无声的高频率的声音会影响大脑的活动：高超声速的影响
1. 勉Oohashi 1 ， 2 ，
2. 惠仁科 3 ，
3. Manabu本田 4 ， 5 ，
4. 米仓义治 4 ， 6 ，
5. 喜孝Fuwamoto 7 ，
6. Norie河合 8 ， 9 ，
7. 忠雄前川 10 ，
8. 聪村 6 ，
9. 秀直福山 4 ，和
10. 浩柴崎 4
1. 感性脑科学，ATR人类信息处理研究实验室，京都619-0288 1部;
2. 2部网络科学技术研究所，千叶县习志野275-0016;
3. 3人机界面的研究与发展组，全国多媒体教育研究所，千叶261-0014;
4. 4脑病理生理学系，京都大学医学院，京都606-8507;
5. 5脑集成实验室，国家生理科学研究所，冈崎444-8585;
6. 6生物医学成像研究中心，福井医科大学，福井910-1193;
7. 7 512-8512四日市四日市大学环境与信息科学系;
8. 8社区医学研究所，筑波大学，筑波305-8577;
9. 9地位，筑波305-0005国际科学基金会;
10. 10艺术和技术项目，ATR媒体集成和通信研究实验室，京都619-0288，日本
• 1999 年提交15年11月。

• 接受在 2000年3月6 日的最后形式。

第4节
摘要
虽然人们普遍接受，人类无法感知在20 kHz以上的频率范围的声音，是否存在这种“无声”的高频成分的问题可能影响的认识，仍然需要解答的可听声音的声学。在这项研究中，我们使用的非侵入性生理测量大脑反应，这听起来包含可听范围以上的高频分量（HFCS）显著影响听众的大脑活动提供证据。我们作为一个自然声源巴厘岛，这是极其丰富的氢氟碳化合物具有非平稳结构，加麦兰音乐，分成两部分组成：一个声音的低频分量低于22千赫和22千赫以上的HFC（LFC）。脑电活动和局部脑血流量（rCBF）测定作为神经元活动的的标志，而受试者暴露与低森林覆盖率国家和氢氟碳化合物的各种组合的声音。健全的受试者没有认识到的HFC，当它被单独提出。然而，自发脑电图记录从枕区（α-脑电图）的alpha频率范围的功率谱增加，具有统计学意义时，受试者接触到的声音包含HFC和利物浦相比，与其他相同的声音从被拆除的HFC（即，LFC单独）。相比之下，与基线相比，没有提高α-脑电图是显而易见的，当HFC或利物浦单独列示。正电子发射断层扫描测量显示，HFC和一个利物浦结合在一起作了介绍，在脑干的脑血流和左丘脑增加显著较健全，缺乏的HFC 22千赫以上，但其他方面都相同。同时脑电图的测量结果表明，枕部α-脑电图功率在左侧丘脑的rCBF的显著相关。心理测评表明，受试者感到包含的HFC较缺乏相同的HFC的声音愉快的声音。这些结果表明存在一个以前无法识别的响应复杂的声音，其中包含特定类型的可听范围以上的高频率。我们称之为这种现象为“高超音速的效果。”
上一节 下一节
引言
人们普遍接受，20 kHz以上的音频的频率不影响人类的感官知觉，因为它们超出可听范围（兰特和 Lovrinc 1977年， 1931 年雪; Wegel 1922年）。例如，大部分传统的商业数字音频格式[例如，光盘（CD）的数字录音带（行动组），以及数字音频广播]已标准化的频率范围内，不允许这种高频成分（氢氟碳化合物）的声音。确定这些格式的前提下，进行了一些心理实验的声音质量主观评估问卷方式，根据建议ComitéConsultatif国际RADIOPHONIQUE（CCIR 1978年）或修改后的版本。村冈等人的研究 。（1978）和Plenge等。 （1979年） ，以及其他研究，得出的结论，听众不自觉地认识到与15千赫以上的频率范围在音质的差异列入的声音。然而，有趣的是，艺术家和工程师的工作，为商业目的生产声学完美的音乐相信，可听范围以上的故意操纵的HFC可以产生积极的影响音质的看法（尼夫1992年）。事实上， 日本音响协会（1999年）由组织的高级音频会议提出了两个下一代先进的数字音频格式：超级音频光盘（SACD）和数字多功能磁盘音频（DVD - AUDIO） 。这些格式有高达100 kHz和96kHz的，分别的频率响应。然而，建议并非基于有关氢氟碳化合物，将成为与这些先进的格式的生物效应的科学数据。虽然最近有过几次试图探讨无声氢氟碳化合物的心理影响，对声音的感知，使用一个更高的采样率96千赫（ 数字音频格式Theiss和 Hawksford 1997年，1996 年山本;吉川等人 1995年 ，1997年），没有这些研究令人信服地解释现象的生物机制。这可能反映了部分决定音质的音频传统的工程方法，这完全是通过问卷调查获得的一种主观评价的基础上的局限性。
有两个因素，可能有一些在这个问题上的轴承。首先，它已建议声波暴露可能对人体健康（不利影响丹尼尔森和Landstrom 1985年 ），这表明人类的生物敏感性可能无法与“自觉”的空气振动可听平行。二，自然环境，如热带雨林，通常含有极为丰富的氢氟碳化合物超过100千赫的声音。 anthropogenetic从一个角度来看，暴露在自然环境中的人类感觉系统会站在一个很好的机会，发展的某些生理氢氟碳化合物的敏感性。这是过早得出结论，自觉听不到高频声音对听众的生理状态没有影响。
因此，在本研究中，我们讨论了这个问题，通过量化和可重复的测量大脑活动的。为了测量人体的生理反应，以氢氟碳化合物，我们选择了两个非侵入性技术：脑电图（EEG）和正电子发射断层扫描（PET）的局部脑血流量（rCBF）的测量分析。这些方法具有互补性的特点。脑电图有良好的时间分辨率，是对人类大脑功能的状态，以及地方上比其他技术，如功能磁共振成像（fMRI）的科目较少的物理和心理的制约。这是因为一些回应可能会被扭曲紧张的测量环境本身具有特殊的重要性。另一方面，PET为我们提供了详细的大脑活动的神经解剖基板上的空间信息。这两种技术相结合，心理评估，我们提供的证据此处，听不见的高频率的声音对人类有一个显著的影响
上一节 下一节
（方法）的数据都是对象。
主题
二十八名日本志愿者（男15例，女13例，19-43岁）参加在脑电图实验; 12（8男4女，19-34岁）日本志愿者参加在PET实验;和26名日本志愿者（15男11女，18-31岁）参加在心理实验。科目没有任何神经或精神疾病史。从实验前所有受试者的书面知情同意书。PET和EEG的实验是在按照医学伦理学，医学研究生院，京都大学委员会批准。所有的人都熟悉法器声源的实际声音。
健全的材料和演示系统
被选为所有的实验中的声源，自然声源，其中包含一个显眼的波动结构的高频率的首富，印尼巴厘岛的传统加麦兰音乐。一个传统加麦兰组成，“Gambang库塔，”发挥“火山Jati，”一个国际公认的从巴厘加麦兰合奏，是记录使用的B＆K 4135麦克风，一个B＆K 2633麦克风前置放大器和一个B＆K 2804电源供应商，所有通过的Brüel制造Kjær的（丹麦Nærum，）。Y。山崎的高速编码位信号处理器（美国专利号5351048）（ 山崎1991年 ）的A / D采样1.92兆赫频率信号数字编码，并在一个DRU - 8数字数据记录存储（雅马哈，滨松，日本）。该系统具有超过100千赫的一般平坦的频率响应。
大多数传统的音频系统已用于确定音质，目前声音被发现不适合这项研究。在传统的系统，听起来含有氢氟碳化合物为未过滤的源信号通过所有通电路和无氢氟碳化合物的声音源信号通过低通滤波器（ 的生产村冈等。1978年; Plenge等 。1979 ）。因此，发声的低频成分（低森林覆盖率国家）是通过不同的途径，可能有不同的传输特性，包括频率响应和群时延。此外，互调失真的差异可能会影响低森林覆盖率国家。因此，这是难以排除的可能性之间的任何两个不同的声音，那些和那些没有氢氟碳化合物，观察到的差异可能会导致在发声低森林覆盖率国家的差异，而不是从氢氟碳化合物的存在。为了克服这个问题，我们开发了一个双声道的声音的演示系统，使单独或同时给我们的发声低森林覆盖率国家和nonaudible氢氟碳化合物。首先，从Y。山崎的高速，1位编码信号处理器的D / A转换器的信号源被一分为二。然后，低森林覆盖率国家和氢氟碳化合物，通过这些信号通过可编程低通和高通滤波器（FV - 661，NF电子仪器，东京，日本），分别，与26或22千赫的交叉频率和截止衰减170或80分贝/倍频程，根据测试类型。然后，低森林覆盖率国家和氢氟碳化合物分别扩增与P - 800和P - 300L功率放大器（ACCUPHASE，日本横滨），分别，并通过双圆锥型低音单元和号角型高音单元组成的扬声器系统为低森林覆盖率国家一个圆顶型超用的氢氟碳化合物的钻石振膜高音喇叭。扬声器系统的设计是由作者（T. Oohashi）和先锋有限公司生产的（日本东京）这种声音的生殖系统有一个超过100 kHz的平坦频率响应。提出的声压水平是个别调整，使每个科目感到舒适，从而最大程度约80-90分贝声压级（SPL），在聆听位置。
使用双声道的声音演示系统，制备了四种不同的声音组合如下：1）全音域的声音“（FRS）= HFC +利物浦; 2）高切声（HCS）=利物浦只; 3）低切声音（LCS）= HFC只;，4）基线=没有健全的环境噪声除外。所有实验均在声学屏蔽室。在PET实验中，有一个非常低级的PET扫描仪，这并没有惹恼科目风扇噪音。图A显示了从音乐的CF - 5220快速傅立叶变换（FFT）分析仪（小野测器，东京，日本）通过分析200期第获得信号源的平均功率谱它包含了一个以上的可听范围内的氢氟碳化合物的显著金额，往往超过50千赫，在某些时候，100千赫。图1 B显示再现了22千赫滤波器的截止频率和记录主体的头部位置的实际声音的平均功率谱。的FRS谱基本上是相同的源和包含下面两个低森林覆盖率国家和22千赫以上的氢氟碳化合物。没有蒙住科目区别于沉默LCS（即HFC），当它被单独提出。因此，我们得出的结论，在目前的实验中采用的HFC，至少，有意识地面目全非的空气振动。



图.1.
在这项研究中所使用的声音的功率谱。答 ：从整个200 - S录制的声源信号的期间计算的平均功率谱的CF - 5220快速傅立叶变换（FFT）分析仪（小野测器，日本东京）。它包含一个以上的可听范围内的高频成分的显著金额。B：平均功率谱的双声道音响演示系统在不同条件下（见正文）再现了声音。实际上是在拍摄对象的头部位置使用B＆K 4135麦克风（的Brüel Kjær的，Nærum，丹麦）记录信号的功率计算。顶部，中部和底部面板代表全音域的声音“（FRS），高切声（HCS），和低切声音（LCS），分别。FRS功率谱基本上是相同的源频谱，并包含一个低频分量（LFC）（即，使用了HCS条件）和高频组件（HFC）（在LCS条件）。
脑电图记录和分析
脑电图实验在全国多媒体教育研究所的脑电图实验室。受试者被要求坐在一把椅子在一个轻松的位置。从扬声器科目的耳朵的距离约为2.5米特别重视科目的即时环境，以避免不适。例如，房间装饰用植物，漆面罩，和山水画。脑电图记录设备被隐藏科目“的观点和实验设备的所有电缆在地板下面的坑。受试者被指示在声音演示中没有任何认知任务的享受音乐。受试者能够通过广泛的，双层玻璃窗口声学屏蔽来自外界的声音的实验室的户外。两种不同的脑电图实验。在第一个实验，探索nonaudible频率范围的声音的生理效应，我们采用的严格控制实验设置与常规脑电图的测量相结合的声演示。在第二个实验中，同样的效果，更普通的收听条件下研究。
实验1。
要研究生理效应的一个无声的频率范围的声音，11个受试者与FRS，HCS和基线条件。在这个实验中，一个截止频率为26千赫的170分贝/倍频程陡峭的截止衰减是聘请独立的氢氟碳化合物从低森林覆盖率国家。这相对较高的截止频率的选择，因为当一个截止频率降低超过26千赫用于过滤氢氟碳化合物的功率谱的裙子低于20千赫，并含有20 kHz以下的组件产生的声音。众所周知，人类的可听范围内的上限相差很大。它通常对应于青壮年，约15或16千赫，有时低于13 kHz的中老年人，而有些人可以识别20千赫的空气振动声。当一个截止频率为26千赫的陡峭的截止衰减就业，根据20千赫的过滤氢氟碳化合物的功率谱低于系统的噪音水平。因此，我们选择了一个截止频率为26千赫，这是足够高的可听声元件的污染，在所有的科目完全排除。按照传统的录音背景脑电活动，受试者在实验过程中保持自己的眼睛自然闭合，以消除视觉输入任何影响。介绍两个FRS和HCS条件的声音持续了200秒，其中包括整片的音乐。基线条件，也持续了200秒，没有健全的表现。闭会期间的时间间隔分别为10秒。两个记录会重复每个条件的，按下列顺序：基线的FRS - HCS - FRS - HCS基线。
实验2
更普通的收听条件下，国际受聘为CD的数字音频格式的有效性进行了评估。17个受试者使用截止频率为22千赫，这相当于一张CD录制的声音的上限范围的声音。然后要求受试者保持他们的眼睛自然张开，因为他们通常当他们听音乐。开放眼条件也适当的控制对象的警惕。每个主题四种类型的条件：FRS，HCS和基线在实验1，加LCS的澄清，当它单独提出的HFC的效果。在实验1中，每个条件持续200秒在实际拍摄之前的会议，HCS是一次熟悉实验环境的主体。为了避免任何的呈现顺序的影响，四个不同的条件进行了跨学科随机顺序。一个10分钟的休息后，同样的四个条件，以相反的顺序重复。无论何种条件下被执行的主体，也不知道实验者。
脑电图，记录凌晨- 6112遥测系统（日本柯登，东京，日本），以尽量减少科目上的约束，存储在磁带离线分析。连续记录的脑电图，包括会话之间的间隔。数据录得12个头皮网站作为参考使用挂钩耳垂电极（FP1，FP2，F7，FZ，按F8，C3，C4，T5，PZ，T6，O1，和O2按照国际10-20系统） 1-60赫兹（-3分贝）的过滤器设置。保留所有电极的阻抗小于5kΩ。取得的脑电图功率谱分析。在每个电极的脑电图功率谱快速傅立叶变换（FFT）分析计算，每2 - S划时代，与1秒的重叠，在0.5 Hz与256赫兹的采样频率的频率分辨率。然后10的时间窗口内的平均功率谱计算。被指定的时间，中间声演示开始测量点逐一进行分析窗口。例如，标记为100 - S包含从一开始就从95至105小号的数据的时间窗口。8.0-13.0赫兹的频率范围在每个电极位置的平均功率水平的平方根计算，相当于一个alpha波段潜力的脑电图（α-脑电图）。为了消除可能产生的影响的跨学科的变异，在每个电极位置的α-脑电图正常化方面跨时代所有的时间，条件，并为每个主题电极位置的平均值。要获得的数据的概述，检查由工件的污染，以及空间分布特征的脑电图的α-，我们构建了彩色的等高线图，使用线性插值和外推2565头皮网格点。这种类型的地图被称为大脑电活动图（BEAM）（ 达菲等。1979）。为了避免污染眼球运动所产生的文物，我们计算平均在后三分之一的头皮上的电极的α-脑电图枕的阿尔法 - 脑电图。梁及枕部α-脑电图平均多时间的时代，受到的条件影响的统计评价。由于α-脑电图变化的时间过程中发现一个相当长的时间滞后与尊重的声音介绍（见结果和图2 C），我们的所有时间获得的数据的统计评价以及数据时代仅在会议的后半部分（从100 - S 200 - S类商标）。我们用方差分析（ANOVA）渔民的保护至少有显著差异（PLSD）事后检验，以评估不同条件下的统计意义。



图2.
从每一个实验条件下的自发脑电图的α频率范围（α-脑电图）（FRS，HCS，和基准）和时间当然在连续的FRS和脑电图实验1 HCS条件规范化的潜力。答 ：脑电活动地图（梁）平均贯穿在整个声演示时间划时代的11个科目。暗红色表示较高的α-脑电图潜力。请注意，α-脑电图增强parieto枕区在FRS条件。乙 ：均值和标准错误枕部α-脑电图全部11个科目。FRS显著增强的HCS枕部的α- EEG 相对C：时间在所有11个科目的总平均梁的过程。在这个数字中，平均每个条件的两次会议。枕α-脑电图显示了在FRS文稿逐渐增加，逐渐减少，而HCS先后提出。
PET的测量和分析
完善的演示设备已安装并在京都大学医院PET的实验室校准。主题奠定仰卧，用他们的眼睛自然张开，PET扫描仪在一个安静，昏暗的房间床。他们的头被固定在单独成型的盔形轮廓离开自己的耳朵不受干扰的休息。从扬声器科目的耳朵的距离约为1.5米在脑电图的研究，特别注重眼前的环境，以尽量减少受试者的不适。六科目使用的FRS，HCS，和基线条件进行了研究，和其他六个使用FRS康乐及文化事务署和基线条件进行了研究。条件的顺序是随机跨学科，共6个扫描每个主题进行7分钟的时间间隔。对于每个的FRS，HCS，和LCS介绍，30 15 O型标记的水MCI注入正确的肘静脉80秒后，每届会议开始时。同样的程序进行的基线条件后的最低休息1分钟无任何其他环境背景噪声比PET扫描仪室的演示。注射后，头部被扫描与多切片PET扫描仪（PCT3600W，日立医疗器械有限公司，日本东京）为放射性为120秒。扫描器收购中心到中心的距离为7 mm和轴向分辨率6.5毫米全宽半高（FWHM），在中心（15 片远藤等 。1991 ）。在平面固定模式采集的空间分辨率在本议定书中所使用的6.7毫米～10毫米，这是在重建PET图像模糊的半高宽。领域的观点和像素大小为256毫米和2 × 2毫米。此前的排放测量，数据传输使用68 GE / 68 GA衰减校正标准板源获得。通过总结整个120 - S期的活动，获得重建图像。没有动脉血取样进行组织活动，因此，收集的图像。组织活动，用这种方法记录是线性相关的局部脑血流（Fox等 。1984年 ， 福克斯和1989年明敦 ）。
PET数据进行了分析与统计参数图（SPM96软件，惠康，伦敦，英国认知神经部）在MATLAB（MathWorks公司，Sherborn，马）实施。统计参数图在空间扩展统计过程，是用来描述影像数据（区域的具体影响Friston等1991年， 1994年 ， 1995年b ; 沃斯利等。1992）。每个主体的扫描，重新调整使用的第一个图像作为参考（ Friston等。1995年a）。调整后，图像转化为一个标准的解剖空间（Friston等人1995年a ; Talairach和Tournoux 1988年） 。因此，每次扫描重新取样成体素，分别为2 × 2 × 4毫米的 X（右左），Y（前后） 和 z方向（优劣势）。每幅图像平滑与各向同性高斯内核（FWHM = 15毫米），考虑到正常的脑回的解剖结构的变化，并增加信号噪声比。全球脑血流量之间的差异扫描的效果被删除，缩放比例全球活动的每个像素的活动，以调整全球平均每个扫描活动50 ml/100g/min。要探索脑血流显著差异，在不同条件下的地区，一般采用线性模型与对比，在每个体素（ Friston等。 1995年b）。由于运行在不同科目，不同条件的FRS与HCS和HCS与基线的对比研究六个科目的FRS与LCS和LCS与基线研究等六个科目。FRS与基线的对比研究所有12个科目，包容。对比每个体素值的结果集构成的t统计量的统计参数图。t值转化为单位正态分布（Z分数），这是错误的自由程度的独立，并在3.09阈值。多个非独立的比较，在每个脑区的激活的意义检测Friston等人被分配近似高斯领域的空间范围和/或峰高（理论估计。1994年）估计为0.05 P值被 用来作为一个重要的最后门槛。显著的大脑区域的 Z分数的结果集映射到一个标准的空间网格（ 1988年Talairach和Tournoux）。
在所有的科目，脑电图同步记录整个PET的测量，历时约60分钟，来自12个电极的脑电图实验。共200 - S声演示期间获得的脑电图功率谱分析，特别是，在每个120 - S PET扫描那些与脑血流量相关分析。一个主题的数据被排除，因为脑电图电噪声过量。我们用方差费舍尔的PLSD事后测试，以评估不同条件下的统计意义。此外，我们使用的SPM软件计算脑血流量和枕部阿尔法脑电图之间的相关地图，研究它们之间的关系。被用来作为最终的意义阈值P与校正多重比较的价值估计为0.05。