循经传导。
   3.手三阴经、手三阳经左右两侧同名穴位之间频率均没有显著差异(P>0.05)。
   4.手三阴经与手三阳经相表里两经的频率之间有显著差异(P<0.01),且得出各经的特征性振动频率的均数:肺经的均数约为28.674±4.356Hz、大肠经的均数约为31.291±5.239Hz、心经的均数约为25.385±5.239Hz、小肠经的均数约为30.531±5.033Hz、心包经的均数约为29.081±4.414Hz、三焦经的均数约为32.136±4.354Hz。
   结论:
   1.经脉声信息的传导具有循经性。
   2.手三阳经、手三阴经的特征性振动频率范围是24Hz~33Hz。
   3.手三阳经的特征性振动频率大于手三阴经的特征性振动频率。
   4.手经经脉的特征性振动频率与肌肉筋膜结缔组织固有频率相近,声信号在经脉传导的物质基础可能与肌肉筋膜结缔组织相关。
[硕士论文] 汪宏
声学 同济大学;同济大学理学院 2009(学位年度)
摘要:时变信号响度感知特性的研究日益受到人们的重视,而声压级连续变化的 单音信号的瞬时响度感知特性和复音信号的总体响度感知特性是获得时变信号 响度感知特征的基础。各国科研工作者从不同角度进行了研究,但这些研究一 方面缺乏系统性,另一方面所得到的结果也存在较大的差异。本文对时变单音 和复音信号的响度感知特征进行了系统的研究,以获得其变化特征和规律,为 时变信号响度特征的完整描述建立基础。 论文的工作得到以下结论和创新点: 对于声级连续变化的单音信号的响度感知特性,采用幅值估计法,对实验 数据进行了归一化处理。通过对声压级连续变化的三种频率(500Hz、1kHz和 2kHz)的单音信号的研究后发现,当声压级连续增大时,对信号的响度感知会 存在过重振现象;而当声压级连续减小时,对信号的响度感知会存在反重振现 象。两种现象出现的起始声级都与幅值估计时间间隔和声级变化斜率有关,其 中,反重振现象的起始声级随着幅值估计时间间隔的增加和声级斜率的增大而 降低,过重振现象则刚好相反。 通过对响度感知随幅值估计时间间隔变化规律的深入分析发现,无论是声 级连续降低还是连续增加的单音信号,当信号的连续两次幅值估计之间声级差 相同时,其响度的主观评价结果相同。由此得到了幅值估计声级差是时变响度 感知的关键影响参量的结论,并进一步提出了1kHz时变单音信号响度感知变化 的数学模型。 论文分析比较了声级连续变化的单音信号与跳变信号及猝发声响度感知的 差异。结果表明,声级连续变化的单音信号的响度感知与具有相同声级差的跳 变信号的主观评价结果存在较大差异,跳变信号的主观评价结果与猝发声的评 价结果相同。 研究了声级变化信号响度感知的不对称性。结果表明,对于具有相同幅值 估计时间间隔、相同斜率的声级连续递增和声级连续递减的1kHz和2kHz信号, 声级递减信号的响度变化要大于相应频率的声级递增信号的响度变化,而对于 频率为500Hz的信号,声级递减信号的响度变化与声级递增信号的响度变化之 间的关系难以确定。研究结果表明了,时变信号响度感知存在明显的不对称性, 并且与频率的关系复杂,需要进一步深入的研究。 采用响度匹配法对复音信号的响度感知特性进行了研究,结果显示,对于 几何中心频率为1kHz的双音复音信号、载频为1kHz的调频信号以及载频为 1kHz的调幅信号,信号的响度感知随频率间隔或调制频率的变化特征都以临界 带宽为界。当双音的频率间隔或信号带宽小于临界带宽时,信号的响度感知都 与频率间隔或调制频率无关,而当频率间隔或信号带宽大于临界带宽时,信号 的响度感知都随频率问隔或调制频率的增大而增大。由此,修正了前人对双音 复音信号的研究结论,提出了双音复音信号响度感知变化曲线为折线的观点一 在临界带宽以下为与频率间隔无关的水平线,其后为随频率间隔线性增长线。 论文通过对渐变段的数据分析,提出了响度感知渐变段的数学函数描述。 对于调幅信号的研究结果还表明,信号的响度感知与调制深度有关,当调 制深度增大时,对信号所感知的响度也增大。 论文最后根据研究感想,从信号声级范围、频率、带宽等方面提出了需要 进一步深入研究的内容,这些也是本文的不足所在。 关键词:响度,时变,连续变化,过重振,反重振,复音
[硕士论文] 朱旭
环境科学 东北师范大学 2008(学位年度)
摘要:马铁菊头蝠(Rhinolophus ferrumequinum)在欧洲的大部分地区都处于濒危状态,现己被世界自然保护联盟(IUCN)受威胁物种红色名录列为低危/接近易危(LR/nt)种,因此对马铁菊头蝠回声定位的研究一直是国内外蝙蝠研究的重点和热点。本研究在吉林省罗通山自然保护区的不同生境中录制和分析马铁菊头蝠回声定位声波,并对各生境的植被特征、气候特征和地形特征做了详细的调查,深入探讨各环境因子与回声定位声波的关系,得出如下结论: 1.不同生境中马铁菊头蝠回声定位声波均为调频.恒频.调频型(FM<,1>-CF-FM<,2>),具有三个谐波,能量集中在第二谐波。不同生境中马铁菊头蝠的回声定位声波各参数具有一定的总体差异(P<0.05)。随着生境复杂程度的增加回声定位声波的带宽和峰频逐渐降低,声脉冲持续时间和脉冲间隔逐渐增加。在相对开阔的生境中马铁菊头蝠回声定位声波以相对低的频率、相对窄的带宽以及相对长的脉冲持续时间和脉冲间隔为特征。相反,在相对复杂的生境中其利用高频、宽带和短时间特征的声波信号。不同生境中一个完整的声脉冲的声脉冲持续时间从40.17 ms到67.23 ms变化,脉冲间隔的变化幅度达16.49ms,峰频在不同生境中的大小依次为:复杂阔叶林>小溪>针阔混交林>开阔阔叶林>针叶林>岩石>居民点>池塘。 2.林地类生境各环境因子的主成分分析结果表明,第一主成分的冠下高、林冠面积和乔高,第二主成分的植被株数,第三主成分的灌木平均高的因子载荷系数较大,将这五个参数与回声定位声波各参数进行Pearson相关分析和双尾显著性检验,FM<,1>和FM<,2>带宽与乔木高(r=-0.948,-0.825;P<0.05)、FM<,1>起始频率和FM2终止频率与林冠面积(r=-0.967,-0.958;P<0.05)、脉冲持续时间与脉冲间隔与平均灌木高均呈显著负相关(r=-0.911,-0.990;P<0.05),峰频与植被株数(r=0.756,P<0.05)、脉冲持续时间与冠下高呈显著正相关(r=0.870,P<0.05)。 3.在所有生境中,对气候和地形因子的主成分分析结果表明,第一主成分的空气相对湿度,第二主成分的海拔,第三主成分的坡向的因子载荷系数较大,将这三个参数与回声定位声波各参数进行Pearson相关分析和双尾显著性检验,FM<,1>起始频率、FM<,2>终止频率和峰频与空气相对湿度呈显著负相关(相关系数分别为-0.776、-0.875和-0.794,P<0.05)。 可见,不同生境中马铁菊头蝠回声定位声波存在一定差异,各种环境因子(植被因子、气候因子和地形因子)都在一定程度上影响回声定位声波,回声定位声波具有表型可塑性和生境适应性,这些特性决定了马铁菊头蝠生境利用的程度和能够利用的资源。
[硕士论文] 许晶晶
声学 同济大学;同济大学理学院 2008(学位年度)
摘要:响度是人耳听觉感知最重要的参量之一,也是建立声品质其他参量数学模 型的基础;目前对于响度研究以及实际应用均是参照国际标准等响曲线的数据, 而国际标准数据则是来源于对外国人群的测试结果。但是,通过对中国人群等 响曲线的初步研究表明,中国人群的双耳响度感知特性与西方人群有着明显的 差异。 本论文系统的对中国人群在自由场听力测试条件下的等响曲线进行了研 究。为了获得忠实于评价者真实感受的信号,提出利用改进的成对比较法进行 主观评价:通过成对对比测试音信号和标准音信号,评价人员自己调节测试音信 号的大小直至与标准音信号主观认为等响为止。这种方法更具科学性,实时的 表现了评价人员对于响度的主观感知特性,同时减少了实验量并提高了实验结 果的准确性。 通过对中国人群等响曲线的实验研究,讨论了中国人群的响度感知特性。 研究结果表明:中国人群在400Hz~800Hz频段内与平滑的ISO标准曲线相比波 动幅度较大;在中高频段则低于ISO标准曲线,并且随着频率的增大差值越大。 对比于中国人群在耳机听力测试条件下的等响曲线,发现400Hz~800Hz频段内 的波动差异同样存在,并且在1.25kHz处实验曲线出现了耳机曲线没有的峰值, 但是在高频段实验曲线与耳机曲线比较接近。研究结果说明了中国人群的听觉 感知要比西方人群更为敏感,尤其是在高频段。此外,本论文还在中国人群等 响曲线实验数据以及ISO国际标准等响曲线数学模型的基础上,提出了中国人 群等响曲线的数学模型参数,得到了优化的中国人群等响曲线。 得到了较为准确的中国人群等响感知特征,则可以有针对性的对产品的声 学性能进行优化设计,提高更适合中国人群的产品声学品质。 关键词:响度,等响曲线,声品质,主观评价,心理声学
[博士论文] 李春
生态学 华东师范大学 2007(学位年度)
摘要:由于小熊猫(Ailurus fulgens)形态优美、分布狭窄稀少、行为生态独特、分类地位分纭,近两个世纪来,国内外对它的关注和研究,仅次于大熊猫。为了全面系统地了解小熊猫化学通讯的特征、母幼通讯行为的特点及与母幼关系的发展规律的关系,笔者以重庆动物园小熊猫饲养场和重庆野生动物园的圈养小熊猫为研究对象,通过给其提供不同性别、不同个体和不同气味来源(尿液、肛周腺分泌物和综合气味)的气味刺激,观察分析其行为反应的方法,对圈养小熊猫的化学通讯的行为进行了研究。同时还观察了小熊猫一月龄内母幼通讯行为的特征和母幼关系发展规律。此外,还利用GC-MS对小熊猫尿液的化学成分及其化学特征进行了测定和分析。主要取得如下结果: 1.繁殖季节成年小熊猫对同性和异性气味的行为反应雌雄性小熊猫在气味刺激下,活动、蹭阴、舔舐、嗅闻标记物、嗅闻尿液、嗅闻粪便、尿液标记行为表现显著高于行为基础数据,并对异性气味有明显偏好;粪便标记行为表现没有出现有意义的变化。小熊猫能够根据气味进行个体识别和性别识别;粪便中可能不携带有个体信息和性别信息;犁鼻系统和味觉可能也参与了化学通讯。 2.非繁殖季节成年小熊猫对尿液气味的行为反应雄性小熊猫可以接收来自同性和异性的尿液气味信号,并产生相应行为反应;在不同性别的尿液气味刺激下产生的标记行为频次有显著差异;说明在非繁殖期,对于雄性个体来说,尿液中的信号传递的主要作用在于领域的占领和维护。 雌性小熊猫也可以接收来自同性和异性的尿液气味信号,并产生相应的行为反应;但不同性别个体的尿液气味中的信号刺激没有使得雌性个体的尿液标记行为发生显著差异,这可能说明了雌性个体在非繁殖期不能通过尿液气味分辨个体的性别。 3.非繁殖季节成年小熊猫对肛周腺分泌物气味的行为反应雄性个体可以接收肛周腺分泌物气味中的信号,并引起了较强的领域行为的表现,但不能通过肛周腺分泌物的气味区分性别。 雌性个体尿液标记频次在肛周腺分泌物刺激下显著增加,说明肛周腺分泌物携带的信息能促进雌性个体领域行为的增加;但不同性别肛周腺分泌物气味刺激下雌性小熊猫的各行为反应无显著差异说明,在非繁殖期,雌性个体可能不可以通过肛周腺分泌物的气味信号进行性别识别。 4.尿液和肛周腺分泌物气味刺激下小熊猫刻板行为的变化在同性和异性的尿液和肛周腺分泌物气味的刺激下,雌雄性小熊猫的刻板行为均较空白组显著减少,这一现象提示我们,将单独圈养的野生动物改为结伴圈养或小群圈养或许会减少或消除某些刻板行为。 5.非繁殖期雌雄性小熊猫化学通讯行为的差别在非繁殖期,雌性小熊猫的化学通讯行为比雄性个体更多地依赖犁鼻系统。雄性小熊猫利用尿液和肛周腺分泌物进行领域的标记圈定,而雌性小熊猫则主要通过肛周腺分泌物来进行领域的标记圈定,尿液的领域标记作用不明显。 6.一月龄内小熊猫母幼通讯行为的发生、发展规律小熊猫母幼间的触觉通讯行为和嗅觉通讯行为在一月龄内的前期显著高于中、后期;听觉和视觉通讯行为在中期显著高于前、后期;这说明小熊猫的母幼通讯行为方式的变化规律与母幼关系的发生、发展规律及幼仔的生长规律是相适应的。 7.成年小熊猫尿液中挥发性物质的化学特征在成年小熊猫的尿液中共发现67种挥发性化合物,对其中49种物质进行了检索和鉴定,它们包括酮类、醇类、醛类、萜烯类、烯烃类、烷烃类和胺类等物质。不同尿样中的化合物成分具有较高的个体差异。虽然没有发现有具性别特征的特定化合物的存在,但一些物质的相对含量在不同性别间具有显著差异,结果说明小熊猫尿液中的性别信息可能是通过类似物的形式 (analog form,同种物质的相对含量不同)编码的。因而尿液作为一种挥发性很强的化学信息物质在小熊猫的个体识别和性别识别中可能起到了一定的作用,并与其他气味腺分泌物一起,共同承担着种内相互识别的化学通讯作用。
[硕士论文] 张艾娅
动物学 华中师范大学 2007(学位年度)
摘要:IC在中枢听觉系统中占据着关键位置,大量证据表明它是低位听觉通路、听皮层和运动系统之间的中介。IC接受来自不同通路大量低位脑干听觉核团的上行输入以及来自对侧IC的交叉输入和听皮层的下行输入。长期以来,人们对下丘在频率、强度和时间编码,声定位或声源方向编码,双耳反应特性,重复声脉冲信号处理或脉冲重复率处理,以及离皮层调控等方面做了大量研究,尤其是对听觉信息的处理过程和机制、以及调控方面的研究特别引人注目。 作为一种好的听觉实验研究模型,昆明小鼠下丘神经元对纯音的反应已有深入研究,但其对调频声反应的研究却不多见。调频声不仅是人类语言的重要组成部分,也是很多动物声通讯所必需的。在其他动物如回声定位蝙蝠、大鼠等下丘已有初步研究,并发现很多神经元都能够对这类复杂声有效编码。本研究在自由声场条件下,采用单位细胞外记录方法,观察了昆明小鼠下丘神经元对具有不同调制范围的调频声的反应情况。 本实验共用15只健康、听力正常的成年昆明小鼠,雌雄不拘,共获得了90个声反应的IC神经元。实验结果显示:(1)IC神经元对调频声反应的调制范围.发放数函数曲线包括4种类型:绝大多数为随调制范围增大而发放数逐渐减少的短通型(上扫调频声刺激:54/90,60%;下扫调频声刺激:57/90,63.33%),其次为发放数随调制范围增大而先增加后减少的带通型(上扫,17/90,18.89%;下扫,12/90,13.33%)和发放数随调制范围变化而基本不变的全通型(上扫,15/90,16.67%;下扫,17/90,18.89%),最少的为发放数随调制范围增大而增加的长通型(上扫,4/90,4.44%;下扫,4/90,4.44%)。(2)在短通型神经元中,本研究观察了其潜伏期和反应时间随调制范围改变而变化的情况,结果发现,绝大多数短通型神经元的潜伏期都随调制范围的加大而延长(上扫:36/54,66.67%;下扫:36/57,63.16%),并且通过单因素方差分析及配对t-检验测试结果,该变化均有显著性差异(p<0.01)。同样,对于反应时间而言,绝大多数短通型神经元的反应时间都随调制范围的加大而缩短(上扫:42/54,77.78%;下扫:45/57,80.70%)。(3)昆明小鼠的部分IC神经元表现出对调频声调制方向选择的特性,在调制范围为15kHz的情况下,大约有41.97%(34/81)的神经元表现出方向选择性,并且上扫选择性神经元为18个,下扫选择性神经元为16个。(4)调频声的调制范围也会影响下丘神经元的方向选择性,随着调制范围的升高,方向选择性神经元的比例表现出先升高后下降的趋势,在调制范围为15kHz时方向选择性神经元总数的比例达最大值;上扫选择性神经元的比例随着调制范围的升高也表现出先上升再下降的趋势,但在调制范围为10kHz时呈现出最大值;下扫选择性神经元的比例则随着调制范围的升高表现出先升高后下降在升高的复杂趋势,在调制范围为15kHz和25kHz时呈现最大值。而上下扫神经元的比值则在调制范围为2kHz时最大(3:1),调制范围的升高使该比值保持在1.3:1左右。该研究结果表明,昆明小鼠下丘神经元能很好处理调频声刺激,大多数神经元在调制范围比较窄时表现出最大的发放数。造成下丘神经元对窄调制范围调频声选择现象可能是由于来自下丘神经元兴奋性频率调谐曲线一侧和/或两侧的抑制性输入以及特征刺激过后引起的抑制性突触后电位造成的。另外,调制范围也影响了下丘神经元对调频声的方向选择性的编码情况,而且这种影响对上下扫选择性神经元是不同的,其内在的神经机制仍需进一步的研究来探讨。
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