耳蜗听觉信息处理研究方法与物理机制新进展
作者: 龙长才 发表时间:2012-11-15 来源:信息科学部
大千世界声音纷繁，听觉系统总能洞悉其中传递的信息。听觉系统如何处理听觉信息，不仅令人好奇遐想，也令信息处理、听力康复、听觉系统疾病诊断等应用领域迫切希望了解并加以利用。耳蜗是听觉信息处理的重要部位，Georg von Beksey在上个世纪60年代发现耳蜗类似频谱仪具有频率分析功能，能对声音中不同频率成份通过耳蜗基底膜不同部位的振动做出响应，然后通过与之相连的不同神经通道传入大脑。Beksey因此获诺贝尔奖，耳蜗频率-部位信息处理也被广泛应用，成为基于听觉的语音信号处理、电子耳蜗等重要应用的基础。但是，最近的理论研究表明，听觉的一系列独特信号处理功能与特征可能源于耳蜗，耳蜗在信号处理上的表现可能比Beksey的频率分析功能更复杂，耳蜗中基底膜的声传播可能不是Beksey线性行波，而是非线性Hopf阵列。但是，如何从实验上对耳蜗的非线性信号处理进行观测研究，却是极具挑战而艰巨的工作。
耳蜗非线性信号处理研究的困难在于其非线性发生在纳米、亚纳米，也即原子直径尺度的基底膜振动，这仅从尺度上已是众多精密观察手段的极限；此外，耳蜗空间极为狭小，而基底膜密封在狭小骨质蜗壳内，要以声音的频率动态跟踪，且保持波形不失真，使得观察与测量更为困难。
国际上采用的激光差分干涉方法难以实现纳米尺度位移测量所对应的微小差分信号相位的直接检测，从而采用累积相位检测或I/Q相位检测的间接方法，导致非线性失真。不能实现近乎透明的基底膜振动检测，而向耳蜗中投直径10微米的反光微珠，测得的是微珠的振动。为将激光照射到基底膜上，采用机械方法将骨质蜗管开孔，导致淋巴液外流以及压力泄漏，破坏了耳蜗的完整性。
华中科技大学龙长才教授及其课题组在国家自然科学基金《视听信息认知计算》重大研究计划的支持下，在耳蜗信号处理方法上取得重要进展。课题组引入欧洲高能物理计划项目中最新发展的皮秒时差测量技术，用于激光干涉差分信号相位直接检测，实现音频、原子尺度基底膜振动的线性无失真测量。采用偏振微反射适应调节装置，无需向基底膜中投反光微珠，实现微反光基底膜振动的直接测量。采用紫外高能脉冲激光，实现耳蜗外壳微刻与打磨，在100微米的区域内，使之薄到透光而不破损。文章发表在2012年《Review of Scienctific instrument》等国际权威刊物上。这一研究使我国在目前拥有了世界上最有效的耳蜗信号听觉处理实验研究手段。
此外，研究基于非线性物理理论，通过非线性自适应主动力模型，对听觉非线性动态压缩、非线性调谐、两音抑制、结合音的物理基础给予解释，并为重振等听觉疾病的物理机理及听力康复策略作了理论解释和指导，提出了基于这一理论的更有效听力康复与语音信号处理计算模型。相关研究成果在国际刊物上发表，并在2012年ACOUSTICS HongKong国际声学会议上报告。
该项研究提供了听觉计算的新方法，为耳蜗听觉信号处理机制与特征的进一步认识提供了迄今最为有效的实验研究手段和物理理论指导，开辟了耳蜗信号处理研究的新境界。
项目负责人; 龙长才 华中科技大学物理学院
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