Entwicklung und Adaptation der Räumlichen Hörverarbeitung

Unser Gehör überwacht ständig die Umgebung, um uns vor gefährlichen Ereignissen wie Kollisionen mit sich nähernden Objekten zu schützen. Der sogenannte Auditory Looming Bias ist eine erstaunlich effiziente Verzerrung der Hörwahrnehmung, welche sich annähernde Ereignisse gegenüber sich entfernenden Ereignissen begünstigt und selbst bei Säuglingen im Alter von vier Monaten nachgewiesen wurde. Die Rolle des Lernens bei der Entwicklung dieser Wahrnehmungsverzerrung und seine zugrunde liegenden Mechanismen müssen noch untersucht werden. In der Kognitionsforschung wird zwischen zwei Lernmechanismen unterschieden: überwachtes Lernen und statistisches Lernen. Angewandt auf den Hörsinn bezieht sich statistisches Lernen auf die Fähigkeit, Regelmäßigkeiten, wie häufig auftretende Lautmuster oder häufige akustische Übergänge, mit oder ohne gezielte Aufmerksamkeit zu extrahieren und darzustellen, während sich das überwachte Lernen auf die Fähigkeit bezieht, Hörereignisse auf der Grundlage von Rückmeldungen und gezielter Aufmerksamkeit einzuordnen. Es ist derzeit unklar, wie diese beiden Mechanismen beim Erlernen von räumlicher Informationsauswertung aus dem Gehörten in verschiedenen Lebensphasen beteiligt sind. Während Neugeborene bereits über Grundfertigkeiten des räumlichen Hörens verfügen, können sich Erwachsene immer noch an sich ändernde Umstände anpassen, wie z. B. Änderungen des Klangspektrums, wenn sich die komplexe Geometrie der menschlichen Ohrmuschel mit dem Alter verändert. Hörereignisse, die keine vertrauten Klangspektren aufweisen, werden von Hörern oft so wahrgenommen als stammen sie aus dem Inneren des Kopfes anstatt von einer natürlichen externen Position. Gezielte Änderungen des Klangspektrums können folglich dazu verwendet werden sich annähernde Hörereignisse zu generieren und den Auditory Looming Bias zu untersuchen. Die gleichzeitige Bedeutung dieser Klangspektren sowohl für den Auditory Looming Bias als auch für die neuronale Anpassungsfähigkeit durch Lernen ermöglicht es beide Aspekte gemeinsam zu untersuchen. Born2Hear wird psychoakustische und neurophysiologische Messmethoden kombinieren, um 1) kognitive Teilsysteme zu identifizieren, die dem Auditory Looming Bias zugrunde liegen, 2) grundlegende kognitive Mechanismen für statistisches und überwachtes Lernen von räumlicher Information zu untersuchen und 3) offen zu legen wie sich diese Mechanismen und ihre neuronale Repräsentation über die menschliche Lebensdauer verändern. Diese allgemeinen Forschungsfragen werden in drei Studien behandelt. In Studie 1 werden wir funktionale Wechselwirkungen zwischen Hirnregionen in jungen Erwachsenen analysieren um zu untersuchen, inwiefern Auditory Looming Bias auf Unterschiede in der aufsteigenden sensorischen Verarbeitung und auf absteigenden Einflüsse durch Aufmerksamkeit zurückzuführen ist. Anschließend werden wir bei Neugeborenen testen, ob diese funktionalen Wechselwirkungen angeboren sind. Studie 2 untersucht die kognitiven und neuronalen Mechanismen des überwachten Lernens von spektralen Formelementen bei jungen und älteren Erwachsenen auf der Grundlage eines individualisierten Wahrnehmungstrainings zur Lokalisierung von Schallquellen. Studie 3 wird sich auf die kognitiven und neuronalen Mechanismen des statistischen Lernens von Klangspektren bei Säuglingen sowie jungen und älteren Erwachsenen konzentrieren.

Stellen Sie sich vor, Sie gehen eine Straße entlang: Selbst ohne hinzusehen bemerken Sie, wenn sich etwas auf Sie zubewegt - ein Fahrrad, ein Auto oder eine Person. Diese instinktive Empfindlichkeit für näherkommende Geräusche wird als Auditory Looming Bias bezeichnet. Sie ermöglicht es uns, potenzielle Gefahren frühzeitig wahrzunehmen, lange bevor wir bewusst erkennen, was den Schall verursacht. Ziel unseres Born2Hear-Projekts war zu verstehen, wie sich diese Fähigkeit entwickelt, wie das Gehirn sie verarbeitet und inwieweit sie durch Erfahrung geprägt werden kann. Zunächst untersuchten wir, wie früh im Leben dieser Bias auftritt. Dazu verglichen wir Neugeborene - bis zu vier Tage alt - mit erwachsenen Personen. Beide Gruppen hörten Geräusche, die entweder näherkamen oder sich entfernten. Die Neugeborenen zeigten bereits stärkere Gehirnreaktionen auf näherkommende Geräusche, allerdings nur dann, wenn diese einfach lauter wurden. Erwachsene reagierten hingegen auch auf komplexere Veränderungen in der Klangstruktur, die von der Form der Ohrmuschel abhängen. Das deutet darauf hin, dass ein Teil des Bias angeboren ist, während ein anderer Teil sich im Laufe des Lebens entwickelt, wenn wir lernen, die vielfältigen räumlichen Hörhinweise unserer Umgebung zu nutzen. Als Nächstes wollten wir verstehen, warum das Gehirn näherkommende Geräusche so anders behandelt. Unsere Messungen zeigten, dass Hirnregionen, die häufig mit der Einschätzung von Bedrohungen und schnellen Reaktionen verbunden werden, bei näherkommenden Geräuschen stärker aktiviert wurden. Dies geschah selbst dann, wenn die Teilnehmenden mit einer anderen Aufgabe beschäftigt waren. Das weist darauf hin, dass sich der Looming Bias vermutlich als automatisches Warnsystem entwickelt hat - eines, das uns hilft, auf mögliche Gefahren zu reagieren, ohne bewusst darüber nachzudenken. Wir gingen dann der Frage nach, ob dieser Bias davon abhängt, wie genau wir Geräusche im Raum verorten können. Um dies zu testen, veränderten wir in einer virtuellen Hörumgebung die Art und Weise, wie die Teilnehmenden die Geräusche wahrnahmen, indem wir ihnen "virtuelle" Ohren gaben, die normale räumliche Hinweise verfälschten. Mit diesen künstlichen Hinweisen konnten die Menschen zwar noch Klangänderungen erkennen, aber nicht mehr zuverlässig bestimmen, woher das Geräusch kam. Unter diesen Bedingungen schwächte sich der Looming Bias deutlich ab. Dies zeigt, dass die Fähigkeit des Gehirns, näherkommende Geräusche zu erkennen, eng mit präzisem räumlichen Hören verknüpft ist. Abschließend untersuchten wir, ob ein Training zur besseren räumlichen Ortung den Looming Bias beeinflussen kann. Die Teilnehmenden verbesserten nach dem Training tatsächlich ihre Fähigkeit, Geräusche zu orten. Allerdings fanden wir keine Hinweise darauf, dass sich die automatischen Gehirnreaktionen auf näherkommende Geräusche entsprechend veränderten. Dies deutet darauf hin, dass der Bias als tief verankertes Frühwarnsystem funktioniert, das sich durch bewusste Lernprozesse nur wenig beeinflussen lässt. Insgesamt zeigt unsere Forschung, dass der Auditory Looming Bias teilweise angeboren, durch Erfahrung geformt, eng mit dem räumlichen Hören verknüpft und tief im Bedrohungsdetektionssystem des Gehirns verankert ist.