Tra buoni e cattivi rumori: le caratteristiche di sottofondo che migliorano l’ascolto

Come il cervello riesca a discriminare i rumori in ambienti caotici

Il cervello svolge il difficile compito di mantenere stabili le rappresentazioni mentali del mondo esterno attraverso i feedback sensoriali.

Gli studi hanno analizzato come il rumore possa cambiare la rappresentazione sensoriale prodotta dal cervello, attraverso l’effetto del rumore di fondo bianco (WN) in relazione ai neuroni A1 presenti nei modelli animali. Il rumore bianco (white noise) aumenta la possibilità di discriminare toni vicini l’uno all’altro nello spettro acustico.

Il cervello uditivo

L’elaborazione sensoriale è alla base della nostra interazione con il mondo ed è una parte essenziale della funzione cerebrale. A livello corticale, i neuroni sono il centro di decodificazione e informazione degli input sensoriali (Mesgarani et al., 2009; Rabinowitz et al., 2013; Klampfl et al., 2012).

Nonostante la mappatura del mondo esterno grazie alla decodifica sensoriale, non è ancora chiaro come essa si rifletta sul comportamento.

I neuroni corticali sono in genere sensibili solo ad un range di caratteristiche sensoriali, come accade nella corteccia uditiva.

I suoi neuroni infatti operano una selezione nei confronti di determinate frequenze sonore. Quando viene presentato uno stimolo, la corteccia riceve feedback dalle attività derivanti dalla coclea. Questo processo di trasmissione delle frequenze che parte dalla coclea sino alla corteccia uditiva primaria viene chiamato tonotopia (Evans et al., 1965; Goldstein et al., 1970).

A livello cellulare, la tonotopia si traduce in una mappatura di neuroni organizzati che selezionano frequenze precise di suono. In alcuni casi, questi campi ricettivi sono caratterizzati da una risposta a campana ad uno stimolo variabile e viene definita curva di sintonia.

Le curve di ottimizzazione uditiva non sono statiche ma si adattano durante i cambiamenti del contesto dello stimolo (Atiani et al., 2009, Reig et al., 2015) o dello stato di attenzione (Carcea et al., 2017, Francis et al., 2018, Fritz et al., 2003).

Tale flessibilità viene considerata rilevante per regolare la gamma della rappresentazione sensoriale (Rabinowitz et al., 2013).

Lo studio sulla corteccia uditiva e la presenza del rumore bianco

La ricerca della dottoressa Tania Rinaldi Barkat (2019) e dei suoi colleghi del Dipartimento di Biomedicina dell’Università di Basilea si è focalizzata sulle basi neuronali della percezione e della discriminazione del suono in un ambiente rumoroso. In particolar modo, si è voluto analizzare la corteccia uditiva, l’area del cervello deputata all’elaborazione degli stimoli acustici.

I risultati derivano da misurazioni condotte su modelli animali.

Partendo dalla premessa che la distinzione tra suoni diventa più difficile quanto più si avvicinano nello spettro delle frequenze, i ricercatori hanno ipotizzato che un rumore aggiuntivo (white noise, WN) potesse rendere ancora più difficile tale compito uditivo.

Nonostante questo presupposto teorico, i risultati hanno dimostrato il contrario.

il team è stato in grado di dimostrare che la capacità del cervello di distinguere le sottili differenze di tono è migliorata quando il rumore bianco WN è stato aggiunto allo sfondo.

Rispetto a un ambiente silenzioso, il rumore ha quindi facilitato la percezione uditiva.

Durante lo studio, infatti, vi è stata una soppressione generale dell’attività evocata dal tono nei neuroni A1, in linea con gli studi precedenti in modelli animali (Bruges et al., 1998; Ehret e Schreiner, 2000; Liang et al., 2014; Phillips, 1990; Zhou e Wang, 2010; Teschner et al., 2016).

La professoressa Tania Barkat ha aggiunto:

"Abbiamo scoperto che si sono verificate meno sovrapposizioni tra popolazioni di neuroni durante due rappresentazioni tonali separate. Di conseguenza, la riduzione complessiva dell'attività neuronale ha prodotto una rappresentazione del tono più distinta."

Per confermare che la corteccia uditiva e non un'altra area del cervello era responsabile del cambiamento nella percezione del suono, i ricercatori hanno usato la tecnica optogenetica. I loro risultati potrebbero eventualmente essere utilizzati per migliorare la percezione uditiva in situazioni in cui i suoni sono difficili da distinguere.

Secondo Barkat, è ipotizzabile che gli impianti cocleari possano essere stimolati con un effetto simile al rumore bianco al fine di migliorare la risoluzione della frequenza e quindi il risultato uditivo dei loro utenti.

Anche precedenti studi su modelli animali hanno dimostrato che il rumore di fondo bianco (WN) produce un effetto soglia che riduce la risposta dei neuroni corticali a stimoli di tono puro (Brugge et al., 1998; Ehret e Schreiner, 2000; Liang et al., 2014; Phillips, 1990; Zhou e Wang, 2010; Teschner et al., 2016).

A livello percettivo invece gli studi di psicofisica umana hanno riportato risultati differenti.

In alcuni casi, il WN ha portato ad una diminuzione della salienza uditiva (Martin et al., 1997; Whiting et al., 1998), in altri si è riscontrato persino un effetto positivo sulla discriminazione del segnale e sulla percezione del parlato (Zeng et al., 2000; Kishon-Rabin et al., 2008).

L’importanza del rumore

La funzione di base del sistema sensoriale è quella di estrarre informazioni rilevanti da un rumore di fondo più o meno indotto. Lo studio di Barkat et al. (2019) ha dimostrato che la rappresentazione corticale di toni puri è maggiormente efficace quando introdotto un rumore bianco e viene soppressa la risposta di tono puro.

Di conseguenza è più facile che vengano distinti più facilmente i toni all’interno di una banda di frequenza ristretta.

L’acuità uditiva potrebbe migliorare perché è probabile che il silenzio totale sia una condizione innaturale e il cervello sia più efficiente in ambienti rumorosi.

In alternativa il cervello potrebbe promuovere la discriminazione a scapito della precisione in altre caratteristiche del suono, come ad esempio il volume, soprattutto in casi discriminazione rispetto al rilevamento (Guo et al., 2017).

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Saranno necessari lavori futuri per determinare in che modo i numerosi effetti della WN già descritti a livello percettivo (Kishon-Rabin et al., 2008, Zeng et al., 2000) si riflettono nell'attività neuronale corticale. Nell'uomo, il rumore compromette diversi aspetti come l’acuità uditiva, la discriminazione e il riconoscimento vocale.

Questi esperimenti portano all'osservazione rivoluzionaria che il rumore può migliorare la discriminazione uditiva.

La ricerca futura potrà utilizzare l’optogenetica per controllare selettivamente le curve di sintonia dei neuroni A1 e comprendere come tali modulazioni incidano sul comportamento.

In particolar modo, potrebbe essere utile per implementare la conoscenza sui meccanismi degli impianti cocleari dei non udenti.

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Fonti:

Christensen R.K., Henrik Lindén, Mari Nakamura, Tania Rinaldi Barkat. White Noise Background Improves Tone Discrimination by Suppressing Cortical Tuning Curves. Cell Reports, 2019; 29 (7): 2041 DOI: 10.1016/j.celrep.2019.10.049

Carcea, I., Insanally, M.N., and Froemke, R.C. (2017). Dynamics of auditory cortical activity during behavioural engagement and auditory perception. Nat. Commun. 8, 14412.

Ehret, G., and Schreiner, C.E. (2000). Regional variations of noise-induced changes in operating range in cat AI. Hear. Res. 141, 107–116

Zeng, F.G., Fu, Q.J., and Morse, R. (2000). Human hearing enhanced by noise. Brain Res. 869, 251–255. Zhou, Y., and Wang, X. (2010). Cortical processing of dynamic sound envelope transitions. J. Neurosci. 30, 16741–16754