Бебетата в утробата може да започнат да чуват звуци около 20-тата седмица от началото на бременността.
Те са изложени обаче само на нискочестотните звуци заради приглушаващия ефект на амниотичната течност и заобикалящите тъкани.
Ново проучване, водено от Масачузетския технологичен институт допуска, че това ограничено сензорно възприятие е благоприятно и дори е възможно да е необходимо за слуховото развитие.
Чрез използването на компютърни модели, симулиращи слуховата обработка на човека, учените са показали, че първоначалното ограничаване на възприятията до нискочестотния спектър при заучаването за извършването на определени функции, всъщност подобрява резултатът.
Заедно с предишно проучване на същия екип, което показва, че ранното излагане на замъглени лица подобрява способността на компютърните модели да разпознават лица на по-късен етап, тези открития предполагат, че получаването на нискокачествени сензорни възприятия може да е ключово за някои аспекти на мозъчното развитие.
„Вместо да смятаме ниското качество на тези възприятия като ограничение, което биологията ни е наложила, този труд представя тезата, че може би природата подхожда умно и ни дава правилния подтик, за да развием механизмите, които в последствие ще се докажат като много полезни, когато се наложи да се сблъскаме със сложни разпознавателни задачи“, казва ръководителят на проекта Пауан Сина, професор по визуална и изчислителна невронаука в отдела за Мозъчни и когнитивни науки в Масачузетския технологичен институт.
В новото проучване, изследователите доказват, че изначалното излагане на компютърния модел на човешката слухова система към пълен набор от честоти води до лошо представяне на задачите, които изискват възприемането на информация за дълъг период от време – например, идентифицирането на емоции от звукозапис.
От приложна перспектива, откритията предполагат, че бебетата, родени преждевременно, може да се възползват от излагането само на нискочестотни звуци вместо към целия спектър от честоти, които чуват в отделенията за интензивно лечение на новородени.
Марин Фогелсганг и Лукас Фогелсганг, които са студенти в швейцарския Федерален технологичен институт, са водещите автори на проучването, което се появява в журнала Наука на развитието. Сидни Даймънд, пенсиониран невролог, който в момента е помощник изследовател към МТИ, също е автор на проучването.
Нискокачествени възприятия
Преди няколко години Сина и неговите колеги се заинтригували в изучаването на това как нискокачествените сензорни възприятия въздействат на последващото развитие на мозъка. Този въпрос е повдигнат отчасти след като изследователите са имали възможността да се срещнат и да изучават младо момче, което е родено с катаракти, които не са били премахнато докато то не станало на четири години.
Това момче, родено в Китай, в последствие е осиновено от американско семейство и е насочено към лабораторията на Сина на десет години. Проучванията разкриват, че неговото зрениеспособност за виждане е почти нормално с едно съществено изключение: той се справя много зле в разпознаването на лица. Други проучвания на деца, родени слепи, също разкриват дефицити в разпознаването на лица след възстановяване на зрението.
Изследователите формулирали хипотезата, че този недъг може да е в резултат на пропускането на нискокачествените визуални възприятия, които бебетата и малките деца обичайно получават. Когато бебетата се родят, зрителната им острота е много слаба – около 20/800, 1/40 от обичайното 20/20 зрение. Това отчасти се дължи на по-ниската плътност на комплектоване на фоторецепторите в ретината на новороденото. С растежа рецепторите на бебето стават по-концентрирани и визуалната острота се подобрява.
„Теорията, която предложихме беше, че този първоначален период на замъглено или влошено зрение е много важен. Тъй като всичко е замъглено, мозъкът има нужда да интегрира по-големи зони на визуалното поле,“ казва Сина.
За да проследят тази теория, изследователите използвали визуален компютърен модел, известен като конволюционна невронна мрежа. Те научили модела да разпознава лица като му давали или замъглени изображения, последвани от ясни такива, или ясни изображения от самото начало. Те открили, че моделите, които получили неясни изображения първоначално показали по-добро представяне при задачите за разпознаване на лица.
В допълнение рецептивните полета на невронните мрежи (размера на визуалната зона, която покриват) са били по-големи от рецептивните полета в моделите, тренирани на ясно възприятие от самото начало.
След публикуването на проучването през 2018 г., изследователите искали да проучат дали този феномен може да бъде наблюдаван при други типове сензорни системи. Времето за развитие на слуха е малко по-различно, тъй като доносените бебета се раждат с почти нормален слух за целия звуков спектър. Въпреки това в предродилния период, докато слуховата система все още се развива, бебетата са изложени в утробата на влошено качество на звука.
За да изследват ефектите на влошеното възприятие, учените заучили компютърния модел на човешката слухова система да изпълнява задача, която изисква интегрирането на информация за дълги периоди от време – идентифицирането на емоция от звуков клип. След заучаването на задачата от моделите, изследователите ги подлагали на един от четири типа слухово възприятие – само нискочестотно, само с пълен честотен спектър, нискочестотно следвано от пълен спектър и пълен спектър следван от нискочестотно.
Нискочестотното, следвано от пълния звуков спектър, най-пълно възпроизвежда това, на което развиващите се деца са изложени. Изследователите открили, че компютърните модели, изложени на този сценарии изпълнили най-точно задачата по разпознаване на емоция. Тези модели също така създали по-големи темпорални рецептивни полета, което означава, че те са били способни да анализират звуците, получавани за по-дълъг период от време.
Това предполага, че както и при визуалното изследване, влошеното възприятие в ранната фаза на развитие всъщност подпомага сензорната интеграция по-късно в живота.
„Наблюдението подкрепя твърдението, че започвайки с много ограничена информация и последващото надграждане във времето, всъщност може да е характеристика на системата, вместо да е грешка,“ казва Лукас Фогелсанг.
Ефектите от преждевременното раждане
Предишни проучвания, проведени от други лаборатории, открили, че бебетата, родени преждевременно, показват дефицити при обработката на нискочестотни звуци. Те се представят по-зле от родените навреме бебета при тестовете за класифициране на емоциите по-късно в развитието си. Изчислителните открития на екипа на Масачузетския технологичен институт предполагат, че тези дефицити може да са в резултат на пропуск на някои от нискокачествените сензорни възприятия, които биха получили в утробата при нормални обстоятелства.
„Ако предоставите възприятие от пълния честотен спектър още от самото начало, тогава отнемате подтика на мозъка да се опита и да открие пълния обхват на разширената темпорална структура. Той може да се справи и само чрез локалната темпорална структура,“ казва Синха. „Вероятно е това, което незабавното потапяне в звуковите пейзажи с пълна честота, прави с мозъка на преждевременно роденото дете.“
Изследователите твърдят, че за преждевременно родените бебета може да е от полза да бъдат изложени предимно на нискочестотни звуци след раждането, за да се симулират условията, подобни на тези в утробата, които те са пропуснали.
Изследователският екип сега проучва други области, при които такъв тип влошено възприятие може да е от полза. Такива са някои аспекти на зрението, като цветовото възприятие, както и качествено различни области като лингвистичното развитие.
„Бяхме изненадани от това колко постоянни са условията и хипотезата на експерименталните резултати в подкрепа на идеята за първоначалните деградации, които са адаптивни за целите на развитието,“ казва Сина.
„Чувствам, че този труд илюстрира вълнуващите изненади, които науката ни предлага. Ние не очаквахме, че идеите които се родиха от нашата работа с деца с вродена слепота, ще имат голямо значение за нашето виждане върху слуха. Но всъщност изглежда, че има очарователна концептуална прилика между двете области. И може би тази обща нишка отива отвъд тези две сетивни области. Очевидно пред нас има множество вълнуващи изследователски въпроси.“
Резюме на проучването
Предродилен слухов опит и неговите последствия
Към края на втория триместър на бременността човешкият плод е в състояние да регистрира звуци от околната среда. Това вътреутробно слухово преживяване се характеризира с нискочестотни филтрирани версии на звуци от външния свят.
Тук представяме изчислителни тестове на хипотезата, че това ранно излагане на силно влошени слухови възприятия има адаптивна цел – може да предизвика невронно развитие на разширената темпорална интеграция.
Такава интеграция може да улесни откриването на информация, пренасяна от нискочестотни вариации в звуковия сигнал, включително емоционално или друго прозодично съдържание.
За да тестваме тази прогноза, ние характеризираме въздействието на няколко режима на обучение (биомиметични и други) върху изчислителна моделна система, обучена и тествана за задачата да разпознава емоции.
Откриваме, че обучението със слухова траектория, подобна на тази на невротипично бебе в периода преди и веднага след раждането, води до разширени във времето възприемчиви полеви структури и дава най-добрата последваща точност и общо представяне на задачата за разпознаване на емоции.
Това твърдо предполага, че прогресията от нискочестотни и филтрирани към пълночестотни възприятия, е вероятно да бъде адаптивна характеристика на нашето развитие, предоставяйки значителни ползи на по-късните способности за слухова обработка, разчитащи на разширени във времето анализи.
Също така това откритие може да помогне да се обяснят някои от слуховите увреждания, свързани с преждевременните раждания, да се изготвят насоки за проектирането на звуковата среда в отделенията за грижа за новородени и да се посочат подобрения в процедурите за обучение на изчислителните модели.
- Слуховият опит на човешкия плод включва само филтрирани нискочестотни версии на звуци в околната среда. Ние изследваме потенциалните последици от тези влошавания на случайните звуци.
- Резултатите от нашите изчислителни симулации категорично предполагат, че вместо да бъдат епифеноменални ограничения, тези деградации вероятно са адаптивна характеристика на нашето развитие.
- Тези констатации имат отражение върху слуховите увреждания, свързани с преждевременните раждания, устройството на звуковите среди в отделенията за грижа за новородени и подобрението на процедури за компютърно обучение.
Източник: Early Sound Exposure in the Womb Shapes the Auditory System – Neuroscience News
Превод за Фондация “Нашите недоносени деца”: Павлин Миланов