耳蝸聽覺信息處理研究方法與物理機(jī)制新進(jìn)展

1、1耳蝸聽覺信息處理研究方法與物理機(jī)制新進(jìn)展作者:龍長才發(fā)表時(shí)間:20121115來源:信息科學(xué)部大千世界聲音紛繁，聽覺系統(tǒng)總能洞悉其中傳遞的信息。聽覺系統(tǒng)如何處理聽覺信息，不僅令人好奇遐想，也令信息處理、聽力康復(fù)、聽覺系統(tǒng)疾病診斷等應(yīng)用領(lǐng)域迫切希望了解并加以利用。耳蝸是聽覺信息處理的重要部位，GegvonBeksey在上個(gè)世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)耳蝸類似頻譜儀具有頻率分析功能，能對聲音中不同頻率成份通過耳蝸基底膜不同部位的振動(dòng)做出響應(yīng)，然后通過

2、與之相連的不同神經(jīng)通道傳入大腦。Beksey因此獲諾貝爾獎(jiǎng)，耳蝸頻率部位信息處理也被廣泛應(yīng)用，成為基于聽覺的語音信號處理、電子耳蝸等重要應(yīng)用的基礎(chǔ)。但是，最近的理論研究表明，聽覺的一系列獨(dú)特信號處理功能與特征可能源于耳蝸，耳蝸在信號處理上的表現(xiàn)可能比Beksey的頻率分析功能更復(fù)雜，耳蝸中基底膜的聲傳播可能不是Beksey線性行波，而是非線性Hopf陣列。但是，如何從實(shí)驗(yàn)上對耳蝸的非線性信號處理進(jìn)行觀測研究，卻是極具挑戰(zhàn)而艱巨的工作。耳

3、蝸非線性信號處理研究的困難在于其非線性發(fā)生在納米、亞納米，也即原子直徑尺度的基底膜振動(dòng)，這僅從尺度上已是眾多精密觀察手段的極限；此外，耳蝸空間極為狹小，而基底膜密封在狹小骨質(zhì)蝸殼內(nèi)，要以聲音的頻率動(dòng)態(tài)跟蹤，且保持波形不失真，使得觀察與測量更為困難。國際上采用的激光差分干涉方法難以實(shí)現(xiàn)納米尺度位移測量所對應(yīng)的微小差分信號相位的直接檢測，從而采用累積相位檢測或IQ相位檢測的間接方法，導(dǎo)致非線性失真。不能實(shí)現(xiàn)近乎透明的基底膜振動(dòng)檢測，而向耳蝸

4、中投直徑10微米的反光微珠，測得的是微珠的振動(dòng)。為將激光照射到基底膜上，采用機(jī)械方法將骨質(zhì)蝸管開孔，導(dǎo)致淋巴液外流以及壓力泄漏，破壞了耳蝸的完整性。華中科技大學(xué)龍長才教授及其課題組在國家自然科學(xué)基金《視聽信息認(rèn)知計(jì)算》重大研究計(jì)劃的支持下，在耳蝸信號處理方法上取得重要進(jìn)展。課題組引入歐洲高能物理計(jì)劃項(xiàng)目中最新發(fā)展的皮秒時(shí)差測量技術(shù)，用于激光干涉差分信號相位直接檢測，實(shí)現(xiàn)音頻、原子尺度基底膜振動(dòng)的線性無失真測量。采用偏振微反射適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置

5、，無需向基底膜中投反光微珠，實(shí)現(xiàn)微反光基底膜振動(dòng)的直接測量。采用紫外高能脈沖激光，實(shí)現(xiàn)耳蝸外殼微刻與打磨，在100微米的區(qū)域內(nèi)，使之薄到透光而不破損。文章發(fā)表在2012年《ReviewofScienctificinstrument》等國際權(quán)威刊物上。這一研究使我國在目前擁有了世界上最有效的耳蝸信號聽覺處理實(shí)驗(yàn)研究手段。此外，研究基于非線性物理理論，通過非線性自適應(yīng)主動(dòng)力模型，對聽覺非線性動(dòng)態(tài)壓縮、非線性調(diào)諧、兩音抑制、結(jié)合音的物理基礎(chǔ)給

6、予解釋，并為重振等聽覺疾病的物理機(jī)理及聽力康復(fù)策略作了理論解釋和指導(dǎo)，提出了基于這一理論的更有效聽力康復(fù)與語音信號處理計(jì)算模型。相關(guān)研究成果在國際刊物上發(fā)表，并在2012年ACOUSTICSHongKong國際聲學(xué)會(huì)議上報(bào)告。該項(xiàng)研究提供了聽覺計(jì)算的新方法，為耳蝸聽覺信號處理機(jī)制與特征的進(jìn)一步認(rèn)識提供了迄今最為有效的實(shí)驗(yàn)研究手段和物理理論指導(dǎo)，開辟了耳蝸信號處理研究的新境界。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人項(xiàng)目負(fù)責(zé)人龍長才龍長才2華中科技大學(xué)物理學(xué)院華中科技