The effect of selective attention on auditory frequency selectivity in humans

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-10-27
Department
Major/Subject
Akustiikka ja äänenkäsittelytekniikka
Mcode
S3004
Degree programme
Tietoliikennetekniikka
Language
en
Pages
75+9
Series
Abstract
When we listen to a friend in a noisy café, the segregation between information and noise depends largely on the differences in neural level representations of the auditory inputs. The auditory cortex (AC) is tonotopically organized, which means that the frequency information is mapped to the cortical topography. Thus, similar frequencies are processed in close vicinity at AC. The tonotopy set limits to the frequency resolution, but under selective attention the frequency-based segregation succeeds even in conditions where the signal and noise are overlapping in frequency. The aim of the study was to explore these underlying short-term neural mechanisms that can sharpen the frequency selectivity at AC under selective attention. The topic was investigated by a psychophysical experiment where parametric changes in attention and background noise were used to bias the cortical responses. In the experiment auditory evoked magnetic field components N100m (100--200 ms post-onset) and SF (200--600 ms post-onset) were measured from 14 subjects with MEG during a behavioral task. In the behavioral task subjects identified 1020-Hz target tones (P=0.1) from more frequently occurring 1000-Hz standard tones (P=0.9), or respectively focused their attention on a visual control task where identical auditory stimuli were playing. The magnetic fields were evoked by a sequence of 300-ms pure tones that were suppressed with continuous-time notched-noise maskers. The difficulty level of the auditory task (7 levels) was varied by changing the band-stop filtered spectral ``notch'' around the target stimuli between $\pm$500 Hz and 0 Hz. The current data showed that the N100m and SF components were stronger under selective auditory attention. The impact was most robust at 200--500 ms post-onset when the notches were within the critical band (≤ ±160 Hz). Moreover, the effect was more pronounced in the left auditory cortex, especially with the thinnest notches. The results indicate that the neurophysiological mechanisms of selective auditory attention are based on neural gain when the notches are clearly wider than the critical band and on neural tuning (gain + selectivity increase) when the notches are within the critical band. Moreover, it seems that the left auditory cortex has a more active role in conditions where the segregation of relevant sounds from noise requires very sharp filtration.

Kun auditorinen tarkkaavaisuus kohdistetaan tiettyyn äänen ominaisuuteen (esim. sävelkorkeus) taustamelun aikana, ihmisen kuuloaivokuorella tapahtuu lyhytaikaisia neuraalisia muutoksia, jotka tehostavat hyödyllisen informaation erottelua kohinasta. Tutkimuksen tarkoituksena oli kartoittaa kuuloaivokuoren neuraalisia mekanismeja, jotka parantavat kuulon taajuus-selektiivisyyttä erityisesti vaativissa kohinaolosuhteissa. Tutkimuksessa selvitettiin kuuloaivokuoren neuraalista toimintaa psykofyysisellä kokeella, jossa mitattiin magneettisia N100m (latenssi 100-200 ms) ja SF (latenssi 200-600 ms) herätevasteita MEG-laitteella 14 koehenkilöltä behavioraalisen tehtävän aikana. Behavioraalisessa tehtävässä koehenkilöt erottelivat 1020-Hz merkkiääniä (P=0.1) yleisemmistä 1000-Hz standardiäänistä (P=0.9) tai tekivät visuaalista kontrollitehtävää ääniärsykkeiden soidessa taustalla. Herätteinä käytimme 300 ms sini-ääniä, joiden havaitsemista vaikeutettiin jatkuva-aikaisilla kohinamaskereilla. Kohinamaskerit (7 eri vaikeustasoa) luotiin suodattamalla valkoiseen kohinaan vaihtelevia päästökaistoja 1 kHz ympärille $\pm$500 Hz ja 0 Hz väliltä. Kokeellinen paradigma mahdollisti auditorisen tarkkaavaisuuden ja taustakohinan neuraalisten vaikutusten analysoimisen vertailemalla neuraalista ja behavioraalisia vasteita keskenään. Mittaukset osoittivat, että N100m ja SF herätevasteet olivat voimakkaampia selektiivisen auditorisen tarkkaavaisuuden aikana kuin visuaalisessa kontrollitilanteessa. Vahvistuminen oli voimakkainta vaativissa kohinaolosuhteissa, kun päästökaista oli kriittistä kaistaa (≤ ±160 Hz) kapeampi latenssien ollessa 200--500 ms. Yllättäen tämä neuraalisen aktiviteetin kasvu oli voimakkaampaa vasemmalla aivopuoliskolla. Tulokset osoittavat, että neurofysiologinen tarkkaavaisuusmekanismi on gain-tyyppistä, kun kohinan päästökaista on reilusti kriittistä kaistaa leveämpi. Kohinan päästökaistan ollessa kriittistä kaistaa kapeampi tulokset tukevat tuning-tyyppistä mekanismia (gain + selektiivisyyden kasvu). Vaativimmissa kohinaolosuhteissa selektiivisyyden kasvulla näyttää olevan suurempi merkitys, joka korostuu erityisesti vasemman aivopuoliskon vasteissa.
Description
Supervisor
Sams, Mikko
Thesis advisor
Kauramäki, Jaakko
Keywords
auditory cortex, frequency selectivity, selective attention, magnetoencephalography, auditory-evoked fields, neural tuning
Other note
Citation