耳蜗音调信息表达的激光干涉研究

The mechanism underlying Pitch perception is concerned in recognition science, informtion technology and biomedical engineering, but is still not revealed. Recent theoretic researches suggest that cochlea is an array of Hopf oscillators, with a signal processing function more complex than the wildly applied Frequency-place mode, and plays important role in pitch perception through nonlinear synchronizaion and frequency-lock. This may be a breakthrough in hearing theory, but still needs experiment support and experiment reveal of the pitch expressing mode in cochlea. This project will experimentally explore the pitch expressing mode in cochlea and the underlying mechanism,by means of the newly developed basilar membrane vibration measuring method without measurement distortion. This research may bring about the breakthrough in hearing theory and will provide sicenctific funcdation for related applied technology, including coclear implant technique.

听觉的音调感知机理既是认知科学，也是语音信号处理、说话人识别以及电子耳蜗等信息技术与生物医学工程关注，却又仍未解决的问题。最近的理论研究认为，耳蜗可能是一个耦合Hopf振子阵列，其信号处理远比在技术领域广范应用的"频率-位置"编码这一Beksey的诺贝尔获奖理论复杂，并通过非线性同步与锁频在音调感知中发挥重要作用。这可能是听觉理论的一个重要突破，但目前还缺少直接实验观测支撑，以及其音调具体表达方式的实验认知。在前期自然科学基金的支持下，我们引入最新方法，克服实验研究的障碍，发展了有效的激光干涉耳蜗基底膜振动测量技术。本项目拟采用该技术，通过激光干涉实验研究，检验耳蜗基底膜同步锁频的非线性效应，揭示音调信息在耳蜗中的处理、表达模式及其背后的非线性机理。研究有望带来听觉理论的新突破，并为电子耳蜗等重要应用技术的新突破提供关键性科学支撑。

听觉音调感知机理是一个认知科学与生物医学工程、信息技术领域关注，却未解决的热点问题。新近的理论研究认为，耳蜗是一个远比"频率-位置"编码这一Beksey的诺贝尔获奖理论复杂的系统，它通过类似Hopf振子阵列的非线性响应在听觉音调感知中发挥作用，但未有任何实验研究。本研究将前期自然科学基金支持下开发的无非线性失真、微反光基底膜振动激光干涉测量系统用于耳蜗音调信息处理的实验研究。项目先后开展了豚鼠离体耳蜗、在体耳蜗、活体在体耳蜗音调表达的激光干涉研究，结果表明：耳蜗通过非线性产生了与听觉心理实验一致的音调感知特征；基频缺失的复合音的音调由耳蜗非线性产生；基频缺失的复合音音调在耳蜗中的表达有特定对应部位：在与复合音差频有相近的特征频率的部位。这一研究揭示了耳蜗通过非线性实现基频缺失的复合音以及准周期复合音信号音调信息表达，意味着现有以线性滤波器组模拟耳蜗的电子耳蜗以及基于听觉的语音信号处理方法需要由非线性耳蜗模型来代替，从而克服现有电子耳蜗不能使佩戴者感知音调的缺陷。研究提出了能反映耳蜗非线性的动力学模型，并就其在电子耳蜗、语音信号处理、声传感中的应用申请了发明专利。研究还对耳蜗非线性的细胞机制做了理论探索，认为了外毛细胞毛束中力控门控通道的自适应开闭产生的主动力是耳蜗非线性的来源。