עבוד אותות במערכת החושיםסמסטר א' תש"ע

http://www.eng.tau.ac.il/~mira/Senses2009

Lecture 13

Find the minimum ITD/ILD

• We will conduct an experiment to measure the minimum ILD/ITD.

tLeft , LLeft

tRight , LRight

Coincidence Detection Cells

• Coincidence detection (CD) is one of the common ways to describe the functionality of a single neural cell.

• Correlation• There are several type of such cells:

– Excitatory Inhibitory (EI)– Excitatory Excitatory (EE)– Cumulative

Non-Homogeneous Poisson Process (NHPP)

• Given a point Process:

• In order to prove that the process behaves as a Non-Homogenous-Poisson-Process, one has to show that the intervals are independent and exhibit an exponential distribution, i.e.:

;kk

z t t t

1

1 1

exp

,

x T

k k kx

k k k k k k

p t t T t x t dt

P t t T t x Y P t t T t x

where t E z t

CD Cells Instantaneous Rates

1 2 2 1

t t

EE

t t

t t t dt t t dt

1t

EI E I

t

t t d

E

r

1 2max( , )r r

- Excitatory-Inhibitory (EI) Cells

- Excitatory-Excitatory (EE) cells

ITD Mean Rate

-180 -90 0 90 1800

0.2

0.4

0.6

0.8

1

IPD [ ]

No

rma

lize

d m

ea

n r

ate

EE

VS = 0.64VS = 0.47VS = 0.22

-180 -90 0 90 1800.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

1

IPD [ ]

No

rma

lize

d m

ea

n r

ate

EIL

-180 -90 0 90 1800.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

1

IPD [ ]

No

rma

lize

d m

ea

n r

ate

EIR

From Agmon-Snir et al.(1998), Nature 293,268-272

Model Predictions

JND(ITD)

-180 -90 0 90 1801

1.01

1.02

1.03

1.04

1.05

1.06

1.07

IPD [ ]

No

rma

lize

d J

ND

(IP

D)

LB

EE

VS = 0.64VS = 0.47VS = 0.22

-180 -90 0 90 1801

1.005

1.01

1.015

1.02

1.025

IPD [ ]

No

rma

lize

d J

ND

(IP

D)

LB

EIL

-180 -90 0 90 1801

1.5

2

2.5

3

IPD [ ]

No

rma

lize

d J

ND

(IP

D)

LB

EIR

-180 -90 0 90 1801

10

100

1000

IPD [ ]

No

rma

lize

d J

ND

(IP

D)

LB

EE

VS = 0.64VS = 0.47VS = 0.22

-180 -90 0 90 1801

10

100

1000

IPD [ ]

No

rma

lize

d J

ND

(IP

D)

LB

EIL

-180 -90 0 90 1801

10

100

1000

IPD [ ]

No

rma

lize

d J

ND

(IP

D)

LB

EIR

All Information: Rate & Timing

Rate Only

Phase Delay in EE Cells Inputs

-100 -50 0 50 100

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

Rel phase [ ]

CR

LB [

nor

mal

ized

]

1 2 3 4 5 6

35

40

45

50

55

60

65

Opt

imal

pha

se [

]

Sin amplitude

, exp , sin(2

, exp , sin(2

)

)

L L L L

R

L

R R R R

t S t B S t ft

t S t B S t ft

f

f

Prediction of JND(ITD) from EE Cell

-180 -90 0 90 1800.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

IPD [ ]

No

rma

lize

d

JND

(IP

D)

LB

Bina ura l EE

VS = 0.64VS = 0.47VS = 0.22

N=6

N=20

N=6

N=20

E

EEE

N Excitatory Inputs

N Excitatory Inputs

ILD Mean Rate

-30 -20 -10 0 10 20 300

50

100

150

200

ILD [dB]

Me

an

Ra

te [

spik

es/

sec]

Spontaneous Rate

Saturation Rate

Tollin&Yin (2004) Da ta

The ore tica l Fit

1

200 sec

60

MEI ipsi contra

M

-10 -5 5 100

0.4

0.6

0.8

1

ILD [dB]

No

rma

lize

d m

ea

n r

ate

EE

-10 -5 0 5 100.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

ILD [dB]N

orm

aliz

ed

me

an

ra

te

EIL

-10 -5 0 5 100.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

ILD [dB]

No

rma

lize

d m

ea

n r

ate

EIR

VS = 0.64VS = 0.46VS = 0.22

Prediction of JND(ILD) from EI Cell

-10 -5 0 5 100.95

1

1.05

1.1

1.15

ILD [dB]

No

rma

lize

d J

ND

(IL

D)

LB

VS = 0.64VS = 0.46VS = 0.22

• Rate Coding and All Information Coding provided similar results

E

EIE

1 Excitatory Inputs

M Inhibitory Inputs

0 2 4 6 8 100

1

2

3

4

5

6

Frequency [kHz]

Lev

el J

ND

[dB

]

Mills

0 20 40 60 800

1

2

3

4

5

6

Level [dB SPL]

Lev

el J

ND

[dB

]

Hershkowitz and DurlachHershkowitz and Durlach

M=3

M=3

M=15

Overall Localization Performance - MAA

• Minimal Audible Angle is a common test for evaluating human localization ability .

Ambiguity in Sound Lateralization

• For 1 kHz, the phase difference between signals arriving at right and left ears is 180o. It is impossible to distinguish between the possibility of the sound arriving from the right or left speaker.

Frequency: 1kHzWavelength: 30cmHead size: 15cm

Frequency: 2kHzWavelength: 15cmHead size: 15cm

Bounds Evaluation

12*

*0

,1

,

T r tCRLB dt

r t

2 1 1 1 1ˆT

A A

1TB A A

1 2

*1

1 10 0 0 0

ln ,...,,..., ... ,1

n

T T TNn

p n p nn t t t

P t tA P t t dt dt p L

1 2

1

1 1*0 0 0 0 1

,..., 1,..., ... ,

1,...,n

T T TNn i

ij n j nn t t t n

P t t i LB P t t dt dt

j LP t t

1,..., L

MAA Data & Prediction

1 2 3 4 5 6 7 8 90.1

1

10

100

Frequency [KHz]

Nor

mal

ized

MA

A L

B

Normalized Barankin lower bound (solid line) and Cramer-Rao lower bound (dotted line) of MAA as a function frequency, obtained from binaural EE cells

Data Mills (1958)

Model Prediction: Reference 00

Electrophysiology of the Human Auditory System

ABR – Auditory Brainstem Responses

Auditory Evoked Response

-10 0 10

Post Stimulus Time (msec)

2 V

Neonate

I III VVI

AdultI

III V

VI

מייצגת פעילות חשמלית בעצב השמיעה ובגזע המוח. התגובה BERAבדיקת .היא רישום של מספר גלים אופייניים

VIII: פעילות עצב Iגל

: גרעין קוכליאריIIגל

.III: Super Olive Complexגל

IV: lateral SOCגל

V: Lateral leminiscusגל

: תלמוסVIגל

מה בודקים?א. לטנטיות: השוואה ביחס לנורמות והשוואה בין שתי האוזניים של אותו נבדק

ב.שינויים יחסיים בגובה הפיק

?ABRשימושים קליניים של בדיקת

קביעת סף שמיעה אובייקטיבי. ניתן לקבוע גם בתינוקות בסיכון

בדיקה בתינוק בסיכון

דיאגנוסטיקה של פתולוגיות כמו גידולים סרטניים, טרשת נפוצה, מחלות של כלי דם

. I. גורם לשנוי בלטנטיות של כל הגלים מאחורי גל VIIIגידול סרטני בעצב גדול במיוחד. סרטן כזה מתפתח בדרך כלל באוזן אחת ולכן I-V כלומר המרווח

השוואת הרישום בשתי האוזניים יכולה לגלות גידולים סרטניים קטנים.

NormalAcoustic neuroma

I2.54 msec2.34 msec

II3.62 msec4.28 msec

III4.58 msec5.06 msec

IV6.1 msec-

V6.58 msec7.26 msec

I-III2.04 msec2.72 msec

III - V2.00 msec2.20 msec

I - V4.04 msec4.91 msec

Neonate 15

-10 0 10 20

Post Stimulus Time (msec)

BD

Binaural

Right

Left

I III V

2 V

Binaural Difference

BD Right Left Binaural

תוצאות ניסוי בבני אדם

בניסוי נבחנה תגובת הנבדק אל מול גירוי המשלב הפרשי זמן •ועוצמה.

בפרט נבחנה נקודת איזון שבה מידע סותר לגבי כוון האות •)ILD מול ITD.הביא לבחירת אמצע ע"י הנבדק (