اثر تطبیق‌پذیری بر دقت رمزگشایی فرکانس‌های صدا در قشر شنوایی موش صحرایی

نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی پزشکی بیوالکتریک، دانشکده‌ی مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

2 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی پزشکی بیوالکتریک، دانشکده‌ی مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

3 استادیار، گروه مهندسی پزشکی بیوالکتریک، دانشکده‌ی مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

4 استاد، گروه مهندسی پزشکی بیوالکتریک، دانشکده‌ی مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

10.22041/ijbme.2018.89372.1366

چکیده

تشخیص و تفکیک فرکانس‌های مختلف صدا، یکی از مکانیسم‌های مهم مغز انسان و سایر جانداران است. از سوی دیگر، یکی از قابلیت‌های مهم مغز، که بار محاسباتی آن را در برابر محرک‌های تکراری کم می‌کند، پدیده‌ی تطبیق‌پذیری است. هدف اصلی این مقاله، رمزگشایی فرکانس‌های صوتی از پاسخ نورونی ناحیه‌ی شنوایی مغز و بررسی تاثیر تطبیق‌پذیری بر دقت رمزگشایی فرکانس‌های صوت می‌باشد. برای این منظور، فرکانس‌های مختلف از تن‌های صوتی در دو دنباله‌ی صدا (معمول و تطبیقی) پخش شده و سیگنال‌های پتانسیل محلی از ناحیه‌ی اولیه‌ی شنوایی پانزده موش صحرایی در حالت بیهوشی، ثبت گردیده است. دنباله‌ی معمول، شامل محرک‌های صوتی از ترکیب فرکانس-دامنه‌ی مختلفی از صدا به طول 50 میلی‌ثانیه و با فاصله‌ی بین محرکی 300 میلی‌ثانیه بوده که به صورت تصادفی پخش شدند. دنباله‌ی تطبیقی، همانند دنباله‌ی معمول در نظر گرفته شد، با این تفاوت که در این دنباله، یک محرک در اطراف فرکانس مشخص، به عنوان محرک تطبیق، بین محرک‌های اصلی و با توزیع تصادفی، در نظر گرفته شد که 80% از دنباله‌ی تطبیقی را به خود اختصاص می‌داد. در ابتدا، با در نظر گرفتن ویژگی‌ طیف توان در شش باند فرکانسی و طبقه‌بند LDA، میانگین قدرت رمزگشایی جفت فرکانس‌های صوتی در دنباله‌ی معمول محاسبه گردید. در قدم بعد، قدرت رمزگشایی جفت فرکانس‌ها در دنباله‌ی تطبیقی در باندهای فرکانسی تعیین شده، محاسبه و با نتایج رمزگشایی در دنباله‌ی معمول مقایسه گردید. نتایج حاکی از آن است که رمزگشایی محرک‌های صوتی با فرکانس‌های مختلف در باندهای بتا و گاما (>12 هرتز) از سیگنال‌های پتانسیل محلی با دقتی در حدود 80% انجام می‌شود. هم‌چنین، پخش یک محرک، به عنوان محرک تطبیق‌پذیری که مانند یک پیش‌زمینه در دنباله‌ی صدا قرار دارد، باعث کاهش دقت تفکیک‌پذیری فرکانس‌های مجاور صدا می‌شود. این اثر در فعالیت‌های فرکانس بالای (گاما و گامای بالا) سیگنال‌های پتانسیل محلی، به صورت معناداری مشاهده شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Effect of Adaptation on Decoding Accuracy of Sound Frequencies in Rat Auditory Cortex

نویسندگان [English]

  • Farnaz Saberpour 1
  • Mohsen Parto Dezfouli 2
  • Vahid Shalchyan 3
  • Mohammad Reza Daliri 4
1 MSc. Student, Biomedical Engineering Department, Electrical Engineering Faculty, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Ph.D Student, Biomedical Engineering Department, Electrical Engineering Faculty, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
3 Assistant Professor, Biomedical Engineering Department, Electrical Engineering Faculty, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
4 Professor, Biomedical Engineering Department, Electrical Engineering Faculty, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Neural adaptation is a brain ability which reduces the neural activities in response to a repeated stimulus. In this study, we examined the effect of adaptation on neural decoding. For this purpose, pure tones with different frequency-amplitude combinations were presented randomly in two sequences (usual and adaptive). During the task, local field potential (LFP) signals were recorded from the primary auditory cortex of fifteen anesthetized rats. In the usual sequence, the stimuli were presented randomly with 50 ms duration and 300 ms interstimulus interval (ISI). Each combination was presented about 25 times. In the adaptive sequence, same as the usual one, stimuli were presented with this difference that one specific frequency (adapter) with the probability of 80% was presented frequently in this sequence. Comparison between decoding accuracy of two sequences allows us to study the effect of adaptation to a specific frequency on neural decoding. First, considering the power spectrum feature in six frequency bands and using LDA (linear discrimination analysis) classifier, the average decoding accuracy of all frequency-pairs were calculated in the usual sequence. Subsequently, the decoding accuracy of frequency-pairs in the adaptive sequence was calculated and compared with the usual sequence. Results show a significant decoding accuracy between different frequency-pairs in beta, gamma, and high-gamma bands (>12 Hz) of local field potential with an accuracy of about 80%. Moreover, we found that adaptation to one frequency of sound decreases the decoding accuracy of neighbor frequencies. This signature was observed in high-frequency gamma and high-gamma activities (30-120 Hz) of LFPs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Adaptation
  • Neural Decoding
  • Primary Auditory Cortex
  • Frequency Discrimination
  • Local Field Potential

[1]   A. Muralidharan, and J. R. Patrick. "Decoding of auditory cortex signals with a LAMSTAR neural network." Neurological research 27, no. 1: 4-10, 2005.

[2]     H. Luo, and D. Poeppel. "Phase patterns of neuronal responses reliably discriminate speech in human auditory cortex." Neuron 54, no. 6: 1001-1010, 2007.

[3]     KS. Hong, and H.  Santosa. "Decoding four different sound-categories in the auditory cortex using functional near-infrared spectroscopy." Hearing research 333: 157-166, 2016.

[4]     TI. Shiramatsu, T. Noda, R. Kanzaki, and Hirokazu Takahashi. "Decoding of the sound frequency from the steady-state neural activities in rat auditory cortex." In 2013 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 5598-5601. IEEE, 2013.

[5]     FD. Szymanski, NC. Rabinowitz, C. Magri, S. Panzeri, and JW Schnupp. "The laminar and temporal structure of stimulus information in the phase of field potentials of auditory cortex." Journal of Neuroscience 31, no. 44: 15787-1580, 2011.

[6]     FD. Szymanski, JA. Garcia-Lazaro, and JW Schnupp. "Current source density profiles of stimulus-specific adaptation in rat auditory cortex." Journal of neurophysiology 102, no. 3: 1483-1490, 2009.

[7]     J.C. Dahmen, P.Keating, F.R.Nodal, A.L. Schulz, and A.J. King "Adaptation to stimulus statistics in the perception and neural representation of auditory space." Neuron 66, no. 6: 9F-948, 2010.

[8]     L.A. Anderson, G.B. Christianson, and J.F. Linden, "Stimulus-specific adaptation occurs in the auditory thalamus." The Journal of Neuroscience 29, no. 22: 7359-7363, 2009.

[9]     I. Nelken, and N. Ulanovsky. "Mismatch negativity and stimulus-specific adaptation in animal models." Journal of Psychophysiology 21, no. 3-4: 214-223, 2007.

[10] FD. Szymanski, JA. Garcia-Lazaro, and JW Schnupp. "Current source density profiles of stimulus-specific adaptation in rat auditory cortex." Journal of neurophysiology 102, no. 3: 1483-1490, 2009.

[11] FM, Antunes, I. Nelken, E. Covey, and M. S. Malmierca. "Stimulus-specific adaptation in the auditory thalamus of the anesthetized rat." PLoS One 5, no. 11: e14071, 2010.

[12] N.Taaseh, A.Yaron, & I. Nelken "Stimulus-specific adaptation and deviance detection in the rat auditory cortex" PLoS One, 6, no. 8: e23369, 2011.

[13] J.M. Cortes, D. Marinazzo, P. Series, M.W. Oram, T.J. Sejnowski, and M.C. Van Rossum. "The effect of neural adaptation on population coding accuracy." Journal of computational neuroscience, 32, no. 3: 387-402, 2012.

[14] E. Castaldi, D. Aagten-Murphy, M. Tosetti, D. Burr, and M.C. Morrone. "Effects of adaptation on numerosity decoding in the human brain." NeuroImage, 143: 364-377, 2016.

[15] H. Yang, J. Shen, J. Chen, and F. Fang. "Face adaptation improves gender discrimination." Vision Research, 51, no. 1: 105-110, 2011.

[16] F. Pestilli, G. Viera, and M. Carrasco, "How do attention and adaptation affect contrast sensitivity?." Journal of Vision, 7, no. 7: 9-9, 2007.

[17] E. Zavitz, H.H. Yu, E.G. Rowe, M.G. Rosa, and N.S. Price. "Rapid adaptation induces persistent biases in population codes for visual motion." Journal of Neuroscience, 36, no. 16: 4579-4590, 2016.

[18] A. Ghazizadeh, S. Hong, and O. Hikosaka, "Prefrontal Cortex Represents Long-Term Memory of Object Values for Months." Current Biology, 28, no. 14: 2206-2217, 2018.

[19] P. Seriès, A.A. Stocker, and E.P. Simoncelli. "Is the homunculus “aware” of sensory adaptation?." Neural Computation, 21, no. 12: 3271-3304, 2009.

[20] M. Parto-Dezfouli, & MR. Daliri. "The effect of adaptation on the tuning curves of rat auditory cortex". PloS one, 10, no. 2: e0115621, 2015.

[21] I. Nelken. "Stimulus-specific adaptation and deviance detection in the auditory system: experiments and models." Biological cybernetics 108, no. 5: 655-663, 2014.

[22] N. Ulanovsky, L. Las, & I.Nelken, "Processing of low-probability sounds by cortical neurons." Nature Neuroscience, 6, no. 4: 391-398, 2003.

[23] B.J. Kelly and L.S. Sally. "Organization of auditory cortex in the albino rat: binaural response properties." Journal of neurophysiology 59, no. 6: 1756-1769, 1988.

[24] L.S. Sally, and B.J. Kelly. "Organization of auditory cortex in the albino rat: sound frequency." Journal of Neurophysiology 59, no. 5: 1627-1638, 1988.