Nekorektní blog Petra Kubáče na Blog.cz

Přestože sluch nemá dynamický rozsah 10²⁷ což je impresivních 540 deciBellů jako zrak i přesto je poměr mezi prahem slyšení a prahem bolesti 130 dB, což vyžaduje jistou regulaci zesílení. Navíc se jedná o převod mechanického vlnění na elektrické impulsy, proto budeme muset probrat sluch i z mechanického hlediska.

Těžko asi hledat někoho kdo nezná ucho a nesahal si prstem do zevního zvukovodu. na dně zevního zvukovodu je bubínek. Z hlediska robotiků je to nepodstatné ale bubínek má 2/3, které jsou napnuté a snímají zvuk a 1/3 je povolená a slouží jenom jako bariéra. Příznačné pro způsob jakým příroda konstruuje zvířátka je to že mezi napnutou a povolenou částí jde bubínkem Chorda tympani - což ne nerv !!!, který vede chuťové informace z předních 2/3 jazyka do mozku. Takže pokud vám pořádně zhnisá střední ucho - ztratíte chuť. Skoro jako (někteří ) Roboti rychle splácaní před Robotour. A to už vůbec nemluvíám o tom, že pokud vám zhnisá vnitřní ucho přestanete hýbat polovinou obličeje, protože tamtudy jde Nervus facialis, který to řídí ...

Za bubínkem jsou sluchové kůstky - u savců 3 u ptáků jenom 1. Důvod proč máme 3 sluchové kůstky spočívá v tom, že mezi nimi je sval - nejmenší v lidském těle - musculus stapedius, který řídí zesílení celé mechanické soustavy a zvyšuje tím dynamický rozsah. Musculus stapedius reaguje s předstihem, takže pokud jste v dětství trpěli častými záněty středního ucha a zrovna se chystáte zařvat - jasně uslyšíte cvaknutí - jak se musculus stapedius snaží omezit citlivost ucha abychom sami sebe zbytečně neohlušovali ....

No a pak je samotné jádro celého ucha - vnitřní ucho - alias hlemýžýď - což je 2,5 závitový stočený kanálek ve spánkové kosti, který je rozdělen na tři trubičky, v kterých se šíří zvuk. Je nutno poznemnat, že zevním zvukovodem se zvuk šíří vlněním vzduchu, středním uchem se říží jako kmitání kůstek a vniřním uchem se šíří jako kmitání tekutin zvaných perilymfa a endolymfa. Protože jsou tekutiny nestlačitelné je hlemýžd rozdělen na 3 kanálky - jedním jde zvuk tam tzv. Scala tympani, druhým jde vlnění zpátky tzv Scala vestibuli. V obou je perilymfa a jsou otvůrkem ve vrcholu hlemýždě spojeny. Třetí oddíl je vyplněn endolymfou a obsahuje tzv. Cortiho orgán, ve kterém je 25 000 vláskových buněk, které snímají vibrace membrán a mění je na nervové impulsy.

Vlny které jdou přes Scala Tympaní tam a pres Scala Vestubuli zpět spolu cestou interferují a vytářejí stojaté vlnění, které spolu s měnícím se průměrem hlemýždě vytváří pro každou frekvenci typické rozložení maxim a minim oscilací - což vede už v kostěném hlemýždi k rozkladu zvuku na jednotlivé frekvence, které se pak nervovými vlákny vedou do mozku. Takže ucho používá ne složité DSP algoritmy, ale relativně jednoduchou "hardwarovou" Fourierovu transformaci. Je to poučné i pro techniky ? Vést někam 20 000 drátků se nám nechce takže asi zůstaneme u FFT. Živé organismy, které nedovedou vysílat nervové vzruchy s větši frekvencí než asi 1000 Hz však nemají jinou možnost.

Analýza zvuku ve středním uchu velice připomíní generování MP3. Taky není div, protože MP3 je na míru přizpůsobeno dokonalostem a nedokonalostem našeho sluchu. Druhá oblast podobného typu jsou kochleární implantáty, kdy místo středního ucha zašijeme pacientovi několik 16-64 elektrod, které jsou napojeny na zvukový procesor který dělá FFT a dráždí jednotlivé elektrody v kosteném hlemýždi. Zvuk, který je místo na 25 000 různých frekvencí rozdělen jenom 64 - tím vzniká zvuk, který vypadá jako když Kačer Donald křičí do roury od kamen, ale mozek si i na takový zvuk nakonec zvykne.

Další osud nervových vláken je poměnrně jednoduchý - jdou přes několik přepnutí v Thalamu do sluchové mozkové kůry, která jako obvykle má primární, sekundárnní a další asociativní oblasti. Primární sluchová kůra má jako obvykle somatotopické uspořádání - tedy zvuky blízké si svou frekvencí jsou si blízké i místem zpracování v mozku. Je vysoce pravděpodobné, že to je proto že další analýza probíhá podobným způsobem jako zrak. Tj. v sekudnární a vyšších etážích jsou pro každý myslitelný zvuk (slovo,. hudbu hluk) centra, které jsou napojena na patřičná místa v primární kůře. Toto vše probereme příště. Dnes zůstaneme ještě na poněkud nižší úrovni.

U sluchnové nervové dráhy se totiž vyskytuje zajímavý fenomén - asi 60% nervových vláken jde do opačné mozkové polokoule (jak bychom po minulých přednáškách očekávali). Menšina vláken směřuje na stejnou stranu, na které je ucho. To má za následek, že pokud dojde k úplnému zničení sluchové oblasti na jedné straně - sluch z opačné strany se jenom poněkud zhorší, ale nevymizí. To vedlo "staré kliniky" k různým spekulacím proč tomu tak je. Předpokládám. že robotikům to bude jasné okamžitě. Sluch totiž na základě rozdílné fáze zvukových vln slyšených levým a pravým uchem, stejně jako na základě rozdílné amplitudy (ta se kupodivu tolik neuplatňuje) je schopen rozlišit velice přesně i směr přicházejícího signálu. Z tohoto důvodu potřebuje informaci z vlastní i z opačné strany. A protože u senzorických funkcí není mozek rozdělen na dominantní a nedominantní hemisféru zpracovávají tuto informaci (duplicitně) sluchové oblasti na obou stranách.

Když jsme už u toho tak ucho je schopno určit nejenom zdali zvuk přichází zleva, nebo zprava, ale i shora a zdola - což nejde určit jen na základě fázového rozdílu (nemění se s výškou zdroje zvuku). To dělaní živočichové tak že jejích ušní boltce jsou buď pohyblivé (kůň, pes) nebo divně tvarované (člověk) a tím mají výrazně jinou frekvenční charakterisitiku pokud jde zvuk shora nebo zdola.

Jak je zvukový procesing v mozuku dokonalý nás přesvědší nejenom magoři známí pod krycím jménem "Audiofilové" kteří slyší i to jestli je elektrika pro jejich "gramofóón" z jaderné nebo uhelné elektrárny, ale hlavně to, že přes největší snahu se nedaří výpočtem syntetizovat zvuky přirozených hudebních nástrojů, a že i ty nejlepší "audiofilské" hi-fi soustavy mají přece jenom zvuk, který i já - hlušec - odliším od živé kapely.

V příštím díle probereme podrobně analýzu smyslu slov a generování řeči, a protože jsme probrali vše, co je z hlediska robotiků zajímavé tak patrně přespříští díl bude závěrečný a poslední.