ESTUDI 2 MIRADA i OÏDA Els timpans es mouen quan els ulls es mouen: un efecte multisensorial sobre la mecànica de l'audició

Aquest altre estudi de Kurtis G. Gruters, David L. K. Murphy, Cole D. Jenson, David W. Smith, Christopher A. Shera i  Jennifer M. Groh, (universitat de Pittsburg) del 2018, és també rellevant en relació a com s'organitzen mirada i oïda.

Els timpans es mouen quan els ulls es mouen: un efecte multisensorial sobre la mecànica de l'audició

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1717948115 

Quan parla de SACADES es refereix als moviments sacàdics dels ulls.

De nou, tingueu en compte que la traducció és automàtica. 

Per una millor comprensió de l'artice podeu seguir les gràfiques originals a l'enllaç. 

************************************************************************

Importància

El sistema auditiu perifèric conté diversos mecanismes motors que permeten al cervell modificar el procés de transducció auditiva. Els moviments o la tensió dels músculs de l'orella mitjana o de les cèl·lules ciliades externes modifiquen el moviment del timpà, produint sons que es poden detectar mitjançant un micròfon situat al conducte auditiu (per exemple, com a emissions otoacústiques). Aquí, informem d'una forma de moviment del timpà produït pel cervell mitjançant aquests sistemes: oscil·lacions sincronitzades i covariants amb la direcció i amplitud de les sacàdes. Aquestes observacions suggereixen que un procés relacionat amb la visió modula la primera etapa de l'audició. En particular, aquestes oscil·lacions del timpà relacionades amb el moviment dels ulls poden ajudar el cervell a connectar vistes i sons malgrat els canvis en la relació espacial entre els ulls i les orelles.

Resum

Se sap que les interaccions entre vies sensorials, com ara els sistemes visual i auditiu, es produeixen al cervell, però no se sap on es produeixen per primera vegada. Aquí, mostrem una interacció multimodal evident al timpà. Les mesures del micròfon del canal auditiu en humans (n ​​= 19 orelles en 16 subjectes) i micos (n = 5 orelles en tres subjectes) que realitzen una tasca de moviment ocular sacàdic a objectius visuals van indicar que el timpà es mou juntament amb el moviment ocular. El moviment del timpà era oscil·latori i va començar tan aviat com 10 ms abans de l'inici de la saccade en humans o amb l'inici de la saccade en micos. Aquests moviments del timpà, que anomenem oscil·lacions del timpà relacionades amb el moviment dels ulls (EMREO), es van produir en absència d'un estímul sonor. L'amplitud i la fase dels EMREO depenien de la direcció i l'amplitud horitzontal de la saccade. Van durar durant tota la sacada i fins als períodes posteriors de fixació constant. Discutim la possibilitat que els mecanismes subjacents als EMREO creïn indicis binaurals relacionats amb el moviment ocular que poden ajudar el cervell a avaluar la relació entre les ubicacions dels estímuls visuals i auditius a mesura que es mouen els ulls.

La informació visual pot ajudar a l'audició, com ara quan les indicacions de lectura dels llavis faciliten la comprensió de la parla. Per obtenir aquests beneficis, el cervell ha d'enllaçar primer els senyals visuals i auditius que sorgeixen de llocs comuns a l'espai. En espècies amb ulls mòbils (per exemple, humans, micos), els senyals espacials visuals i auditius no tenen una relació fixa entre ells, sinó que canvien dràsticament i amb freqüència a mesura que els ulls es mouen, unes tres vegades per segon en un rang de 80 ° d'espai. En conseqüència, s'ha dedicat un esforç considerable a determinar on i com el cervell incorpora informació sobre els moviments oculars als fluxos de processament visual i auditiu (1). Al cervell dels primats, totes les regions avaluades anteriorment han mostrat algunes evidències que els moviments oculars modulen el processament auditiu [col·licle inferior (2–6), còrtex auditiu (7–9), còrtex parietal (10–12) i col·licul superior (10–12). 13–17)]. Aquests descobriments plantegen la qüestió d'on en la via auditiva els moviments oculars afecten primer el processament auditiu. En aquest estudi, vam provar si els moviments oculars afecten el processament a la perifèria auditiva.

La perifèria auditiva posseeix almenys dos mitjans per adaptar el seu processament en resposta al control neuronal descendent (Fig. 1). En primer lloc, els músculs de l'orella mitjana (MEM), l'estapedi i el tensor del timpà, s'uneixen als ossicles que connecten el timpà amb la finestra oval de la còclea. La contracció d'aquests músculs tira de la cadena ossicular, modulant la transmissió del so de l'oïda mitjana i movent el timpà. En segon lloc, dins de la còclea, les cèl·lules ciliades externes (OHC) són mecànicament actives i modifiquen el moviment tant de la membrana basilar com, mitjançant l'acoblament mecànic a través dels ossicles, del timpà [és a dir, les emissions otoacústiques (OAE)]. En resum, les accions dels MEM i OHC afecten no només la resposta al so entrant, sinó que també transmeten vibracions cap enrere al timpà. Tant els MEM com els OHC estan subjectes a un control descendent per senyals del sistema nerviós central (revisat a les refs. 18-20), permetent al cervell ajustar la codificació coclear del so en resposta als sons anteriors o en curs a qualsevol oïda i basant-se en factors globals, com l'atenció (21–27). L'acció col·lectiva d'aquests sistemes es pot mesurar en temps real amb un micròfon col·locat al conducte auditiu (28). Hem utilitzat aquesta tècnica per estudiar si el cervell envia senyals a la perifèria auditiva sobre els moviments oculars, la informació crítica necessària per conciliar els mons espacial auditiu i espacial visual.

Fig. 1.

Resultats

Els timpans es mouen amb saccades.

Setze humans van executar saccades a objectius visuals que variaven en posició horitzontal (Fig. 2A). La meitat dels assaigs eren silenciosos, mentre que l'altra meitat incorporava una sèrie de clics irrellevants per a la tasca presentats abans, durant i en dos moments després de les saccades (Fig. 2B). Això ens va permetre comparar els efectes dels senyals neuronals relacionats amb el moviment ocular a la perifèria auditiva en silenci, així com en presència de sons que s'utilitzen sovint per provocar OAE.

Fig. 2.

Disseny experimental i resultats. (A) Els enregistraments per a tots els subjectes es van fer mitjançant un micròfon (Mic) al canal auditiu situat en un auricular personalitzat. A cada assaig, un subjecte es va fixar en un LED central i després va fer una saccada a un LED objectiu (de -24 ° a +24 ° horitzontalment en increments de 6 ° i 6 ° per sobre del punt de fixació) sense moure el cap. Les ubicacions de ± 24 ° es van incloure només en el 4,5% dels assaigs i es van excloure de l'anàlisi (Mètodes); altres ubicacions objectiu eren igual de probables (freqüència de ∼13%). (B) Els humans (text en negre) van rebre assaigs silenciosos i clics intercalats aleatòriament (50% cadascun). Els clics es van reproduir mitjançant un transductor de so acoblat amb el micròfon en quatre vegades durant aquests assaigs: durant la fixació inicial i la saccada i a 100 ms i 200 ms després de la fixació de l'objectiu. Els assaigs de micos van tenir diferències de temps menors (text vermell) i tots els assaigs van tenir un clic a 200-270 ms després de la fixació de l'objectiu (rastre de clic vermell). (C) Es mostren les trajectòries oculars mitjanes per a un subjecte humà i sessió per a cadascun dels objectius inclosos; els colors indiquen les ubicacions de la diana sacada des de ipsilateral (blau) fins a contralateral (vermell). graus, graus; Horitzontal, horitzontal; Vert., vertical. La posició mitjana dels ulls es mostra en funció del temps, alineada a l'inici de la sacada (D) i al desplaçament (E). H, horitzontal; V, vertical. Els enregistraments mitjans del micròfon de la pressió de l'aire al conducte auditiu, alineats a l'inici de la sacada (F) i al desplaçament (G), indiquen que el timpà oscil·la juntament amb els moviments oculars. La fase i l'amplitud de l'oscil·lació variaven amb la direcció de la sacada i l'amplitud, respectivament. Les oscil·lacions eren, de mitjana, més grans quan s'alineaven a l'inici de la saccade que quan s'alineaven al desplaçament de la saccade.

Vam trobar que el timpà es movia quan els ulls es movien, fins i tot en absència de sons emesos externament. La figura 2 D i E mostra la posició mitjana dels ulls en funció del temps per a cada ubicació objectiu per als subjectes humans en assaigs sense estímul sonor, alineada respecte a l'inici de la saccade (figura 2D) i la compensació (Fig. 2E). Les tensions mitjanes corresponents del micròfon estan alineades de manera similar i codificades per colors per a la direcció i l'amplitud de la sacada (Fig. 2 F i G). Les lectures del micròfon oscil·laven, es van bloquejar en el temps tant a l'inici de la sacada com a la compensació amb una fase que depenia de la direcció de la sacada. Quan els ulls es van moure cap a un objectiu visual contralateral a l'oïda que s'està enregistrant, la tensió del micròfon es va desviar positivament, indicant un canvi en la pressió del canal auditiu, començant uns 10 ms abans de l'inici del moviment ocular. Això va ser seguit d'una desviació negativa més substancial a uns 5 ms després de l'inici del moviment ocular, després del qual es van produir cicles oscil·latoris addicionals. El període de l'oscil·lació és típicament d'uns 30 ms (∼33 Hz). Per a les saccades en direcció oposada (ipsilateral), el senyal del micròfon va seguir un patró similar però en sentit contrari: la desviació inicial de l'oscil·lació va ser negativa. L'amplitud de les oscil·lacions sembla variar amb l'amplitud de les saccades, amb saccades més grans associades amb cims més grans que les que es produeixen per a saccades més petites.

La comparació de les traces alineades a l'inici de la sacada versus la compensació de la saccade revela que les oscil·lacions continuen almenys en la part inicial del període de fixació constant que va seguir a la compensació de la saccade. L'oscil·lació del timpà relacionada amb el moviment dels ulls (EMREO) observada després del desplaçament de la saccade era similar en forma a la observada durant la pròpia saccada quan les traces del micròfon es van alinear a l'inici de la saccade, mantenint la seva dependència de fase i magnitud de la direcció i la longitud de la saccade. El fet que aquesta continuació postsacàdica de l'EMREO no es vegi quan les traces s'alineen a l'inici de la saccade suggereix una relació sistemàtica entre el desplaçament del moviment i la fase de l'EMREO, de manera que la variació de la durada de la saccade enfosquia la naturalesa continuada de l'EMREO. .

Per obtenir un retrat de la significació estadística de la relació entre la direcció i l'amplitud dels moviments oculars i les mesures observades del micròfon de la pressió del canal auditiu al llarg del temps, vam calcular una regressió de la tensió del micròfon en funció de la ubicació de l'objectiu de la saccade per a cada mostra de 0,04 ms. de 25 ms abans a 100 ms després de l'inici de la saccade. La regressió es va realitzar per separat per a cada subjecte individual. Com que això va implicar moltes proves estadístiques repetides, vam comparar els resultats reals amb una simulació de Montecarlo en la qual vam fer la mateixa anàlisi però vam barrejar la relació.

EMREOs i Click Stimuli.

Els EMREO es van produir no només en silenci, sinó també quan es presentaven els sons. Durant la meitat dels nostres assaigs per a subjectes humans, es van lliurar clics acústics (SPL equivalent al pic de 65 dB) durant la fixació inicial, durant la saccade a l'objectiu i tant a 100 ms com a 200 ms després d'obtenir la fixació de l'objectiu. Clics presentats durant la saccade superposats a l'EMREO en curs (Fig. 8B1). La resta dels clics mesurats durant el període de fixació (Fig. 8A1) va indicar que l'EMREO no es va canviar de manera apreciable per la presència del clic (Fig. 8B2). A diferència de l'inici o el desplaçament de la saccade, el clic no semblava restablir la fase de l'EMREO.

Fig. 8.

Els clics no semblen alterar els EMREO. (Fila superior) Es mostren els senyals de micròfon mitjans per a subjectes humans (A–D) i micos (E) per a presentacions de clic en diversos moments: durant la fixació inicial (A), durant la saccada (B, ∼ 20 ms després de l'inici de la saccade). ), i 100 ms (C) i 200 ms (D) després de la fixació de l'objectiu en humans, i 200-270 ms després de la fixació de l'objectiu en micos (E). (Incrustacions) Vistes ampliades del temps de periclic per a una vista més detallada (fons gris). (Mitjà, B-D) Es mostra el senyal de micròfon residual després de restar el primer clic de cada assaig (subjectes humans). No hi havia distorsions evidents als EMREO en el moment del clic (eliminat), cosa que suggereix que els efectes dels EMREO interactuen linealment amb els sons entrants. (Inferior, A–E) Es mostra l'amplitud mitjana de pic a pic dels clics (mitjana ± SE). No hi va haver diferències clares en les amplituds de clic màxims per a cap època, cosa que indica que la impedància acústica no va canviar en funció de la ubicació de l'objectiu de la saccade. Contra, contralateral; Ipsi, ipsilateral.

Els clics realitzats després de completar el moviment ocular (Fig. 8 C1, C2, D1 i D2) no van revelar nous efectes provocats pel so atribuïbles a les diferents posicions estàtiques de fixació dels ulls aconseguides pels subjectes en aquell moment de l'assaig. Els resultats en micos, per als quals només es va lliurar un clic postsacàdic (a 75 dB SPL màxim equivalent), van ser similars (Fig. 8E).

Finalment, vam provar l'amplitud de pic a pic del senyal del micròfon corresponent al propi clic. Qualsevol canvi en l'amplitud registrada d'un clic malgrat que s'hagi aplicat el mateix voltatge a l'altaveu de l'auricular indicaria canvis en la impedància acústica de l'orella en funció de la direcció de la sacada. Hem calculat l'amplitud de pic a pic del clic en funció de la ubicació de l'objectiu de la saccade, però no hem trobat cap evidència clara de cap diferències relacionades amb la ubicació de l'objectiu de la saccade durant cap de les èpoques temporals (Fig. 8 A3-E3). Si els mecanismes que provoquen el moviment del timpà produeixen canvis concomitants en la rigidesa dinàmica del timpà, són massa petits per ser detectats amb aquesta tècnica.

Discussió

Aquí, vam demostrar un patró regular i previsible de moviments oscil·latoris del timpà associat amb els moviments dels ulls. Quan els ulls es mouen cap a l'esquerra, els dos timpans es mouen inicialment cap a la dreta i després oscil·len durant tres o quatre cicles, amb un altre o dos cicles que es produeixen un cop finalitzat el moviment ocular. Els moviments oculars en la direcció oposada produeixen un patró oscil·latori en la direcció oposada. Aquest EMREO està present tant en primats humans com no humans i sembla similar a les dues orelles en subjectes individuals.

L'impacte del procés relacionat amb el moviment ocular revelat aquí en el processament auditiu posterior encara està per determinar. En el cas dels OAE, les emissions en si es passen per alt fàcilment, sons propers al llindar al conducte auditiu. Tanmateix, els mecanismes coclears que els donen lloc tenen un profund impacte en la sensibilitat i el rang dinàmic de l'audició (31, 32). Així, els OAE serveixen com a biomarcador de la salut d'aquest important mecanisme. Els EMREO poden constituir un biomarcador similar que indica que la informació sobre la direcció, l'amplitud i el moment d'ocurrència dels moviments oculars sacàdics ha arribat a la perifèria i que aquesta informació està afectant processos mecànics subjacents que potser no es poden observar fàcilment. Per tant, l'avaluació EMREO pot tenir valor per entendre els dèficits auditius i visual-auditius que contribueixen a trastorns que van des de trastorns del llenguatge fins a l'autisme i l'esquizofrènia, així com els dèficits multisensorials associats a lesions cerebrals traumàtiques.

Una qüestió important sense resoldre és si la naturalesa oscil·latòria de l'efecte observat aquí reflecteix els aspectes més importants del fenomen. Pot ser que les oscil·lacions reflecteixin canvis en les estructures internes de l'oïda que persisteixen estàticament fins que l'ull es mou de nou. Si és així, l'impacte en el processament auditiu no es limitaria al període de temps en què el timpà està realment oscil·lant. En canvi, el processament es podria veure afectat en tot moment, actualitzant-se a un nou estat amb cada moviment ocular.

Si les oscil·lacions en si són l'element més crític del fenomen i el processament auditiu només es veu afectat durant aquestes oscil·lacions, llavors és important determinar durant quina proporció del temps es produeixen. En el nostre paradigma, vam poder demostrar les oscil·lacions que es van produir durant un període total de ∼ 110 ms, basant-nos en els resultats agregats de l'alineació a l'inici i el desplaçament de la saccade. Poden continuar més temps, però amb una fase que canvia en relació a alguna variable no mesurada o no controlada. A mesura que passa el temps després del moviment ocular, la fase dels assaigs individuals pot derivar de manera que l'oscil·lació desaparegui de la mitjana de l'assaig. Tanmateix, amb els ulls movent-se unes tres vegades per segon en condicions normals, una durada d'EMREO d'uns 110 ms per cada saccade correspon a aproximadament un terç del temps en total.

Independentment, l'evidència que argumenta una possible influència en el processament auditiu es pot veure en la mida dels EMREO. Una comparació directa d'EMREO amb OAE és difícil, ja que els llindars de detecció auditiva són més alts en el rang de freqüència dels EMREO que en el rang d'OAE, però els EMREO semblen ser almenys comparables i possiblement més grans que els OAE. Per a saccades horitzontals de 18 °, els EMREO produeixen una pressió màxima equivalent d'uns 57 dB SPL, mentre que els OAE evocats per clics oscil·len entre ∼0 i 20 dB SPL en orelles sanes. L'escala similar o més gran d'EMREO dóna suport a la interpretació que probablement reflecteixen mecanismes subjacents de força suficient per fer una contribució significativa al processament auditiu.

De qualsevol manera que els EMREO, o el seu mecanisme subjacent, contribueixin al processament auditiu, suposem que l'efecte es refereix a la localització dels sons respecte a l'escena visual o a l'ús de moviments oculars. Determinar si una visió i un so sorgeixen d'una posició espacial comuna requereix conèixer la relació entre els marcs de referència visuals centrats en l'ull i auditius centrats en el cap. La posició dels ulls actua com un factor de conversió de les coordenades centrades en l'ull a les del cap (1), i s'han identificat senyals relacionats amb el moviment ocular en múltiples regions cerebrals sensibles a l'audició (2-17). La direcció/fase i l'amplitud dels EMREO contenen informació sobre la direcció i l'amplitud dels moviments oculars que l'acompanyen, la qual cosa els situa bé per jugar un paper causal en aquest procés.

Tingueu en compte que considerem que l'EMREO contribueix molt probablement a un comportament de localització de so normal i precís. Els sons es poden localitzar amb precisió mitjançant els moviments oculars, independentment de la posició inicial dels ulls (33), i això és cert fins i tot per als sons breus que es presenten quan els ulls estan en vol (34). Tot i que alguns estudis han trobat influències subtils de la posició dels ulls en les tasques de percepció del so (35-42), aquests efectes només són consistents quan hi ha una fixació prolongada (43-45). Mantenir els ulls ferms durant uns segons a minuts representa una desviació substancial del període de temps en què es produeixen normalment els moviments oculars. És possible que les deficiències del sistema EMREO en aquestes circumstàncies contribueixin a aquestes imprecisions.

La font dels senyals que causen els EMREO no es coneix actualment. Com que els EMREO precedeixen, o es produeixen simultàniament, amb l'inici del moviment real, sembla probable que derivin d'una còpia de l'ordre motor per generar el moviment ocular en lloc d'un senyal propioceptiu de les òrbites, que necessàriament retardaria el moviment ocular real. Aquest senyal generat centralment ha d'afectar l'activitat dels MEM o dels OHC, o una combinació d'ambdós.

A partir de les similituds entre els nostres enregistraments i l'activitat fisiològica coneguda dels MEM, suposem que el mecanisme darrere d'aquest fenomen és probablement els MEM. Concretament, la freqüència (al voltant de 20-40 Hz) és similar a les oscil·lacions observades en enregistraments anteriors tant del múscul tensor del timpà com dels músculs estapedius (46-51). A més, sembla poc probable, donada la caiguda mesurada de la transmissió inversa de l'oïda mitjana a freqüències baixes (52), que l'activitat de l'OHC pugui produir sons del canal auditiu de la magnitud observada (42 mPa de pic a pic o pic de 57 dB). -SPL equivalent). Tot i que els MEM sovint s'associen amb l'atenuació bilateral de sons ambientals forts i autogenerats (que la seva activitat pot preceder), també se sap que són actius en absència d'estímuls auditius explícits, especialment durant el somni amb moviments oculars ràpids (53-56) i reflexos de sobresalt no acústics (51, 57–61) i s'ha trobat que presenten activitat associada amb els moviments del cap i el coll en gats desperts (57, 62). (Aquesta darrera observació mereix una investigació addicional; potser també hi ha una oscil·lació del timpà relacionada amb el moviment del cap per facilitar la conversió de la informació auditiva en un marc de referència centrat en el cos).

De manera més general, hem demostrat que les interaccions multisensorials es produeixen al punt més perifèric possible del sistema auditiu i que aquesta interacció és sistemàtica i substancial. Aquesta observació es basa en estudis que mostren que l'atenció, ja sigui guiada auditivament o visualment, també pot modular la perifèria auditiva (21-27). Les nostres troballes també plantegen la intrigant possibilitat que les vies eferents d'altres sistemes sensorials [per exemple, les que condueixen a la retina (63–73)] també portin informació multisensorial per ajudar a perfeccionar el processament perifèric. Aquest estudi contribueix a un conjunt d'evidències emergents que suggereixen que el cervell es veu millor com un sistema dinàmic en què els senyals de dalt a baix modulen els senyals d'alimentació anticipada; és a dir, el cervell integra informació de dalt a baix al principi del processament sensorial per prendre la decisió millor informada sobre el món amb el qual ha d'interactuar.

Mètodes

Les dades d'aquest estudi estan disponibles a https://figshare.com.

Subjectes humans i paradigma experimental.

Conjunt de dades humanes I.

En aquest estudi van participar subjectes humans (n ​​= 16, vuit dones, de 18 a 45 anys; els participants incloïen estudiants universitaris i adults joves de la comunitat local). Tots els procediments que involucren subjectes humans van ser aprovats pel Comitè de Revisió Institucional de la Universitat de Duke. Els subjectes tenien una audició aparentment normal i una visió normal o corregida. Es va obtenir el consentiment informat de tots els participants abans de la prova i tots els subjectes van rebre una compensació monetària per la seva participació. La presentació d'estímuls (visuals i auditius), la recollida de dades i l'anàlisi fora de línia es van executar amb programari personalitzat que utilitzava múltiples interfícies [interfície de comportament i presentació d'estímuls visuals: programari Beethoven (freqüència de mostreig de la posició dels ulls: 500 Hz), Ryklin, Inc.; presentació d'estímuls auditius i adquisició de dades: Tucker Davis Technologies (freqüència de mostreig del micròfon: 24,441 kHz); i emmagatzematge i anàlisi de dades: MATLAB; MathWorks].

Els subjectes estaven asseguts en una habitació fosca i atenuant el so. Els moviments del cap es van minimitzar mitjançant una mentonera i es van fer un seguiment dels moviments oculars amb una càmera d'infrarojos (EyeLink 1000 Plus). Els subjectes realitzaven una tasca de saccade senzilla (Fig. 2 A i B). El subjecte va iniciar cada assaig obtenint la fixació en un LED situat a 0° en azimut i elevació i a uns 2 m de distància. Després de 200 ms de fixació, es va apagar el LED central i es va il·luminar un LED objectiu situat 6 ° per sobre del meridià horitzontal i que oscil·lava entre -24 ° i 24 °, en intervals de 6 °. Els objectius més excèntrics (± 24 °) es van incloure tot i estar una mica més enllà del rang en què els moviments del cap normalment acompanyen els moviments oculars, que normalment és de 20 ° (74, 75), perquè vam trobar en proves preliminars que incloure aquestes ubicacions millorava el rendiment per les següents ubicacions més excèntriques (és a dir, els objectius de ±18°). Tanmateix, com que aquestes ubicacions (± 24 °) eren difícils per als subjectes per tenir un bon rendiment, només les vam presentar en el 4,5% dels assaigs (en comparació amb el 13% de les altres ubicacions) i les vam excloure de l'anàlisi. Després que els subjectes fessin saccades al LED objectiu, van mantenir la fixació en ell (diàmetre de la finestra de 9 °) durant 250 ms fins al final de la prova. Si es va deixar caure la fixació (és a dir, si els ulls viatjaven fora de la finestra de 9° en qualsevol moment del període de fixació inicial o objectiu), la prova es va acabar i va començar la següent.

A la meitat de les proves, es van presentar sons irrellevants per a la tasca mitjançant els auriculars d'un conjunt d'auriculars/micròfon (micròfon Etymotic 10B+ amb controlador d'auriculars ER 1) col·locats al canal auditiu i subjectats a través d'un tap de silicona modelat a mida (Radians, Inc.). Aquests sons eren clics acústics a un pic equivalent SPL de 65 dB, produïts per polsos elèctrics breus (pols monofàsic positiu de 40 μs) i es van presentar en quatre moments de cada assaig: durant el període de fixació inicial (100 ms després d'obtenir la fixació) , durant la saccade (∼ 20 ms després d'iniciar un moviment ocular), 100 ms després d'obtenir la fixació a l'objectiu i 200 ms després d'obtenir la fixació a l'objectiu.

Els senyals acústics del canal auditiu es van enregistrar a través del micròfon intraoïdal durant tots els assaigs, i es van gravar des d'una orella en 13 subjectes (contrapesat esquerra/dreta) i d'ambdues orelles en sessions separades en els altres tres subjectes, per a un total de n = 19 orelles provades. Les proves per a cada oïda subjecte es van realitzar en dues sessions durant dos dies consecutius o dins del mateix dia, però separades per un descans d'almenys 1 h entre sessions. Cada sessió va implicar unes 600 proves i va durar un total d'uns 30 minuts. El sistema de lliurament de so i micròfon es va calibrar al principi de cada sessió mitjançant un script personalitzat (MATLAB) i de nou després de cada bloc de 200 proves. La rutina de calibratge va reproduir un so SPL nominal de 80 dB (un clic, una ràfega de banda ampla i una sèrie de tons a freqüències que van d'1 a 12 kHz en 22 passos) al canal auditiu i va registrar la pressió sonora resultant. A continuació, va calcular la diferència entre la pressió sonora sol·licitada i la mesurada i va calcular un perfil d'ajust de guany per a tots els sons provats. Els nivells de gravació auditiva es van establir amb una rutina de calibratge de programari personalitzada (MATLAB) al començament de cada bloc de recollida de dades (200 proves). Totes les condicions es van intercalar aleatòriament.

Conjunt de dades humanes II.

Es van recollir dades addicionals de vuit orelles de quatre subjectes nous (entre 20 i 27 anys, tres dones i un home, una sessió per subjecte) per verificar que la relació entre la tensió del micròfon i l'amplitud de la saccade/la ubicació de l'objectiu es mantingués quan es va mostrejar amb més precisió. un hemicamp. Tots els procediments eren els mateixos que en el primer conjunt de dades amb tres excepcions: (i) Les posicions horitzontals de l'objectiu oscil·laven entre -20 ° i +20 ° en increments de 4 ° (el component vertical encara era de 6 °), (ii) els estímuls eren es va presentar des d'un monitor LCD en color (70 cm × 49 cm) a una distància de 85 cm i (iii) no es van reproduir clics durant les proves. El senyal del micròfon també es va calibrar de manera diferent: els clics reproduïts entre proves van revelar l'estabilitat de la seva resposta a l'impuls i el guany global durant i durant les sessions experimentals. Això va ajudar a identificar la disminució de la potència de la bateria dels amplificadors, l'oclusió del canó del micròfon o un canvi en la posició del micròfon. Es va utilitzar una interfície d'àudio Focusrite Scarlett 2i2 per a la presentació d'estímuls auditius i l'adquisició de dades (freqüència de mostreig de micròfon de 48 kHz). La presentació d'estímuls i l'adquisició de dades es van controlar mitjançant scripts MATLAB personalitzats mitjançant l'extensió The Psychophysics Toolbox (76–78) i la caixa d'eines Eyelink MATLAB (79).

Aquestes dades es presenten a la figura S1, i la resta de figures humanes es deriven del conjunt de dades I.

Matèries del mico i paradigma experimental.

Tots els procediments s'ajustaven a les directrius dels National Institutes of Health (publicació NIH núm. 86-23, revisada el 1985) i van ser aprovats pel Comitè Institucional de Cura i Ús d'Animals de la Universitat de Duke. Els subjectes de mico (n = 3, totes dones) es van sotmetre a procediments quirúrgics asèptics sota anestèsia general per implantar un suport del cap per retenir el cap i una bobina de cerca escleral (Riverbend Eye Tracking System) per fer un seguiment dels moviments oculars (80, 81). Després de la recuperació amb analgèsics adequats i atenció veterinària, els micos van ser entrenats en la tasca de saccade descrita anteriorment per als subjectes humans. Es van provar dos micos amb les dues orelles en sessions separades, mentre que el tercer mico es va provar amb una orella, per a un total de n = 5 orelles provades.

L'estructura de l'assaig era similar a la utilitzada al conjunt de dades humans I, però amb les següents diferències (Fig. 2B, traces vermelles): (i) El seguiment ocular es va fer amb una bobina d'ull escleral; (ii) es van presentar sons irrellevants per a la tasca en tots els assaigs, però només es va presentar un clic a 200-270 ms després de la saccada a l'objectiu visual (el temps exacte es va alterar en aquest rang i, per tant, va ser al mateix temps o una mica més tard). que el moment del quart clic per a subjectes humans); (iii) els objectius de ± 24 ° es van presentar en una proporció igual a les altres ubicacions de destinació, però es van excloure de l'anàlisi de la mateixa manera que anteriorment, i hi va haver objectius addicionals a ± 9 ° que també es van descartar ja que no es van utilitzar amb els subjectes humans. ; (iv) la fixació inicial va ser de 110 a 160 ms (interval de temps agitat), mentre que la durada de la fixació de l'objectiu era de 310 a 430 ms; (v) els micos van rebre una recompensa fluida per un correcte rendiment de la prova; (vi) es van col·locar auriculars de plàstic d'un sol ús que contenien el conjunt d'auriculars/micròfon com a anteriors al canal auditiu per a cada sessió; (vii) els nivells d'enregistrament auditiu es van establir al començament de cada sessió de recollida de dades (l'orella no es va treure durant una sessió i, per tant, no es va produir cap recalibració dins d'una sessió); (viii) les sessions no estaven dividides en blocs (els micos normalment actuaven de manera coherent durant tota una sessió i dividir-la en blocs era innecessari); i (ix) el nombre d'assaigs per sessió va ser diferent per als micos respecte als humans (que sempre es van presentar exactament 1.200 assaigs al llarg de tot l'estudi), i el nombre real d'assaigs realitzats va variar en funció de la tolerància i les capacitats del rendiment del mico el dia. Els micos MNN012 i MYY002 es van executar durant quatre sessions per orella (no més d'una sessió al dia) al llarg de 2 setmanes; MNN012 va realitzar correctament una mitjana de 889 de 957 assaigs a les ubicacions objectiu incloses per sessió per a ambdues orelles, mentre que MYY002 va realitzar correctament 582 de 918 assaigs per sessió de mitjana. Monkey MHH003 només es va registrar durant 1 dia i va donar 132 correctes de 463 assaigs. Malgrat aquest rendiment molt inferior, la inspecció visual de les dades va suggerir que eren coherents amb altres dades del subjecte i, per tant, es van incloure per a l'anàlisi. Val la pena destacar que l'efecte reportat en aquest estudi es pot observar, en aquest cas, amb relativament pocs assaigs.

Sessions de control.

Per verificar que els efectes aparents dels moviments oculars sobre els sons generats per l'oïda eren de naturalesa genuïnament acústica i no reflectien la contaminació elèctrica de fonts com els potencials miogènics dels músculs extraoculars o l'orientació canviant del dipol elèctric del globus ocular, vam fer un estudi. sèrie d'estudis de control addicionals. Alguns subjectes (n = 4 per al control del micròfon connectat, n = 1 per al control de la xeringa) van ser convidats de nou com a participants en aquests estudis de control.

En el primer experiment de control, el micròfon es va col·locar al conducte auditiu i els subjectes realitzaven la tasca però el port d'entrada del micròfon estava físicament connectat, evitant que detectés senyals acústiques (Fig. 7). Això es va aconseguir col·locant el micròfon en un motlle d'orella personalitzat en el qual es va bloquejar l'obertura lateral del canal per al micròfon. Per tant, el micròfon estava en la mateixa posició física durant aquestes sessions i, per tant, hauria d'haver continuat afectat per qualsevol artefacte elèctric que pogués estar present, però la seva entrada acústica es va veure molt atenuada per l'endoll. Es van tornar a provar quatre orelles subjectes en aquest paradigma en un parell separat de sessions de recollida de dades de les seves sessions "normals" inicials. Les sessions de control es van gestionar exactament com les sessions normals, excepte que el motlle de l'orella tapat es va utilitzar per substituir el motlle normal de l'orella oberta després de calibrar el micròfon a l'orella oberta. La calibració es va executar exactament com a les sessions normals abans de connectar el motlle de l'orella.

En el segon control, els assaigs es van realitzar exactament com una sessió normal, excepte que el micròfon es va col·locar en una xeringa d'1 ml [aproximadament el volum mitjà del conducte auditiu humà (82)] mitjançant un auricular de plàstic i la xeringa es va col·locar a sobre. la part superior de l'orella del subjecte darrere del pavelló. Es van prendre enregistraments acústics des de la xeringa mentre un subjecte humà executava el paradigma de comportament exactament com és normal. Els nivells de so es van calibrar a la xeringa a l'inici de cada bloc.

Anàlisi de dades.

Tramitació inicial.

Llevat que s'indiqui el contrari, totes les dades s'informen utilitzant la tensió bruta registrada des del sistema de micròfons Etymotic. Els resultats per a subjectes humans i micos individuals es van basar en tots els assaigs correctes i inclosos d'un subjecte (amb les ubicacions objectiu de ±24° i 9° excloses, el nombre mitjà d'assaigs correctes per oïda humana per a cada sessió va ser de 150, per a un total de 900 en les sis sessions).

Criteris d'exclusió de l'assaig.

Els criteris d'exclusió dels assaigs es van basar en el rendiment de la sacada i la qualitat de l'enregistrament del micròfon. Per al rendiment de la sacada, es van excloure els assaigs si: (i) el temps de reacció per iniciar la saccada era > 250 ms o (ii) els ulls es desviaven del camí entre el punt de fixació i l'objectiu en més de 9 °. Aquests criteris van donar lloc a l'exclusió del 18,5 ± 11,1% per oïda registrada.

La qualitat de l'enregistrament del micròfon es va examinar per separat per a les proves de clic i sense clic, però seguia les mateixes directrius. La mitjana i la SD de les gravacions de micròfons d'un bloc sencer es van calcular a partir de tots els assaigs reeixits (després de les exclusions basades en el rendiment de la sacada). Si la SD dels valors de voltatge d'un assaig donat era més del triple de la SD dels valors de voltatge a tot el bloc, es va excloure. Les puntuacions z per mostra es van calcular en relació amb la mitjana i la SD dels assaigs amb èxit dins d'un bloc. També es van excloure els assaigs amb 50 mostres o més amb puntuacions z superiors a 10. Aquests requisits eliminaven els assaigs que contenien contaminació acústica dels moviments corporals (per exemple, deglució, respiracions pesades) o de fonts de soroll externs (acústics i elèctrics). Aquests dos criteris van excloure una mitjana de l'1,7 ± 1,5% dels assaigs que havien superat els criteris d'exclusió de la sacada. En general, el 20% dels assaigs es van excloure a causa del rendiment de la sacada o la qualitat de la gravació.

Sincronització saccade-micròfon.

Les dades de la posició dels ulls es van tornar a mostrejar a la freqüència de mostreig del micròfon (de 500 Hz a 24,5 kHz) i es van suavitzar per minimitzar l'error compost dels artefactes d'enregistrament no monòtons després de cada diferenciació successiva de la posició dels ulls per calcular la velocitat, l'acceleració i la sacsejada dels ulls (la derivada del temps de acceleració).

Les dades del micròfon es van sincronitzar amb dos punts de temps a les sacades: iniciació i finalització. Els inicis de les saccades es van determinar localitzant el temps del primer pic en el tir de les saccades. Aquests temps d'inici de cada assaig es van utilitzar per sincronitzar les gravacions del micròfon al començament de les sacades. Com que les saccades de diferents longituds van trigar diferents quantitats de temps a completar-se i perquè el rendiment de les saccades a objectius idèntics variava entre les proves, les finalitzacions de les saccades es van produir en un interval de desenes de mil·lisegons. Com a resultat, els enregistraments del comportament del timpà relacionats amb les etapes posteriors de les saccades estarien mal alineats si es sincronitzessin només amb l'inici de la saccade. Per tant, la terminació de la saccade, o el desplaçament, es va determinar localitzant el segon pic a la saccade jerk i es va utilitzar per sincronitzar les gravacions del micròfon amb la finalització de la saccade.

Anàlisis estadístics.

Es va avaluar la significació estadística dels efectes dels moviments oculars sobre els senyals enregistrats amb el micròfon del conducte auditiu amb una anàlisi de regressió a cada punt temporal (senyal del micròfon vs. ubicació de l'objectiu de la saccade) per a cada subjecte. Això va produir una sèrie temporal de resultats estadístics (pendent, valor R2 i P; Fig. 3 A–F). Aquesta anàlisi es va realitzar dues vegades: en primer lloc, amb tots els assaigs sincronitzats amb l'inici de la sacada i, en segon lloc, amb tots els assaigs sincronitzats amb la compensació de la saccade.

Atès que es desconeixia la dependència d'una mostra respecte a la següent, una correcció post hoc (per exemple, la correcció de Bonferroni) no era pràctica. En canvi, hem utilitzat una tècnica de Monte Carlo per estimar la mida de l'efecte relacionat amb l'atzar i les taxes de falsos positius d'aquesta prova. Primer hem reduït la relació entre cada assaig i la seva assignació d'ubicació de l'objectiu de sacàs i després hem fet la mateixa anàlisi que abans. Això va proporcionar una estimació de com haurien de ser els nostres resultats si no hi hagués cap relació entre els moviments oculars i els enregistraments acústics.

Les amplituds màximes de clic es van calcular per a cada assaig que implicava sons aïllant els pics màxim i mínim durant els estímuls de clic. Això ens va permetre buscar possibles canvis en la impedància acústica del conducte auditiu.

Estimació del moviment del timpà.

La sensibilitat del micròfon utilitzat en els experiments (Etymotic Research ER10B+) s'apaga a freqüències per sota dels 200 Hz, on també introdueix un canvi de fase depenent de la freqüència (29). En conseqüència, la forma d'ona de tensió del micròfon no és simplement proporcional a la pressió del canal auditiu (o al desplaçament del timpà) a les freqüències característiques de la forma d'ona EMREO. Per obtenir la pressió del canal auditiu i estimar el moviment del timpà que la va produir, vam convertir la tensió del micròfon en pressió mitjançant mesures publicades de la resposta de freqüència de valor complex del micròfon (29).

Com que la resposta de freqüència mesurada (Hmic, amb unitats de volts per pascal) es va mostrejar a 48 kHz, primer la vam transformar en la representació en el domini del temps de la resposta d'impuls del micròfon, vam tornar a mostrejar el resultat a la nostra freqüència de mostreig de 24,4 kHz i després el va tornar a transformar al domini de la freqüència com a Hmic′. Per a cada assaig, la transformada ràpida de Fourier de la tensió del micròfon (Vmic) es va dividir per Hmic′ i després es va calcular la transformada de Fourier ràpida inversa per produir l'estimació del canal auditiu, Pec:

Pec=F−1(F(Vmic)Hmic′/).

El desplaçament del timpà, xed, es va calcular a partir de la pressió mesurada mitjançant l'equació xed = (V/A) Pec/ρ0c2, on V és el volum de l'espai residual del canal auditiu (∼2 cc), A és l'àrea de la secció transversal de el timpà (∼60 mm2), ρ0 és la densitat de l'aire i c és la velocitat del so.