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Envoltura temporal y estructura fina.

La envolvente temporal (ENV) y la estructura fina temporal (TFS) son cambios en la amplitud y frecuencia del sonido percibido por los humanos a lo largo del tiempo. Estos cambios temporales son responsables de varios aspectos de la percepción auditiva, incluida la percepción del volumen , el tono y el timbre y la audición espacial .

Los sonidos complejos, como el habla o la música, son descompuestos por el sistema auditivo periférico del ser humano en estrechas bandas de frecuencia. Las señales de banda estrecha resultantes transmiten información en diferentes escalas de tiempo que van desde menos de un milisegundo hasta cientos de milisegundos. Se ha propuesto una dicotomía entre señales lentas de "envoltura temporal" y señales más rápidas de "estructura fina temporal" para estudiar varios aspectos de la percepción auditiva (p. ej., percepción del volumen , tono y timbre , análisis de escenas auditivas , localización del sonido ) en dos escalas de tiempo distintas en cada banda de frecuencia. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] Durante las últimas décadas, una gran cantidad de estudios psicofísicos, electrofisiológicos y computacionales basados ​​en esta dicotomía envoltura/estructura fina han examinado el papel de estos señales temporales en la identificación y comunicación de sonidos, cómo estas señales temporales son procesadas por el sistema auditivo periférico y central, y los efectos del envejecimiento y el daño coclear en el procesamiento auditivo temporal. Aunque se ha debatido la dicotomía envoltura/estructura fina y quedan dudas sobre cómo se codifican realmente las señales temporales de la estructura fina en el sistema auditivo, estos estudios han dado lugar a una variedad de aplicaciones en diversos campos, incluido el procesamiento del habla y el audio, la audiología clínica y Rehabilitación de la pérdida auditiva neurosensorial mediante audífonos o implantes cocleares .

Definición

Salidas de filtros cocleares simulados centrados en 364, 1498 y 4803 Hz (de abajo hacia arriba) en respuesta a un segmento de una señal de voz, el sonido "en" en "sentido". Estas salidas de filtro son similares a las formas de onda que se observarían en lugares de la membrana basilar sintonizados a 364, 1498 y 4803 Hz. Para cada frecuencia central, la señal puede considerarse como una envolvente que varía lentamente (EB BM ) impuesta sobre una estructura fina temporal más rápida (TFS BM ). La envolvente de cada señal de banda se muestra mediante la línea gruesa.

Las nociones de envoltura temporal y estructura fina temporal pueden tener significados diferentes en muchos estudios. Una distinción importante a hacer es entre la descripción física (es decir, acústica) y biológica (o perceptual) de estas señales ENV y TFS.

Representación esquemática de los tres niveles de señales de envolvente temporal (ENV) y estructura fina temporal (TFS) transmitidas por una señal de banda limitada procesada por el sistema auditivo periférico.

Cualquier sonido cuyos componentes de frecuencia cubran un rango estrecho (llamado señal de banda estrecha) puede considerarse como una envolvente (ENV p , donde p denota la señal física) superpuesta a una portadora que oscila más rápidamente, la estructura temporal fina (TFS p ). [8]

Muchos sonidos de la vida cotidiana, incluidos el habla y la música, son de banda ancha; los componentes de frecuencia se extienden en un amplio rango y no existe una forma bien definida de representar la señal en términos de ENV p y TFS p . Sin embargo, en una cóclea que funciona normalmente , las señales complejas de banda ancha se descomponen mediante el filtrado en la membrana basilar (BM) dentro de la cóclea en una serie de señales de banda estrecha. [9] Por lo tanto, la forma de onda en cada lugar del BM puede considerarse como una envolvente (ENV BM ) superpuesta a una portadora que oscila más rápidamente, la estructura temporal fina (TFS BM ). [10] El BM ENV y el BM TFS dependen del lugar a lo largo del BM. En el extremo apical, que está sintonizado a frecuencias bajas (audio), ENV BM y TFS BM varían relativamente lentamente con el tiempo, mientras que en el extremo basal, que está sintonizado a frecuencias altas, tanto ENV BM como TFS BM varían más rápidamente con el tiempo. . [10]

Tanto ENV BM como TFS BM están representados en los patrones temporales de potenciales de acción en el nervio auditivo [11], estos se denominan ENV n y TFS n . TFS n está representado de manera más prominente en neuronas sintonizadas a frecuencias bajas, mientras que ENV n está representado de manera más prominente en neuronas sintonizadas a frecuencias altas (audio). [11] [12] Para una señal de banda ancha, no es posible manipular TFS p sin afectar ENV BM y ENV n , y no es posible manipular ENV p sin afectar TFS BM y TFS n . [13] [14]

Procesamiento de envolvente temporal (ENV)

Aspectos neurofisiológicos

Ejemplos de señales moduladas en amplitud y frecuencia sinusoidales

La representación neuronal de la envoltura del estímulo, ENV n , generalmente se ha estudiado utilizando modulaciones ENV p bien controladas , es decir, sonidos con modulación de amplitud (AM) sinusoidal. El filtrado coclear limita el rango de frecuencias de AM codificadas en fibras individuales del nervio auditivo . En el nervio auditivo, la fuerza de la representación neuronal de AM disminuye al aumentar la tasa de modulación. A nivel del núcleo coclear , varios tipos de células muestran una mejora de la información ENV n . Las células multipolares pueden mostrar sintonización de paso de banda a tonos AM con frecuencias AM entre 50 y 1000 Hz. [15] [16] Algunas de estas células muestran una excelente respuesta a ENV n y proporcionan entradas de banda lateral inhibidoras a otras células en el núcleo coclear, lo que proporciona un correlato fisiológico de la liberación de enmascaramiento de comodulación, un fenómeno mediante el cual la detección de una señal en un enmascarador mejora cuando el enmascarador tiene fluctuaciones de envolvente correlacionadas a lo largo de la frecuencia (consulte la sección a continuación). [17] [18]

Las respuestas a las señales de la envoltura temporal del habla u otros sonidos complejos persisten a lo largo de la vía auditiva y, finalmente, en los diversos campos de la corteza auditiva en muchos animales. En la corteza auditiva primaria , las respuestas pueden codificar frecuencias de AM mediante bloqueo de fase hasta aproximadamente 20 a 30 Hz, [19] [20] [21] [22], mientras que frecuencias más rápidas inducen respuestas sostenidas y a menudo sintonizadas. [23] [24] Se ha demostrado una representación topográfica de la frecuencia de AM en la corteza auditiva primaria de macacos despiertos. [25] Esta representación es aproximadamente perpendicular al eje del gradiente tonotópico, consistente con una organización ortogonal de características espectrales y temporales en la corteza auditiva. La combinación de estas respuestas temporales con la selectividad espectral de las neuronas A1 da lugar a campos receptivos espectrotemporales que a menudo capturan bien las respuestas corticales a sonidos modulados complejos. [26] [27] En los campos corticales auditivos secundarios, las respuestas se vuelven temporalmente más lentas y espectralmente más amplias, pero aún pueden sincronizarse con las características destacadas del habla y los sonidos musicales. [28] [29] [30] [31] La sintonización de frecuencias AM por debajo de aproximadamente 64 Hz también se encuentra en la corteza auditiva humana [32] [33] [34] [35] como lo revelan las técnicas de imágenes cerebrales ( fMRI ) y registros corticales en pacientes epilépticos ( electrocorticografía ). Esto es consistente con estudios neuropsicológicos de pacientes con daño cerebral [36] y con la noción de que el sistema auditivo central realiza alguna forma de descomposición espectral de la ENV p de los sonidos entrantes. Se ha demostrado que los rangos en los que las respuestas corticales codifican bien las señales de la envoltura temporal del habla predicen la capacidad humana para comprender el habla. En la circunvolución temporal superior (STG) humana, se ha encontrado una organización espacial anteroposterior de sintonización de la modulación espectro-temporal en respuesta a los sonidos del habla, estando sintonizada la STG posterior para sonidos del habla que varían temporalmente rápidamente con modulaciones espectrales bajas y la STG anterior. estar sintonizado para sonidos del habla que varían temporalmente lentamente con altas modulaciones espectrales. [37]

Un aspecto inesperado del bloqueo de fase en la corteza auditiva se ha observado en las respuestas provocadas por estímulos acústicos complejos con espectrogramas que exhiben envolventes relativamente lentas (<20 Hz), pero que son transmitidas por modulaciones rápidas que llegan a cientos de Hertz. El habla y la música, así como diversos estímulos sonoros modulados, tienen esa estructura temporal. [38] Para estos estímulos, las respuestas corticales se bloquean en fase tanto con la envolvente como con la estructura fina inducidas por interacciones entre armónicos no resueltos del sonido, reflejando así el tono del sonido y excediendo los límites inferiores típicos del bloqueo de fase cortical para los sobres de unas decenas de Hertz. Esta relación paradójica [38] [39] entre el bloqueo de fase cortical lento y rápido con la “estructura fina” del portador se ha demostrado tanto en la corteza auditiva [38] como en la visual [40] . También se ha demostrado que se manifiesta ampliamente en mediciones de los campos receptivos espectro-temporales de la corteza auditiva primaria, dándoles una precisión temporal inesperadamente fina y una selectividad que bordea una resolución de 5 a 10 ms. [38] [40] Las causas subyacentes de este fenómeno se han atribuido a varios orígenes posibles, incluida la depresión y facilitación sináptica no lineal, y/o una red cortical de excitación talámica e inhibición cortical. [38] [41] [42] [43] Hay muchas razones funcionalmente significativas y perceptualmente relevantes para la coexistencia de estos dos modos de respuesta dinámica complementarios. Incluyen la capacidad de codificar con precisión inicios y otros "eventos" rápidos en el ENV p de señales acústicas y sensoriales complejas, características que son críticas para la percepción de consonantes (habla) y sonidos de percusión (música), así como la textura. de sonidos complejos. [38] [44]

Aspectos psicoacústicos

La percepción de ENV p depende de qué frecuencias de AM están contenidas en la señal. Las frecuencias bajas de AM, en el rango de 1 a 8 Hz, se perciben como cambios en la intensidad percibida, es decir, fluctuaciones del volumen (una percepción que también puede evocarse mediante modulación de frecuencia, FM); a frecuencias más altas, la AM se percibe como aspereza, produciéndose la mayor sensación de aspereza alrededor de 70 Hz; [45] a velocidades aún más altas, AM puede evocar una percepción de tono débil correspondiente a la velocidad de modulación. [46] Las tormentas de lluvia, el crepitar del fuego, el chirrido de los grillos o los caballos al galope producen "texturas sonoras" -el resultado colectivo de muchos eventos acústicos similares- cuya percepción está mediada por las estadísticas ENV n . [47] [48]

El umbral de detección auditiva para AM en función de la frecuencia de AM, denominado función de transferencia de modulación temporal (TMTF), [49] es mejor para frecuencias de AM en el rango de 4 a 150 Hz y empeora fuera de ese rango [49] [ 50] [51] La frecuencia de corte del TMTF proporciona una estimación de la agudeza temporal (resolución temporal) del sistema auditivo. Esta frecuencia de corte corresponde a una constante de tiempo de aproximadamente 1 a 3 ms para el sistema auditivo de seres humanos con audición normal.

Las fluctuaciones de envolvente correlacionadas a través de la frecuencia en un enmascarador pueden ayudar a la detección de una señal de tono puro, un efecto conocido como liberación de enmascaramiento de comodulación. [18]

La AM aplicada a una portadora determinada puede interferir perceptivamente con la detección de una AM objetivo impuesta a la misma portadora, un efecto denominado enmascaramiento de modulación . [52] [53] Los patrones de enmascaramiento de modulación están sintonizados (se produce un enmascaramiento mayor para el enmascaramiento y los AM objetivo tienen una tasa de modulación cercana), lo que sugiere que el sistema auditivo humano está equipado con canales selectivos de frecuencia para AM. Además, la AM aplicada a portadoras espectralmente remotas puede interferir perceptivamente con la detección de AM en un sonido objetivo, un efecto denominado interferencia de detección de modulación . [54] La noción de canales de modulación también está respaldada por la demostración de efectos de adaptación selectiva en el dominio de la modulación. [55] [56] [57] Estos estudios muestran que los umbrales de detección de AM se elevan selectivamente por encima de los umbrales previos a la exposición cuando la frecuencia portadora y la velocidad de AM del adaptador son similares a las del tono de prueba.

Los oyentes humanos son sensibles a las señales de AM de "segundo orden" relativamente lentas que corresponden a fluctuaciones en la fuerza de la AM. Estas señales surgen de la interacción de diferentes velocidades de modulación, descritas anteriormente como "latidos" en el dominio de la frecuencia envolvente. Se ha interpretado que la percepción de AM de segundo orden es el resultado de mecanismos no lineales en la vía auditiva que producen un componente de distorsión audible en la frecuencia del batido envolvente en el espectro de modulación interna de los sonidos. [58] [59] [60]

Las diferencias de tiempo interaurales en la envolvente proporcionan señales binaurales incluso en frecuencias altas donde no se puede utilizar TFS n . [61]

Modelos de procesamiento de sobres normales.

Diagrama de la parte común del modelo de percepción envolvente de Torsten Dau y EPSM.

El modelo informático más básico de procesamiento ENV es el modelo de integrador con fugas . [62] [49] Este modelo extrae la envolvente temporal del sonido (ENV p ) mediante filtrado de paso de banda, rectificación de media onda (que puede ir seguida de una compresión de amplitud de acción rápida ) y filtrado de paso bajo con una frecuencia de corte entre aproximadamente 60 y 150 Hz. El integrador con fugas se utiliza a menudo con una estadística de decisión basada en la potencia envolvente resultante, la relación máxima/mínima o el factor de cresta. Este modelo tiene en cuenta la pérdida de sensibilidad auditiva para frecuencias de AM superiores a aproximadamente 60-150 Hz para portadoras de ruido de banda ancha. [49] Basado en el concepto de selectividad de frecuencia para AM, [53] el modelo de percepción de Torsten Dau [63] incorpora filtros de modulación de paso de banda ampliamente sintonizados (con un valor Q alrededor de 1) para tener en cuenta los datos de una amplia variedad de tareas psicoacústicas. y particularmente detección AM para portadoras de ruido con diferentes anchos de banda, teniendo en cuenta sus fluctuaciones envolventes intrínsecas. Este modelo se ha ampliado para tener en cuenta la liberación de enmascaramiento de comodulación (consulte las secciones anteriores). [64] Se han estimado las formas de los filtros de modulación [65] y un “modelo de espectro de potencia envolvente” (EPSM) basado en estos filtros puede tener en cuenta los patrones de enmascaramiento de AM y la discriminación de profundidad de AM. [66] El EPSM se ha ampliado a la predicción de la inteligibilidad del habla [67] y a dar cuenta de datos de una amplia variedad de tareas psicoacústicas. [68] También se ha desarrollado un modelo de procesamiento de base fisiológica que simula las respuestas del tronco encefálico para tener en cuenta los patrones de detección y enmascaramiento de AM. [69]

Procesamiento de estructura fina temporal (TFS)

Aspectos neurofisiológicos

Bloqueo de fase registrado desde una neurona en el núcleo coclear en respuesta a un estímulo acústico sinusoidal en la mejor frecuencia de la célula (en este caso 240 Hz). El estímulo estaba aproximadamente 20 dB por encima de la mejor frecuencia de la neurona. Las salidas neuronales (potenciales de acción) se muestran en el trazo superior y la forma de onda del estímulo en el trazo inferior.

La representación neuronal de la estructura fina temporal, TFS n , se ha estudiado utilizando estímulos con TFS p bien controlado : tonos puros, tonos complejos armónicos y tonos de frecuencia modulada (FM).

Las fibras del nervio auditivo son capaces de representar sonidos de baja frecuencia a través de sus descargas de fase bloqueada (es decir, información TFS n ). El límite de frecuencia superior para el bloqueo de fase depende de la especie. Es de unos 5 kHz en el gato, 9 kHz en la lechuza y sólo 4 kHz en el conejillo de indias. No conocemos el límite superior de bloqueo de fase en humanos, pero las estimaciones indirectas actuales sugieren que es de aproximadamente 4 a 5 kHz. [70] El bloqueo de fase es una consecuencia directa del proceso de transducción con un aumento en la probabilidad de que se abra el canal de transducción con un estiramiento de los estereocilios y una disminución en la apertura del canal que ocurre cuando se empuja en la dirección opuesta. Esto ha llevado a algunos a sugerir que el bloqueo de fase es un epifenómeno. El límite superior parece estar determinado por una cascada de filtros de paso bajo al nivel de la célula ciliada interna y la sinapsis del nervio auditivo . [71] [72]

La información TFS n en el nervio auditivo se puede utilizar para codificar la frecuencia (audio) de sonidos de baja frecuencia, incluidos tonos únicos y estímulos más complejos, como tonos de frecuencia modulada o vocales estables (consulte función y aplicaciones al habla y la música). ).

El sistema auditivo hace todo lo posible para preservar esta información TFS n con la presencia de sinapsis gigantes (bulbos finales de Held) en el núcleo coclear ventral . Estas sinapsis contactan con células tupidas (esféricas y globulares) y transmiten fielmente (o mejoran) la información temporal presente en las fibras del nervio auditivo a estructuras superiores en el tronco del encéfalo . [73] Las células tupidas se proyectan hacia la oliva superior medial y las células globulares se proyectan hacia el núcleo medial del cuerpo trapezoidal (MNTB). El MNTB también se caracteriza por sinapsis gigantes (cálices de Held) y proporciona una inhibición sincronizada con precisión a la oliva lateral superior . La oliva superior medial y lateral y el MNTB participan en la codificación del tiempo interaural y las diferencias de intensidad. Existe una aceptación general de que la información temporal es crucial en la localización del sonido, pero aún existe controversia sobre si la misma información temporal se utiliza para codificar la frecuencia de sonidos complejos.

Quedan varios problemas con la idea de que el TFS n es importante en la representación de los componentes de frecuencia de sonidos complejos. El primer problema es que la información temporal se deteriora a medida que pasa por etapas sucesivas de la vía auditiva (presumiblemente debido al filtrado dendrítico de paso bajo). Por tanto, el segundo problema es que la información temporal debe extraerse en una etapa temprana de la vía auditiva. Actualmente no se ha identificado tal etapa, aunque existen teorías sobre cómo la información temporal se puede convertir en información de tasa (consulte la sección Modelos de procesamiento normal: Limitaciones).

Aspectos psicoacústicos

A menudo se supone que muchas capacidades de percepción dependen de la capacidad del sistema auditivo monoaural y binaural para codificar y utilizar señales TFS n evocadas por componentes en sonidos con frecuencias inferiores a aproximadamente 1 a 4 kHz. Estas capacidades incluyen discriminación de frecuencia, [ 74] [4] [75] [76] discriminación de la frecuencia fundamental de sonidos armónicos, [75] [4] [76] detección de FM a velocidades inferiores a 5 Hz, [77] reconocimiento de secuencias de tonos puros y tonos complejos, [74] [4] lateralización y localización de tonos puros y tonos complejos, [78] y segregación de sonidos armónicos concurrentes (como los sonidos del habla). [79] Parece que las señales TFS n requieren una representación tonotópica ( lugar ) correcta para ser procesadas de manera óptima por el sistema auditivo. [80] Además, se ha demostrado la percepción del tono musical para tonos complejos con todos los armónicos por encima de 6 kHz, lo que demuestra que no depende completamente del bloqueo de la fase neuronal a las señales TFS BM (es decir, TFS n ). [81]

En cuanto a la detección de FM, la visión actual supone que en el sistema auditivo normal, la FM se codifica mediante TFS n señales cuando la frecuencia de FM es baja (<5 Hz) y cuando la frecuencia portadora está por debajo de aproximadamente 4 kHz, [77] [82 ] [83] [84] y mediante señales ENV n cuando la FM es rápida o cuando la frecuencia portadora es superior a 4 kHz. [77] [85] [86] [87] [84] Esto está respaldado por registros de una sola unidad en la parte inferior del tronco encefálico. [73] Según este punto de vista, las señales TFS n no se utilizan para detectar FM con frecuencias superiores a aproximadamente 10 Hz porque el mecanismo que decodifica la información TFS n es "lento" y no puede rastrear cambios rápidos en la frecuencia. [77] Varios estudios han demostrado que la sensibilidad auditiva a FM lenta a baja frecuencia portadora está asociada con la identificación del habla tanto para personas con audición normal como para personas con discapacidad auditiva cuando la recepción del habla está limitada por degradaciones acústicas (p. ej., filtrado) o sonidos del habla concurrentes. [88] [89] [90] [91] [92] Esto sugiere que la inteligibilidad sólida del habla está determinada por el procesamiento preciso de señales TFS n .

Modelos de procesamiento normal: limitaciones

La separación de un sonido en ENV p  y TFS p parece inspirada en parte por cómo se sintetizan los sonidos y por la disponibilidad de una forma conveniente de separar un sonido existente en ENV y TFS, a saber, la transformada de Hilbert . Existe el riesgo de que esta visión del procesamiento auditivo [93] esté dominada por estos conceptos físicos/técnicos, de manera similar a cómo el mapeo coclear de frecuencia a lugar se conceptualizó durante mucho tiempo en términos de la transformada de Fourier . Fisiológicamente, no hay indicios de una separación de ENV y TFS en el sistema auditivo hasta las etapas hasta el núcleo coclear . Sólo en esa etapa parece que se pueden implementar vías paralelas, que potencialmente mejoren la información ENV n o TFS n (o algo similar), a través de las características de respuesta temporal de diferentes tipos de células del núcleo coclear. [73] Por lo tanto, puede ser útil simular mejor los tipos de células del núcleo coclear para comprender los verdaderos conceptos de procesamiento paralelo creados a nivel del núcleo coclear. Estos conceptos pueden estar relacionados con la separación de ENV y TFS, pero es poco probable que se realicen como la transformada de Hilbert.

Se puede utilizar un modelo computacional del sistema auditivo periférico [94] [95] para simular las respuestas de las fibras del nervio auditivo a sonidos complejos como el habla y cuantificar la transmisión (es decir, la representación interna) de señales ENV n y TFS n . En dos estudios de simulación, [96] [97] la información de la tasa media y del momento de los picos se cuantificó en la salida de dicho modelo para caracterizar, respectivamente, la tasa de activación neuronal a corto plazo (ENV n ) y el nivel de sincronización debida al bloqueo de fase (TFS n ) en respuesta a sonidos del habla degradados por vocodificadores. [98] [99] Las mejores predicciones del modelo de inteligibilidad del habla codificada por voz se encontraron cuando se incluyeron señales ENV n y TFS n , lo que proporciona evidencia de que las señales TFS n son importantes para la inteligibilidad cuando las señales ENV p del habla están degradadas.

En un nivel más fundamental, se utilizó un modelo computacional similar para demostrar que la dependencia funcional de las diferencias de frecuencia humanas apenas perceptibles en la frecuencia de los tonos puros no se tenía en cuenta a menos que se incluyera información temporal (especialmente para las frecuencias medias-altas, incluso por encima del límite nominal en el bloqueo de fase fisiológica). [100] [101] Sin embargo, una advertencia de la mayoría de los modelos TFS es que el rendimiento óptimo del modelo con información temporal normalmente sobreestima el rendimiento humano.

Una visión alternativa es suponer que la información TFS n al nivel del nervio auditivo se convierte en información de frecuencia-lugar (ENV n ) en una etapa posterior del sistema auditivo (p. ej., la parte baja del tronco encefálico). Varios estudios de modelado propusieron que los mecanismos neuronales para decodificar TFS n se basan en la correlación de las salidas de lugares adyacentes. [102] [103] [104] [105] [106]

Papel en la percepción del habla y la música.

Papel de la envoltura temporal en la percepción del habla y la música.

Espectros de modulación de amplitud (izquierda) y espectros de modulación de frecuencia (derecha), calculados sobre un corpus de oraciones en inglés o francés. [107]

El ENV p juega un papel fundamental en muchos aspectos de la percepción auditiva, incluida la percepción del habla y la música. [2] [7] [108] [109] El reconocimiento de voz es posible utilizando señales relacionadas con ENV p , incluso en situaciones donde la información espectral original y TFS p están altamente degradados. [110] De hecho, cuando el TFS p espectralmente local de una oración se combina con el ENV p de una segunda oración, solo se escuchan las palabras de la segunda oración. [111] Las velocidades ENV p más importantes para el habla son aquellas por debajo de aproximadamente 16 Hz, que corresponden a fluctuaciones en la velocidad de las sílabas. [112] [107] [113] Por otro lado, el contorno de frecuencia fundamental (“ tono ”) de los sonidos del habla se transmite principalmente a través de señales p TFS , [107] aunque parte de la información sobre el contorno se puede percibir a través de fluctuaciones rápidas de la envolvente. correspondiente a la frecuencia fundamental. [2] Para la música, las velocidades ENV p lentas transmiten información de ritmo y tempo, mientras que las velocidades más rápidas transmiten las propiedades de inicio y compensación del sonido (ataque y caída, respectivamente) que son importantes para la percepción del timbre. [114]

Papel de TFS en la percepción del habla y la música.

Se cree que la capacidad de procesar con precisión la información TFS p desempeña un papel en nuestra percepción del tono (es decir, la altura percibida de los sonidos), una sensación importante para la percepción musical, así como en nuestra capacidad para comprender el habla, especialmente en presencia de ruido de fondo. [4]

Papel de TFS en la percepción del tono

Aunque los mecanismos de recuperación de tonos en el sistema auditivo todavía son un tema de debate, [76] [115] la información TFS n se puede utilizar para recuperar el tono de tonos puros de baja frecuencia [75] y estimar las frecuencias individuales de los tonos bajos. (aprox. 1.º a 8.º) armónicos de un sonido complejo, [116] frecuencias a partir de las cuales se puede recuperar la frecuencia fundamental del sonido según, por ejemplo, modelos de percepción de tono que coinciden con patrones. [117] También se ha sugerido [118] un papel de la información TFS n en la percepción del tono de sonidos complejos que contienen armónicos intermedios (aprox. 7.º a 16.º) y puede explicarse mediante modelos temporales o espectrotemporales [119] de percepción del tono. Las señales TFS n degradadas transmitidas por los dispositivos de implante coclear también pueden ser en parte responsables de la alteración de la percepción musical de los receptores de implantes cocleares. [120]

Papel de las señales TFS en la percepción del habla

Se cree que las señales TFS p son importantes para la identificación de hablantes y para la identificación de tonos en lenguajes tonales . [121] Además, varios estudios de vocoder han sugerido que las señales p de TFS contribuyen a la inteligibilidad del habla en silencio y con ruido. [98] Aunque es difícil aislar TFS p de las señales ENV p , [109] [122] hay evidencia de estudios en oyentes con discapacidad auditiva de que la percepción del habla en presencia de ruido de fondo puede explicarse en parte por la capacidad de procesan con precisión TFS p , [92] [99] aunque la capacidad de "escuchar las caídas" de los enmascaradores fluctuantes no parece depender de señales periódicas de TFS p . [123]

Papel en la percepción del sonido ambiental.

Los sonidos ambientales pueden definirse en términos generales como sonidos no verbales y no musicales en el entorno del oyente que pueden transmitir información significativa sobre los objetos y eventos circundantes. [124] Los sonidos ambientales son muy heterogéneos en términos de sus características acústicas y tipos de fuentes, y pueden incluir vocalizaciones humanas y animales, eventos relacionados con el agua y el clima, y ​​sonidos de señalización mecánica y electrónica. Dada una gran variedad de fuentes sonoras que dan lugar a sonidos ambientales, tanto ENV p como TFS p juegan un papel importante en su percepción. Sin embargo, las contribuciones relativas de ENV p y TFS p pueden diferir considerablemente para sonidos ambientales específicos. Esto se refleja en la variedad de medidas acústicas que se correlacionan con diferentes características perceptuales de objetos y eventos. [125] [126] [127]

Los primeros estudios destacaron la importancia de los patrones temporales basados ​​en la envoltura en la percepción de eventos ambientales. Por ejemplo, Warren y Verbrugge demostraron que los sonidos construidos de una botella de vidrio que se dejaba caer al suelo se percibían como rebotantes cuando regiones de alta energía en cuatro bandas de frecuencia diferentes se alineaban temporalmente, produciendo picos de amplitud en la envolvente. [128] Por el contrario, cuando la misma energía espectral se distribuía aleatoriamente entre bandas, se escuchaba que los sonidos se rompían. Estudios más recientes que utilizaron simulaciones de vocoder del procesamiento de implantes cocleares demostraron que muchos sonidos con patrones temporales pueden percibirse con poca información espectral original, basada principalmente en señales temporales. [126] [127] Sonidos como pasos, galopar a caballo, volar en helicóptero, jugar al ping-pong, aplaudir o escribir se identificaron con una alta precisión del 70% o más con un solo canal de ruido de banda ancha modulado por envolvente o con solo dos canales de frecuencia. En estos estudios, las medidas acústicas basadas en la envolvente, como el número de ráfagas y picos en la envolvente, predecían la capacidad de los oyentes para identificar sonidos basándose principalmente en señales ENV p . Por otro lado, la identificación de sonidos ambientales breves sin un patrón temporal fuerte en ENV p puede requerir una cantidad mucho mayor de canales de frecuencia para percibirlos. Sonidos como la bocina de un coche o el silbido de un tren no se identificaban bien incluso con hasta 32 canales de frecuencia. [126] Los oyentes con implantes cocleares, que transmiten información de envolvente para bandas de frecuencia específicas, pero no transmiten TFS p , tienen capacidades considerablemente reducidas en la identificación de sonidos ambientales comunes. [129] [130] [131]

Además, los sonidos ambientales individuales normalmente se escuchan dentro del contexto de escenas auditivas más amplias donde los sonidos de múltiples fuentes pueden superponerse en tiempo y frecuencia. Cuando se escuchan dentro de una escena auditiva, la identificación precisa de los sonidos ambientales individuales depende de la capacidad de segregarlos de otras fuentes de sonido o flujos auditivos en la escena auditiva, lo que implica una mayor dependencia de las señales ENV p y TFS p (consulte Papel en la escena auditiva). análisis).

Papel en el análisis de escenas auditivas.

El análisis de escenas auditivas se refiere a la capacidad de percibir por separado sonidos provenientes de diferentes fuentes. Cualquier diferencia acústica puede conducir potencialmente a una segregación auditiva [132] , por lo que es probable que cualquier señal basada en ENV p o TFS p ayude a segregar fuentes de sonido competitivas. [133] Tales señales implican percepciones como el tono. [134] [135] [136] [137] Las señales p binaurales de TFS que producen diferencias de tiempo interaural no siempre han resultado en una segregación clara de la fuente, particularmente con fuentes presentadas simultáneamente, aunque se ha logrado una segregación exitosa de sonidos secuenciales, como el ruido o el habla. informó. [138]

Efectos de la edad y la pérdida auditiva en el procesamiento de la envolvente temporal

Aspectos del desarrollo

En la infancia, los umbrales conductuales de detección de AM [139] y los umbrales de enmascaramiento hacia adelante o hacia atrás [139] [140] [141] observados en niños de 3 meses son similares a los observados en adultos. Los estudios electrofisiológicos realizados en bebés de 1 mes utilizando tonos puros AM de 2000 Hz indican cierta inmadurez en la envolvente siguiente a la respuesta (EFR). Aunque los bebés dormidos y los adultos sedados muestran el mismo efecto de la tasa de modulación sobre la EFR, las estimaciones de los bebés fueron en general más pobres que las de los adultos. [142] [143] Esto es consistente con estudios de comportamiento realizados con niños en edad escolar que muestran diferencias en los umbrales de detección de AM en comparación con los adultos. Los niños muestran sistemáticamente peores umbrales de detección de MA que los adultos hasta los 10-11 años. Sin embargo, la forma del TMTF (el límite) es similar a la de los adultos para niños más pequeños de 5 años. [144] [145] Los factores sensoriales versus no sensoriales para esta larga maduración todavía se debaten, [146] pero los resultados generalmente parecen depender más de la tarea o de la complejidad del sonido para bebés y niños que para adultos. [147] Con respecto al desarrollo del procesamiento del habla ENV p , los estudios de vocoder sugieren que los bebés de tan solo 3 meses son capaces de discriminar un cambio en consonantes cuando se conserva la información ENV p más rápida de las sílabas (< 256 Hz), pero menos cuando sólo está disponible el ENV p más lento (< 8 Hz). [148] Los niños mayores de 5 años muestran capacidades similares a las de los adultos para discriminar cambios de consonantes basándose en señales ENV p (< 64 Hz). [149]

Aspectos neurofisiológicos

Generalmente se cree que los efectos de la pérdida auditiva y la edad sobre la codificación neuronal son menores para respuestas envolventes que varían lentamente (es decir, ENV n ) que para estructuras finas temporales que varían rápidamente (es decir, TFS n ). [150] [151] Se ha observado una codificación ENV n mejorada después de una pérdida auditiva inducida por ruido en respuestas auditivas periféricas de neuronas individuales [152] y en respuestas evocadas centrales del mesencéfalo auditivo. [153] La mejora en la codificación ENV n de sonidos de banda estrecha se produce en todo el rango de frecuencias de modulación codificadas por neuronas individuales. [154] Para los sonidos de banda ancha, el rango de frecuencias de modulación codificadas en respuestas deterioradas es más amplio de lo normal (se extiende a frecuencias más altas), como se esperaba de la selectividad de frecuencia reducida asociada con la disfunción de las células ciliadas externas. [155] La mejora observada en las respuestas de la envoltura neural es consistente con una percepción auditiva mejorada de las modulaciones después del daño coclear, que comúnmente se cree que resulta de la pérdida de compresión coclear que ocurre con la disfunción de las células ciliadas externas debido a la edad o la sobreexposición al ruido. [156]  Sin embargo, la influencia de la disfunción de las células ciliadas internas (p. ej., crecimiento de respuesta más superficial para daño leve a moderado y crecimiento más pronunciado para daño severo) puede confundir los efectos de la disfunción de las células ciliadas externas sobre el crecimiento de respuesta general y, por lo tanto, ENV. n codificación. [152] [157] Por lo tanto, no es sorprendente que los efectos relativos de la disfunción de las células ciliadas externas e internas se hayan predicho con modelos para crear diferencias individuales en la inteligibilidad del habla basadas en la fuerza de la codificación de la envolvente del habla en relación con el ruido. .

Aspectos psicoacústicos

Para portadoras sinusoidales, que no tienen fluctuaciones de envolvente intrínseca (ENV p ), el TMTF es aproximadamente plano para frecuencias de AM de 10 a 120 Hz, pero aumenta (es decir, el umbral empeora) para frecuencias de AM más altas, [51] [158] siempre que las frecuencias espectrales Las bandas laterales no son audibles. La forma del TMTF para portadoras sinusoidales es similar para personas jóvenes y mayores con umbrales audiométricos normales, pero las personas mayores tienden a tener umbrales de detección más altos en general, lo que sugiere una "eficiencia de detección" más pobre para las señales ENV n en personas mayores. [159] [160] Siempre que el portador sea completamente audible, la capacidad de detectar AM generalmente no se ve afectada negativamente por la pérdida auditiva coclear y, en ocasiones, puede ser mejor de lo normal, tanto para los portadores de ruido [161] [162] como para los portadores sinusoidales. [158] [163] quizás porque el reclutamiento de volumen (un crecimiento anormalmente rápido del volumen con un aumento del nivel de sonido) "magnifica" la cantidad percibida de AM (es decir, ENV n señales). En consonancia con esto, cuando el AM es claramente audible, un sonido con una profundidad de AM fija parece fluctuar más en un oído deteriorado que en un oído normal. Sin embargo, la capacidad de detectar cambios en la profundidad de la mañana puede verse afectada por la pérdida auditiva coclear. [163] En la investigación del procesamiento de envolvente en personas con discapacidad auditiva también se utilizó el habla procesada con vocoder de ruido, de manera que principalmente la información de la envolvente se entrega en múltiples canales espectrales. En este caso, las personas con discapacidad auditiva no pudieron utilizar dicha información del sobre tan bien como las personas con audición normal, incluso después de tener en cuenta los factores de audibilidad. [164] Experimentos adicionales sugieren que la edad afecta negativamente el procesamiento binaural de ENV p al menos en audiofrecuencias bajas. [165]

Modelos de procesamiento de envoltura temporal deteriorado.

El modelo de percepción del procesamiento ENV [63] que incorpora filtros AM selectivos (paso de banda) explica muchas consecuencias perceptuales de la disfunción coclear, incluida una mayor sensibilidad a AM para portadores sinusoidales y de ruido, [166] [167] enmascaramiento hacia adelante anormal (la tasa de recuperación (debido a que el enmascaramiento directo es generalmente más lento de lo normal para oyentes con discapacidad), [168] efectos de interferencia más fuertes entre AM y FM [82] y una integración temporal mejorada de AM. [167] El modelo de Torsten Dau [63] se ha ampliado para tener en cuenta la discriminación de patrones complejos de AM por parte de personas con discapacidad auditiva y los efectos de los sistemas de reducción de ruido. [169] El desempeño de las personas con discapacidad auditiva se capturó mejor cuando el modelo combinó la pérdida de compresión de amplitud periférica resultante de la pérdida del mecanismo activo en la cóclea [166] [167] [168] con un aumento en el ruido interno. en el dominio ENVn. [166] [167] [82] Los modelos fenomenológicos que simulan la respuesta del sistema auditivo periférico mostraron que la sensibilidad alterada de la AM en personas que experimentan tinnitus crónico con audiogramas clínicamente normales podría predecirse mediante una pérdida sustancial de las fibras nerviosas auditivas con tasas espontáneas bajas y algunas Pérdida de fibras del nervio auditivo con altas tasas espontáneas. [170]

Efectos de la edad y la pérdida auditiva en el procesamiento TFS

Aspectos del desarrollo

Muy pocos estudios han evaluado sistemáticamente el procesamiento de TFS en bebés y niños. La respuesta de seguimiento de frecuencia (FFR), que se cree que refleja una actividad neuronal bloqueada en fase, parece ser similar a la de un adulto en bebés de 1 mes cuando se utiliza un tono puro (centrado en 500, 1000 o 2000 Hz) modulado a 80 Hz con un 100% de la profundidad de modulación. [142]

En cuanto a los datos de comportamiento, los bebés de seis meses requieren transiciones de frecuencia más grandes para detectar un cambio de FM en un tono de 1 kHz en comparación con los adultos. [171] Sin embargo, los bebés de 4 meses pueden discriminar dos barridos de FM diferentes, [172] y son más sensibles a las señales de FM barridas de 150 Hz a 550 Hz que a frecuencias más bajas. [173] En niños en edad escolar, el rendimiento en la detección de cambios de FM mejora entre los 6 y los 10 años y la sensibilidad a la tasa de modulación baja (2 Hz) es deficiente hasta los 9 años. [174]

Para los sonidos del habla, solo un estudio de vocoder ha explorado la capacidad de los niños en edad escolar de confiar en las señales TFSp para detectar cambios de consonantes, mostrando las mismas habilidades para los niños de 5 años que para los adultos. [149]

Aspectos neurofisiológicos

Los estudios psicofísicos han sugerido que el procesamiento TFS degradado debido a la edad y la pérdida auditiva puede ser la base de algunos déficits supraumbrales, como la percepción del habla; [10] sin embargo, persiste el debate sobre los correlatos neuronales subyacentes. [150] [151] La intensidad del bloqueo de fase en la estructura fina temporal de las señales (TFS n ) en condiciones de escucha silenciosa sigue siendo normal en las respuestas periféricas de una sola neurona después de una pérdida auditiva coclear. [152] Aunque estos datos sugieren que la capacidad fundamental de las fibras del nervio auditivo para seguir las rápidas fluctuaciones del sonido permanece intacta después de la pérdida auditiva coclear, los déficits en la fuerza de bloqueo de fase surgen en el ruido de fondo. [175] Este hallazgo, que es consistente con la observación común de que los oyentes con pérdida auditiva coclear tienen más dificultades en condiciones ruidosas, es el resultado de una selectividad de frecuencia coclear reducida asociada con la disfunción de las células ciliadas externas. [156]  Aunque solo se han observado efectos limitados de la edad y la pérdida auditiva en términos de la fuerza de codificación TFS n de los sonidos de banda estrecha, se han observado déficits más dramáticos en la calidad de la codificación TFS n en respuesta a los sonidos de banda ancha, que son más relevantes para la escucha diaria. . Puede ocurrir una pérdida dramática de tonotopicidad después de una pérdida auditiva inducida por ruido, donde las fibras del nervio auditivo que deberían responder a frecuencias medias (p. ej., 2 a 4 kHz) tienen respuestas TFS dominantes a frecuencias más bajas (p. ej., 700 Hz). [176]  En particular, la pérdida de tonotopicidad generalmente ocurre solo para la codificación TFS n pero no para la codificación ENV n , lo que es consistente con mayores déficits de percepción en el procesamiento TFS. [10] Es probable que esta degradación tonotópica tenga implicaciones importantes para la percepción del habla y puede explicar la codificación degradada de las vocales después de una pérdida auditiva inducida por ruido en la que la mayor parte de la cóclea responde solo al primer formante, eliminando la representación tonotópica normal del segundo y tercer formante.

Aspectos psicoacústicos

Varios estudios psicofísicos han demostrado que las personas mayores con audición normal y las personas con pérdida auditiva neurosensorial a menudo muestran un rendimiento deficiente en tareas auditivas que se supone dependen de la capacidad del sistema auditivo monoaural y binaural para codificar y utilizar señales TFS n , como por ejemplo: discriminación de la frecuencia del sonido, [76] [177] [178] discriminación de la frecuencia fundamental de los sonidos armónicos, [76] [177] [178] [179] detección de FM a frecuencias inferiores a 5 Hz, [180] [181] [91] reconocimiento de melodías para secuencias de tonos puros y sonidos complejos, [182] lateralización y localización de tonos puros y tonos complejos, [78] [183] ​​[165] y segregación de sonidos armónicos concurrentes (como los sonidos del habla). [79] Sin embargo, aún no está claro hasta qué punto los déficits asociados con la pérdida auditiva reflejan un procesamiento TFS n más deficiente o una selectividad de frecuencia coclear reducida. [182]

Modelos de procesamiento deteriorado

La calidad de la representación de un sonido en el nervio auditivo está limitada por la refractariedad, la adaptación, la saturación y la sincronización reducida (bloqueo de fase) en altas frecuencias, así como por la naturaleza estocástica de los potenciales de acción. [184] Sin embargo, el nervio auditivo contiene miles de fibras. Por lo tanto, a pesar de estos factores limitantes, las propiedades de los sonidos están razonablemente bien representadas en la respuesta nerviosa de la población en una amplia gama de niveles [185] y frecuencias de audio (ver Teoría de la volea ).

La codificación de la información temporal en el nervio auditivo puede verse alterada por dos mecanismos principales: reducción de la sincronía y pérdida de sinapsis y/o fibras del nervio auditivo. [186] El impacto de la codificación temporal alterada en la percepción auditiva humana se ha explorado utilizando herramientas de procesamiento de señales de inspiración fisiológica. La reducción de la sincronía neuronal se ha simulado alterando las fases de los múltiples componentes de frecuencia del habla, [187] aunque esto tiene efectos no deseados en el dominio espectral. La pérdida de fibras nerviosas auditivas o sinapsis se ha simulado asumiendo (i) que cada fibra aferente opera como un muestreador estocástico de la forma de onda del sonido, con mayor probabilidad de activarse para características de sonido sostenidas y de mayor intensidad que para características de sonido transitorias o de menor intensidad. características, y (ii) que la desaferenciación se puede modelar reduciendo el número de muestreadores. [184] Sin embargo, esto también tiene efectos no deseados en el dominio espectral. Tanto el jittering como el submuestreo estocástico degradan la representación del TFS n más que la representación del ENV n . Tanto la inquietud como el submuestreo estocástico perjudican el reconocimiento del habla en entornos ruidosos sin degradar el reconocimiento en silencio, lo que respalda el argumento de que TFS n es importante para reconocer el habla en ruido. [3] Tanto el jittering como el submuestreo estocástico imitan los efectos del envejecimiento en la percepción del habla. [188]

Transmisión por audífonos e implantes cocleares

Transmisión de envolvente temporal

Las personas con pérdida auditiva coclear suelen tener un rango dinámico más pequeño de lo normal entre el nivel del sonido detectable más débil y el nivel en el que los sonidos se vuelven incómodamente fuertes. [189] [190] Para comprimir la amplia gama de niveles de sonido que se encuentran en la vida cotidiana en el pequeño rango dinámico de la persona con discapacidad auditiva, los audífonos aplican compresión de amplitud , que también se denomina control automático de ganancia (AGC). El principio básico de dicha compresión es que la cantidad de amplificación aplicada al sonido entrante disminuye progresivamente a medida que aumenta el nivel de entrada. Normalmente, el sonido se divide en varios “canales” de frecuencia y el AGC se aplica de forma independiente en cada canal. Como resultado de comprimir el nivel, AGC reduce la cantidad de fluctuación de la envolvente en la señal de entrada (ENV p ) en una cantidad que depende de la tasa de fluctuación y la velocidad con la que la amplificación cambia en respuesta a los cambios en el nivel del sonido de entrada. [191] [192] AGC también puede cambiar la forma de la envolvente de la señal. [193] Los implantes cocleares son dispositivos que estimulan eléctricamente el nervio auditivo, creando así la sensación de sonido en una persona que de otro modo sería profunda o totalmente sorda. El rango dinámico eléctrico es muy pequeño, [194] por lo que los implantes cocleares suelen incorporar AGC antes de que la señal se filtre en múltiples canales de frecuencia. [195] Las señales del canal luego se someten a compresión instantánea para mapearlas en el rango dinámico limitado para cada canal. [196]

Los implantes cocleares se diferencian de los audífonos en que toda la audición acústica se reemplaza con estimulación eléctrica directa del nervio auditivo, lograda a través de una serie de electrodos colocados dentro de la cóclea. Por lo tanto, en este caso, otros factores además del procesamiento de señales del dispositivo también contribuyen en gran medida a la audición general, como la etiología, la salud de los nervios, la configuración de los electrodos y la proximidad al nervio, y el proceso de adaptación general a un modo de audición completamente nuevo. [197] [198] [199] [200] Casi toda la información en los implantes cocleares se transmite mediante las fluctuaciones de la envolvente en los diferentes canales. Esto es suficiente para dar una percepción razonable del habla en silencio, pero no en condiciones ruidosas o reverberantes. [201] [202] [203] [204] [121] [110] [205] [206] [207] [208] El procesamiento en implantes cocleares es tal que el TFSp se descarta en favor de trenes de pulsos de frecuencia fija modulada en amplitud por ENVp dentro de cada banda de frecuencia. Los usuarios de implantes son sensibles a estas modulaciones de ENVp, pero el rendimiento varía según el sitio de estimulación, el nivel de estimulación y entre los individuos. [209] [210] El TMTF muestra una forma de filtro de paso bajo similar a la observada en oyentes con audición normal. [210] [211] [212] La información del tono de la voz o del tono musical, transmitida principalmente a través de señales de periodicidad débiles en ENVp, da como resultado una sensación de tono que no es lo suficientemente destacada como para respaldar la percepción musical, [213] [214] identificación del sexo del hablante , [215] [216] tonos léxicos, [217] [218] o señales prosódicas. [219] [220] [221] Los oyentes con implantes cocleares son susceptibles a interferencias en el dominio de modulación [222] [223] lo que probablemente contribuye a las dificultades para escuchar en ambientes ruidosos.

Transmisión temporal de estructura fina.

Los audífonos suelen procesar los sonidos filtrándolos en múltiples canales de frecuencia y aplicando AGC en cada canal. Otros procesamientos de señales en audífonos, como la reducción de ruido, también implican filtrar la entrada en múltiples canales. [224] El filtrado en canales puede afectar el TFS p de los sonidos dependiendo de características como la respuesta de fase y el retardo de grupo de los filtros. Sin embargo, estos efectos suelen ser pequeños. Los implantes cocleares también filtran la señal de entrada en canales de frecuencia. Normalmente, la ENV p  de la señal en cada canal se transmite a los electrodos implantados en forma de pulsos eléctricos de velocidad fija que se modulan en amplitud o duración. Se descarta información sobre TFS p . Esto se justifica por la observación de que las personas con implantes cocleares tienen una capacidad muy limitada para procesar la información TFS p , incluso si se transmite a los electrodos, [225] tal vez debido a una falta de coincidencia entre la información temporal y el lugar en la cóclea para que se entrega [76] Reducir esta discrepancia puede mejorar la capacidad de utilizar la información TFS p y, por lo tanto, conducir a una mejor percepción del tono. [226] Algunos sistemas de implante coclear transmiten información sobre TFS p en los canales de los implantes cocleares que están sintonizados a frecuencias de audio bajas, y esto puede mejorar la percepción del tono de los sonidos de baja frecuencia. [227]

Efectos del entrenamiento y plasticidad del procesamiento de la envoltura temporal.

Se ha informado sobre el aprendizaje perceptivo resultante del entrenamiento para diversas tareas auditivas de detección o discriminación de AM, [228] [229] [230], lo que sugiere que las respuestas de las neuronas auditivas centrales a las señales ENV p son plásticas y que la práctica puede modificar los circuitos de ENV n. Procesando. [230] [231]

La plasticidad del procesamiento ENV n se ha demostrado de varias maneras. Por ejemplo, la capacidad de las neuronas de la corteza auditiva para discriminar las señales de tiempo de inicio de la voz para los fonemas se degrada después de una pérdida auditiva moderada (20-40 dB HL) inducida por un trauma acústico. [232] Curiosamente, la pérdida auditiva del desarrollo reduce las respuestas corticales a estímulos AM lentos, pero no rápidos (100 Hz), en paralelo con el desempeño conductual. [233] De hecho, una pérdida auditiva transitoria (15 días) que ocurre durante el "período crítico" es suficiente para elevar los umbrales de AM en jerbos adultos. [234] Incluso la exposición al ruido no traumática reduce la capacidad de bloqueo de fase de las neuronas corticales, así como la capacidad de comportamiento de los animales para discriminar entre diferentes sonidos AM. [235] El entrenamiento conductual o los protocolos de emparejamiento que involucran neuromoduladores también alteran la capacidad de las neuronas corticales para sincronizarse con los sonidos AM. [236] [237] En humanos, la pérdida auditiva puede resultar en una representación desequilibrada de las señales del habla: las señales ENV n se mejoran a costa de las señales TFS n (ver: Efectos de la edad y la pérdida auditiva en el procesamiento de la envolvente temporal). El entrenamiento auditivo puede reducir la representación de las señales ENV n del habla en oyentes de edad avanzada con pérdida auditiva, quienes luego pueden alcanzar niveles comparables a los observados en oyentes de edad avanzada con audición normal. [238] Por último, el entrenamiento musical intensivo induce efectos conductuales como una mayor sensibilidad a las variaciones de tono (para el tono lingüístico mandarín) y una mejor sincronización de las respuestas del tronco encefálico al contorno f0 de los tonos léxicos para los músicos en comparación con los no músicos. [239]

Evaluación clínica de la sensibilidad de TFS.

Se han desarrollado pruebas psicofísicas rápidas y fáciles de administrar para ayudar a los médicos en la detección de las capacidades de procesamiento de TFS y el diagnóstico de déficits de procesamiento auditivo temporal supraumbral asociados con el daño coclear y el envejecimiento. Estas pruebas también pueden ser útiles para que los audiólogos y fabricantes de audífonos expliquen y/o predigan el resultado de la adaptación de los audífonos en términos de calidad percibida, inteligibilidad del habla o audición espacial. [240] [241] Estas pruebas pueden eventualmente usarse para recomendar la velocidad de compresión más adecuada en audífonos [242] o el uso de micrófonos direccionales. La necesidad de tales pruebas se ve corroborada por fuertes correlaciones entre los umbrales de detección de modulación espectrotemporal o de FM lenta y la inteligibilidad del habla asistida en entornos competitivos para personas con discapacidad auditiva. [90] [243] Las pruebas clínicas se pueden dividir en dos grupos: las que evalúan las capacidades de procesamiento TFS monoaurales (prueba TFS1) y las que evalúan las capacidades binaurales (tono binaural, TFS-LF, TFS-AF).

TFS1: esta prueba evalúa la capacidad de discriminar entre un tono complejo armónico y su versión transpuesta en frecuencia (y por tanto, inarmónica). [244] [245] [246] [159] Tono binaural: estas pruebas evalúan la capacidad de detectar y discriminar el tono binaural y el reconocimiento de melodías utilizando diferentes tipos de tono binaural. [182] [247] TFS-LF: esta prueba evalúa la capacidad de discriminar tonos puros de baja frecuencia que son idénticos en los dos oídos de los mismos tonos que difieren en la fase interaural. [248] [249] TFS AF: esta prueba evalúa la frecuencia de audio más alta de un tono puro hasta la cual se puede discriminar un cambio en la fase interaural. [250]

Medidas objetivas utilizando señales envolventes y TFS.

La distorsión de la señal, el ruido aditivo, la reverberación y las estrategias de procesamiento de audio, como la supresión de ruido y la compresión de rango dinámico, pueden afectar la inteligibilidad del habla y la calidad del habla y la música. [251] [252] [253] [254] [255] Estos cambios en la percepción de la señal a menudo se pueden predecir midiendo los cambios asociados en la envolvente de la señal y/o la estructura fina temporal (TFS). Las medidas objetivas de los cambios de señal, cuando se combinan con procedimientos que asocian los cambios de señal con diferencias en la percepción auditiva, dan lugar a métricas de rendimiento auditivo para predecir la inteligibilidad y la calidad del habla.

Los cambios en el TFS se pueden estimar pasando las señales a través de un banco de filtros y calculando la coherencia [256] entre la entrada y la salida del sistema en cada banda. La inteligibilidad predicha a partir de la coherencia es precisa para algunas formas de ruido aditivo y distorsión no lineal, [251] [255] pero funciona mal para la supresión de ruido de máscara binaria ideal (IBM). [253] La calidad del habla y la música para señales sujetas a ruido y distorsión de recorte también se ha modelado utilizando la coherencia [257] o utilizando la coherencia promediada en segmentos cortos de señal. [258]

Los cambios en la envolvente de la señal se pueden medir mediante varios procedimientos diferentes. La presencia de ruido o reverberación reducirá la profundidad de modulación de una señal, y la medición multibanda de la profundidad de modulación de la envolvente de la salida del sistema se utiliza en el índice de transmisión de voz (STI) para estimar la inteligibilidad. [259] Si bien es preciso para aplicaciones de ruido y reverberación, el STI funciona mal para procesamiento no lineal como la compresión de rango dinámico. [260] Una extensión del STI estima el cambio en la modulación mediante la correlación cruzada de las envolventes de las señales de entrada y salida de voz. [261] [262] Un procedimiento relacionado, que también utiliza correlaciones cruzadas de envolvente, es la medida de inteligibilidad objetiva de corto tiempo (STOI), [253] que funciona bien para su aplicación prevista en la evaluación de la supresión de ruido, pero que es menos precisa para distorsión no lineal. [263] Las métricas de inteligibilidad basadas en envolventes también se han obtenido utilizando bancos de filtros de modulación [67] y patrones de modulación de tiempo-frecuencia de envolvente. [264] La correlación cruzada de envolvente también se utiliza para estimar la calidad del habla y la música. [265] [266]

Las mediciones de envolvente y TFS también se pueden combinar para formar métricas de inteligibilidad y calidad. Se ha obtenido una familia de métricas para la inteligibilidad del habla, [263] la calidad del habla, [267] [268] y la calidad de la música [269] utilizando un modelo compartido de la periferia auditiva [270] que puede representar la pérdida auditiva. El uso de un modelo de la periferia con discapacidad conduce a predicciones más precisas para los oyentes con discapacidad auditiva que el uso de un modelo de audición normal, y la métrica combinada de envolvente/TFS es generalmente más precisa que una métrica que utiliza únicamente la modulación de envolvente. [263] [267]

Ver también

Referencias

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