La percezione acustica migliora in ambienti (debolmente) rumorosi


    [02/09/2009] E' stato pubblicato sulla rivista European Physics Journal B il lavoro di un team di ricercatori, fisici e neuroscienziati, dell'Università di Trento interessati a capire il ruolo del rumore nel cervello umano. Studiando i meccanismi della percezione acustica è stato scoperto che il rumore, a cui comunemente si tende a dare una connotazione negativa, di disturbo, contribuisce in realtà, se opportunamente manipolato, ad aumentare la probabilità di sentire gli stimoli, in modo particolare di quelli più deboli.

    DOI nr.: 10.3268/lswn.2009.09.02

    Il rumore: solo un fastidioso disturbo?

    Lo scorrere di un fiume mentre passeggiamo lungo il suo argine.

    Il fruscio del vento mentre pedaliamo in bicicletta.

    Sono due semplici esempi di rumore acustico a cui siamo abituati: possiamo anche non farci caso e comunque difficilmente possono ostacolarci dal parlare col nostro vicino passeggiando o dall'ascoltare della musica mentre pedaliamo.

    Anche di questo dobbiamo essere grati al nostro cervello.

    È grazie a lui che siamo in grado di separare ciò che ci preme di ascoltare e interpretare da ciò che possiamo considerare come un disturbo: rumore.

    Tuttavia è ben noto che, qualora il rumore si faccia troppo intenso, sarà necessario chiedere al nostro interlocutore di alzare il tono della sua voce.

    Anche il volume del nostro lettore dovrà essere opportunamente regolato, altrimenti ci ritroveremo a perdere parte della conversazione o del brano che stavamo ascoltando.

    Ma è davvero tutto così semplice? Non ci sono altri modi per il rumore di agire sulla nostra percezione acustica?

    Potenziare la percezione tramite il rumore

    Un recente lavoro, apparso sulla rivista European Physics Journal B e nato dalla collaborazione del CIMeC, Centro Interdipartimentale Mente /Cervello, con il Dipartimento di Fisica dell'Università di Trento, ha gettato una nuova luce sull'interazione tra il rumore ed il cervello umano ottenendo interessanti risultati.

    Si tratta di un esperimento molto semplice nel suo allestimento: ad un gruppo di 11 soggetti normo-udenti è stato chiesto di partecipare ad una sessione di misura simile a quanto viene proposto ai pazienti nello studio degli otorini per la cosiddetta analisi audiometrica.

    Ciascun partecipante è stato fatto accomodare in una camera protetta dal rumore esterno, una struttura simile ad una sala prove professionale per gruppi musicali, e sottoposta, tramite un paio di cuffie, ad una serie di stimolazioni acustiche di diversa intensità.

    Gli stimoli consistevano in toni puri a 4000 Hz, dei "bip" della durata di circa mezzo secondo.

    Il compito dei volontari ad ogni presentazione era quello di rispondere, premendo il tasto opportuno, se avessero o meno sentito lo stimolo.

    Immagine - 1 Schema dell'allestimento sperimentale: il soggetto è posto all'interno di una camera insonorizzata, al fine di limitare l'incidenza di suoni e disturbi ambientali. Gli stimoli acustici vengono presentati all'orecchio sinistro tramite delle cuffie; dopo la presentazione il soggetto risponde premendo il tasto "S" per "Sì", ho sentito lo stimolo oppure "N" per "No", non ho sentito nulla .

    Ciò che i ricercatori dell'Università di Trento hanno dimostrato è che se al segnale acustico viene sovrapposto del rumore bianco, un rumore acustico simile a quello prodotto da una radio fuori sintonizzazione, e se questo rumore è della giusta intensità, il segnale acustico viene percepito con maggiore facilità rispetto alla condizione di un ambiente perfettamente silenzioso. Tale miglioramento occorre, in particolar modo, qualora l'intensità del segnale sia prossima alla soglia uditiva del soggetto.

    Simili risultati erano stati precedentemente ottenuti da altri gruppi in diverse parti del mondo [1, 2]. Tuttavia il risultato ottenuto dal team di Trento contribuisce al dibattito su queste tematiche grazie alla innovativa metodologia di indagine, molto "robusta" dal punto di vista statistico.

    Ciò ha consentito di individuare e quantificare il miglioramento della percezione acustica su ciascuno dei partecipanti all'esperimento, non solo sui risultati di una media ottenuta a posteriori su tutto il campione statistico.

    L'effetto, per quanto estremamente debole in termini di guadagno di capacita uditiva, è stato dimostrato in una percentuale di casi superiore al 90%!

    Una possibile spiegazione: la risonanza stocastica

    Il meccanismo che è stato applicato per interpretare questo risultato è quello della cosiddetta risonanza stocastica (Stochastic Resonance - SR).

    Tale fenomeno può essere descritto in termini molto semplici: in sistemi sufficientemente complessi la giusta quantità  di rumore può agire per scuotere il sistema nel suo complesso e farlo passare da un certo stato (ad esempio "non ho sentito nulla") ad uno stato completamente diverso (ad esempio "ho sentito il segnale!").

    Immagine - 2 - illustrazione dell'idea alla base della SR(stochastic resonance)

    L'immagine - 2, tratta da [3], principale referenza per il fenomeno della risonanza stocastica, illustra in maniera efficace l'idea alla base della SR(stochastic resonance). I due stati possibili, buca di sinistra e buca di destra, sono a priori equivalenti ed equiprobabili. La presenza, insieme al segnale, di un'opportuna quantità  di rumore può contribuire a sbilanciare la scelta del soggetto in una delle due opposte direzioni. La definizione di "giusta quantità " di rumore dipende ovviamente dal sistema in esame: nel caso della percezione acustica, se il rumore e troppo debole, pur venendo percepito dal soggetto non interferisce con la percezione del "bip". Al contrario, se l'intensità  cresce oltre un certo livello, che cambia da soggetto a soggetto, si otterrà  un effetto di mascheramento del segnale (Masking Effect). Solo un'intensità  intermedia interferisce positivamente!

    Tale effetto di miglioramento della performance dei sistemi sottoposti a rumore esogeno è stato studiato in contesti molto diversi(*): dalla dinamica di sistemi oscillanti quali, ad esempio, l'occorrenza delle ere glaciali nei cicli climatici sulla terra [4], fino ai sistemi biologici più complessi, tra cui l'essere umano ed il suo comportamento. Oltre al caso della percezione acustica è stato ad esempio osservato che un'opportuna quantità  di rumore migliora la percezione tattile [5], così come quella visiva [6]. Infine in [7] viene presentato il risultato di un'ulteriore indagine, in cui due distinte modalità, quella visiva e quella uditiva, interferiscono positivamente in quella che è definita risonanza stocastica cross-modale: rumore acustico migliora la percezione di stimoli visivi.

    I risultati del lavoro del gruppo di Trento rappresentano un importante passo in avanti nella comprensione dei meccanismi di funzionamento della percezione umana. Difficilmente infatti nella vita reale ci troviamo nella condizione di dover prestare attenzione ad un segnale acustico, una voce che ci chiama od un pericolo imminente, circondati dal più assoluto silenzio. Ciò che rimane da capire è se l'evoluzione abbia in qualche maniera sfruttato il rumore acustico per adattare gli strumenti della nostra percezione, l'orecchio e più in generale il cervello stesso, all'ambiente circostante.

    Oltre a ciò il lavoro ha un'ulteriore aspetto applicativo: è infatti in corso di valutazione la possibilità  di sfruttare l'effetto della risonanza stocastica per incrementare le possibilità  di sentire in persone con deficit acustici, proponendo nuove realizzazioni di impianti acustici in cui il rumore possa agire in modo positivo per i pazienti.

    (*) Recentemente, a dieci anni dalla pubblicazione di [3], si è svolta a Perugia una conferenza internazionale in cui ricercatori di tutto il mondo hanno presentato i loro risultati relativi alla risonanza stocastica.

    Sitografia:

    www.stochastic-resonance.org

    Stochastic resonance From Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Stochastic_resonance

    Psychoacoustics - Masking Effects From Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Psychoacoustics#Masking_effects

    Bibliografia:

    [1] F.G. Zeng, Q.J. Fu, R. Morse, Human, Brain Res. 869, 251 (2000)

    [2] Z.C. Long, F. Shao, Y.P. Zhang, Y.G. Qin, Phys. Lett. A 323, 434 (2004)

    [3] L. Gammaitoni, P. Hà¤nggi, P. Jung, F. Marchesoni, Rev. Mod. Phys. 70, 223 (1998)

    [4] R. Benzi, S. Sutera, A. Vulpiani, J. Phys. A 14, L453 (1981)

    [5] J.J. Collins, T.T. Imhoff, P. Grigg, Nature 383, 770 (1996)

    [6] E. Simonotto, M. Riani, C. Seife, M. Roberts, J. Twitty, F. Moss, Phys. Rev. Lett. 78, 1186 (1997)

    [7] E. Manjarrez, I. Mendez, L. Martinez, A. Flores, C.R. Mirasso, Neurosci. Lett. 415, 231 (2007)

    Statistically robust evidence of stochastic resonance in human auditory perceptual system

    D. Tabarelli 1, A. Vilardi 2, C. Begliomini 3, F. Pavani 2,4, M. Turatto 2,4 and L. Ricci 5,2

    1. Dipartimento di Fisica, Università  di Trento, 38100 Trento-Povo, Italia
    2. CIMeC, Centro Interdipartimentale Mente / Cervello, Università  di Trento, 38068 Rovereto, Italia
    3. DSBTA, Sezione di Fisiologia Umana, Università  di Ferrara, 44100 Ferrara, Italia
    4. Dipartimento di Scienze Cognitive e della Formazione, Università  di Trento, 38068 Rovereto, Italia
    5. Dipartimento di Fisica e CNISM Unità  di Trento, Università  di Trento, 38100 Trento-Povo, Italia

    Referenza completa:

    Eur. Phys. J. B, 155-159 (2009)

    Per informazioni:

    Andrea Vilardi

    CIMeC

    Corso Bettini 31, 38068 Rovereto

    E-mail: andrea.vilardi [AT] mail.unitn.it

    Tel.: +39.0461.88.20.46

    Web: www.science.unitn.it/labfm/pmwiki/pmwiki.php?n=Vilardi.Vilardi



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