我们描述了一种微型耳机的设计与组装方法，该耳机可用于将鸣禽的自然听觉反馈替换为经过操控的声学信号。通过在线声音处理硬件来操控鸣禽的鸣唱输出，利用耳机实时引入听觉反馈误差，从而驱动发声运动学习。
本文内容
摘要
摘要
在复杂行为过程中对感觉反馈进行实验性操控，为揭示运动控制和感觉运动可塑性背后的计算机制提供了宝贵的见解1。持续的感觉干扰会引起运动输出的补偿性调整，反映出前馈运动控制的改变，从而降低所感知到的反馈误差。通过量化不同类型的感觉反馈误差对人类行为的影响，以往的研究已探讨了视觉信号如何用于重新校准手臂运动2,3，以及听觉反馈如何用于调节言语产生4-7。该方法的优势在于能够模拟行为中自然发生的真实误差，使研究者能够观察个体如何利用实际经历的产出误差来重新校准运动输出。
鸣禽为研究感觉运动控制和可塑性的神经基础提供了极佳的动物模型8,9。鸣禽大脑具有明确的神经回路，其中负责鸣唱学习的脑区在空间上与负责鸣唱产生的脑区相分离，神经记录和损毁研究已显著推进了我们对不同脑区如何参与发声行为的理解9-12。然而，由于缺乏一种自然的错误纠正范式——即由实验者扰动某一已知的声学参数，随后由鸣禽自身进行纠正——使得人们难以理解发声学习背后的神经计算机制，以及神经回路中不同组成部分在纠正发声错误中的具体作用13。
本文所述技术使实验者能够精确控制鸣禽鸣唱过程中听觉反馈的误差，从而引入任意的感觉误差，以驱动鸣禽的发声学习。通过在线声音处理设备对鸣唱的声学特征引入特定的扰动，并利用微型耳机装置实时地将鸣禽自然的听觉反馈替换为经过扰动的信号。我们已利用该范式对成年鸣禽听觉反馈的基频（音高）进行扰动，首次证明成年鸟类通过误差校正机制维持其发声表现14。本实验方案可用于实现多种类型的感觉反馈扰动（包括但不限于音高偏移），以探究发声学习的计算机制与神经生理学基础。
方案
耳机系统的实施包括四个主要步骤。下文第1节详细说明了耳机框架的组装，该框架用于容纳电子元件（扬声器和微型麦克风）。第2节描述了如何将框架固定到鸟类身上。第3节介绍了电子元件的组装过程。第4节解释了如何将电子元件连接至声音处理和数据采集硬件，并详细说明了测试系统是否正常工作的操作流程。
1. 制作耳机框架
- 切割用于横杆和耳塞的碳纤维部件。使用Dremel工具上的切割轮制备以下部件：
1根横杆（3 cm长，1 × 3 mm截面的碳纤维条）
2根垂直支撑杆（每根1.5 cm长，1 × 3 mm截面的碳纤维条）
2个耳塞（每段4 mm长，内径4 mm / 外径6 mm的碳纤维管） - 组装横杆。使用直径1.4 mm的钻头，在横杆中心位置钻两个相距4.5 mm的小孔（图1a，顶部）。孔径应刚好可容纳0-80螺钉。将两根0-80螺钉插入孔中，并拧上六角螺母。截取两段6 mm长的注射器针头（任何小直径针头均可），用钳子压平（图1a中红色所示为针头片）。将横杆翻转，使六角螺母位于上方。为防止环氧树脂将螺钉尖端与六角螺母粘连，在每个螺钉尖端滴一滴矿物油（图1a中绿色所示）。将两段针头片放置在六角螺母上方。用环氧树脂将两个六角螺母彼此粘合，并同时固定针头片，完全覆盖两者（图1a，底部）。待环氧树脂完全固化（24小时）后，取下两根螺钉。此时横杆组件应分离为四个部分：两根螺钉、一段3 cm长的碳纤维条，以及由两个六角螺母和两段针头片通过环氧树脂粘合而成的一个整体部件。重新组装横杆组件。
- 制作泡沫环。使用1/4英寸（6.35 mm）打孔器从泡沫耳塞上切下一圆柱形泡沫块。用剪刀沿该泡沫圆柱的长轴垂直方向剪切，得到一段长2 mm、直径6.35 mm的圆柱体。然后使用1/8英寸（3.175 mm）打孔器在该2 mm长的泡沫圆柱中心打孔，形成一个泡沫环（图1b中橙色所示）。
- 组装耳塞。如图1b底部所示，使用环氧树脂将垂直支撑杆（1.5 cm长的碳纤维条）粘接到4 mm长的碳纤维管上。待环氧树脂硬化后，取少量环氧树脂将泡沫环粘接在碳纤维管末端（图1b，底部）。泡沫环将贴合于鸟类头部。
2. 将耳机框架固定到鸟类
- 准备立体定位仪。手术前，将立体定位仪的耳棒穿过耳塞，使泡沫垫朝内（图1c，上图）。
- 安装横杆。使用异氟烷和/或氯胺酮联合咪达唑仑对鸟类进行麻醉。麻醉后的鸟类应闭眼，且对脚趾夹捏无反应。将鸟类置于立体定位仪中，并在头皮上做一长度为5-10 mm的切口。切口应沿中线进行，从前颅骨后部颈部肌肉附着点前方约2 mm处开始向前延伸。用70%乙醇擦拭暴露的颅骨以干燥骨面。使用鳄鱼夹固定器将横杆放置到位，使环氧树脂覆盖的六角螺母置于颅骨顶部（图1c, d）。轻轻抬起横杆，并用环氧树脂或牙科丙烯酸胶将六角螺母粘接到颅骨上，注意胶水仅接触六角螺母，不可接触横杆本身。这样可在后续拆除耳机时（通过卸下螺钉），仅保留六角螺母永久固定在头部（图1d）。
- 安装耳塞。沿耳杆滑动耳塞，直至泡沫垫紧贴鸟类头部（图1c，上图）。使用耳杆上的鳄鱼夹将泡沫垫牢固压紧在鸟类头部（图1c，下图），这对于获得良好的声学密封至关重要。旋转耳塞，使垂直支柱接触横杆后部，前方留出空间用于连接条插座（图2）。使用环氧树脂或丙烯酸胶将支柱粘接至横杆上。
- 恢复。给予24小时时间使环氧树脂/丙烯酸胶完全固化，并让鸟类充分恢复。恢复后，检查装置结构，确保泡沫垫在耳道周围形成紧密密封。若密封不严，可拆除泡沫垫并更换为更大的垫片以改善声学密封。使用0.05英寸（1.27 mm）六角扳手轻轻卸下螺钉，将组装好的耳机框架从鸟类头部取下。
3. 组装电子元件
- 制作扬声器适配器。将移液器吸头（长度为 5.2 cm，直径从 5 mm 逐渐缩小至 1 mm）插入一段废弃的碳纤维管（使用与耳塞相同的 4 mm 内径 / 6 mm 外径管材；管段长度不限），然后在碳纤维管末端外侧 1 mm 处切断移液器吸头（图 2a）。从管中取出后进一步修整，使适配器总长度为 3 mm。
- 连接扬声器。将两段长 5 cm 的绝缘 36 号导线分别焊接到两个扬声器的正极和负极端子上（分别为 图 2d, e 中的绿色和黑色导线）。使用欧姆表确认任一端子均未与扬声器的金属外壳发生电接触。
- 组装扬声器/麦克风组件。在其中一个扬声器的一侧用环氧树脂粘贴一条胶带（任何电绝缘胶带均可），再将耳机麦克风用环氧树脂固定在胶带上方（图 2b）。将麦克风的接地导线焊接到扬声器的负极端子上（连接方式如 图 2e 中黑色所示）。
- 将扬声器以及扬声器/麦克风组件分别用环氧树脂粘接到每个适配器的较宽一端（图 2c，右侧）。扬声器和麦克风端口均可刚好嵌入移液器内。注意确保环氧树脂不覆盖任一端口。
- 将适配器轻轻插入耳塞中（图 2d，右侧）。用少量环氧树脂将每个适配器粘接到对应的耳塞上。
- 制作连接条。截取一段包含四个端子的连接条插座，并在其一角标记参考点（图 2d 中的白点）。将连接条放置在其中一个垂直支柱附近。按照 图 2e 所示配置，将扬声器和麦克风导线焊接到插针上。使用欧姆表检查连接条是否存在短路，并在必要时进行修复。用环氧树脂将连接条固定在耳机框架上。用绝缘胶带或透明胶带包裹裸露的导线以提供保护，并在胶带末端覆盖一层薄环氧树脂，防止松散。耳机成品重量（包括框架和电子元件）应为 1.3–1.5 g。
- 通过将四段长 15 cm 的绝缘 36 号导线焊接到一段包含四个端子的连接条插头上来制作柔性引线（图 3a）。在插头一角标记参考点（图 3 中的白点），以确保引线能以正确方向插入插座。将导线编织后，再将末端焊接到可插入换向器的适配器上，完成引线制作（图 3b）。
4. 将耳机电子设备连接至电源和信号处理设备
- 采集、滤波、移频并放大声学输入信号。将一个全向电容麦克风（“笼式麦克风”，图4）直接悬挂在鸟笼上方。对该信号进行前置放大并进行低通滤波（对于雀鸟鸣叫，截止频率设为10 kHz），然后输入至和声处理器（Harmonizer，或其他实时声音处理硬件）。使用和声处理器上的移频模块生成频率偏移的声学信号。放大该信号，并通过换向器和柔性导线将其传输至耳机扬声器的正极通道（图2e中的绿色线）。
- 为耳机麦克风供电。将一块9V电池固定在鸟用隔音箱的壁上。通过换向器和柔性导线将电池的正极连接至V+通道（图2e中的红线），并将电池的负极连接至信号处理设备的公共接地端。将该公共接地端连接至扬声器和耳机麦克风的接地端（图2e中的黑线）。
- 校准反馈增益。使用0-80螺钉将组装完成的耳机固定在鸟头部的六角螺母上。当鸟开始鸣叫时，记录三个通道的数据（笼式麦克风/未移频信号、移频信号以及耳机麦克风信号），如图4所示。检查耳机麦克风记录到的声音信号。该通道记录的是虚拟反馈（通过耳机扬声器播放）与鸟的实际鸣叫“泄漏”直接进入耳机框架的声音的叠加信号。调节扬声器放大器的幅度设置（图4），使虚拟听觉反馈比直接/泄漏信号高出15–20 dB。注意，若将幅度调得过高，可能导致虚拟信号通过耳机泄漏并被笼式麦克风拾取，从而引起反馈失真。一个校准良好的系统示例（其中耳机麦克风记录的信号主要由移频信号主导，而非直接/泄漏信号）如图5所示。在此例中，通过耳机麦克风记录的信号（图5a右侧）主要由移频信号构成（而非鸟的自然发声），这在示例功率谱中（图5b）有明确体现。
- 监控系统性能。每天两次检查耳机，确保两个扬声器和麦克风均正常工作。注意，耳机麦克风仅监测其中一个扬声器。要测试另一个扬声器，可在手持未被监测的扬声器靠近耳朵的同时轻敲笼式麦克风——若该扬声器正常工作，您将听到咔嗒声。另一项推荐检查是断开耳机麦克风的电源和信号输出，并使用欧姆表测量扬声器两端的电阻（图2e中的黑色和绿色线）。当两个扬声器均连接时，由于它们为并联连接，测得的总电阻应为单个扬声器电阻的一半。
5. 关于材料成本的说明
除了两个显著例外，材料表中所列的所有物品均相对便宜（少于几百美元）。其中最昂贵的组件是材料表中列出的换向器和调和器，每件价格均在2000美元或以上。我们注意到，这两类物品可能有其他制造商提供的较便宜版本（尽管我们尚未测试过），这或许可使研究人员以较低成本实施本方案。
结果
图6展示了一项在成年斑胸草雀上进行的代表性实验。在此实验中，使用耳机系统将听觉反馈的音高提高半音（一个八度的十二分之一，相当于绝对频率约增加6%），持续16天。该操作导致鸣唱中所有音节的音高逐渐降低（彩色线条）。这种发声运动程序的改变使鸟类所经历的听觉误差减少（虚线），表明鸟类依赖听觉反馈来纠正明显的发声错误。在第16天后移除音高偏移后，鸣唱音高最终恢复至基线水平。
所示数据 图6 在使用虚拟反馈干扰单一感觉模式时，不完全适应是跨物种和跨系统的普遍现象。此处，尽管听觉反馈的音高被改变了1.0个半音，但该鸟类仅将其鸣唱音高调整了约0.4个半音，这正是不完全适应的典型表现。 5,15，而在当前范式中，这可能反映了对非听觉（例如 本体感受信号，用于鸣禽评估其正在进行的发声表现。
图 1. 耳机框架组件。a. 横杆组件。如图所示，使用环氧粘合剂（蓝色）将螺丝、横杆、六角螺母和注射器针头（红色）连接固定。在每颗螺丝的尖端涂抹矿物油（绿色），以防止环氧树脂与螺丝粘连。b. 耳塞组件。使用环氧树脂将支柱、圆柱体和泡沫垫（橙色）粘合固定。c. 安装耳机框架。手术前，将立体定位耳杆（黑色）穿入耳塞中。使用环氧树脂或牙科丙烯酸树脂（蓝色）将横杆固定在颅骨上，然后使用鳄鱼夹将耳塞连接到横杆上，使泡沫垫轻柔地贴紧鸟类头部。d. 左图：耳机框架安装在鸟类头部后的侧视图，显示横杆和耳塞的位置。右图：移除耳机框架（通过拆下螺丝）后，六角螺母组件连接在颅骨上的侧视图。b 中的比例尺适用于所有图示。
图 2. 电子组件装配。a. 将移液枪头插入一段废弃的碳纤维管中，截取适当长度，制成适配器。b. 使用环氧树脂将一个扬声器和耳机麦克风粘合在一起，中间用一片胶带隔开。c. 将适配器粘接到扬声器（如图所示）以及扬声器/耳机麦克风组件上。d. 将扬声器和耳机麦克风的导线焊接到连接条插座上，并将插座粘接到耳机框架顶部。白色圆点为连接条插座上的对齐标记。e. 接线图，显示扬声器、耳机麦克风与插座之间的连接方式。
图3. 导线组件。a. 通过将四根15 cm长的导线焊接到连接器条带插头一侧的引脚上，并将导线编织在一起，制备一根柔性导线。将导线的另一端焊接到与换向器相连的适配器上。白色圆点为连接器条带插头上的对齐标记。b。将导线插入耳机上的连接器条带插座，以将经过修改的听觉反馈信号传输至耳机扬声器，为耳机麦克供电，并记录来自耳机麦克的信号。对齐连接器条带插头与插座上的标记点，以确保正确连接。
图 4. 电路概要。 系统连接关系的流程图。三个数据通道分别记录：(1) 来自笼内麦克风的未移频信号，(2) 发送至耳机扬声器的移频信号副本，以及 (3) 由耳机麦克风记录的声音波形。Preamp：麦克风前置放大器；LPF：低通滤波器。
图 5. 系统测试。a. 在三个数据通道上记录的声音频谱图。每个数据通道显示三个鸣唱音节。颜色表示在各个时间和声学频率下的功率。 b. 对应于 a 中垂直红线所示时刻的功率谱。注意耳机麦克风频谱（绿色）中的峰值与音高偏移信号（红色）的峰值一致，而非未偏移信号（黑色），表明到达鸟类耳朵的声音主要由偏移后的反馈信号主导。
图 6. 使用耳机系统驱动鸣禽发声学习。 一只成年斑胸草雀在发声误差校正过程中的表现。彩色线条表示在16天干预期（灰色区域）内，使用耳机系统将听觉反馈音高向上偏移一个半音时，七个不同鸣唱音节音高的变化情况。实心黑线表示所有音节平均音高的变化趋势。虚线黑线表示该个体在音高偏移期间所经历的平均音高误差。请注意，鸣唱音高的改变有助于减少所感知到的音高误差。在第17天将音高偏移恢复为零后，鸣唱音高逐渐回归基线水平。第24天时移除耳机，随后在第46天重新佩戴，此时音高已恢复至基线值。
讨论
本文所述的实验方案允许研究者对鸣禽的听觉反馈进行操控。由于耳机结构轻便，此类操控可长期持续进行，鸟类佩戴耳机后仍能持续鸣叫一个月甚至更长时间。尽管部分鸣禽佩戴耳机后仍可持续鸣叫长达10周，但在某些情况下，鸣叫量在使用约5周后开始下降。因此，我们通常将实验时长限制在4周以内。根据我们的经验，每只佩戴耳机的鸣禽每天预计可产生100次以上的鸣叫序列（有时更多）。因此，若操作得当，该耳机系统的成功率接近100%（以成功采集到鸣禽鸣叫数据为成功标准）。此外，在完成一次学习实验后，可将耳机取下，并在后续需要时重新安装以进行进一步的数据采集。只要动物整体健康状况良好，便可随时重新佩戴耳机。
成功的一个重要决定因素是最小化耳机的重量并优化其舒适度。在制作过程中，应尽量减少环氧树脂或牙科丙烯酸树脂的使用量，因为过量的粘合剂会增加装置的整体重量，并可能降低鸟类鸣叫的意愿。此外，在安装耳机数天后，应短暂取下装置，检查耳道周围的皮肤是否因耳塞而受到刺激，这种情况可能在耳塞过紧时发生。耳道的外观应与安装耳机时一致（保持开放，无红肿或肿胀迹象）。如果出现刺激，可通过减小泡沫垫的厚度来缓解压力。需注意确保被固化环氧树脂硬化的泡沫不与鸟类皮肤接触，否则也会引起刺激。
需要注意的是，除了实验者选择的音调偏移外，虚拟听觉反馈还存在延迟（约10毫秒，反映了和声器的处理延迟），并且其振幅大于鸟类自然的听觉反馈（以掩盖鸟类自然鸣唱“泄漏”到耳机中的声音）。因此，实验应首先进行为期数天的基线期，在此期间，鸟类佩戴耳机但音调偏移为零14，以便将音调偏移的影响与耳机范式相关其他因素引起的发声变化分离开来。实际上，当鸟类初次在无音调偏移的情况下佩戴耳机鸣唱时，很少观察到鸣唱音调或振幅的变化。此外，我们已证实，通过耳机传递未偏移的反馈长期暴露并不会引起鸣唱音调的改变14。
我们先前已利用该设计证明，在成年鸣禽中，听觉反馈音高的上升和下降均能引发鸣声音高的适应性变化（即 与反馈偏移符号相反的变化 14在采用此范式开展的任何实验中，同时包含音高的上升和下降变化非常重要，因为这种设计能够证明鸣唱音高是响应听觉反馈音高的改变而发生变化（而非响应耳机引入的延迟或振幅伪迹）。此外，该范式的一个关键优势在于其可用于引入任意的听觉操控。Harmonizer 系统能够生成多种在线干扰，例如通过改变声学信号的振幅或频谱包络。因此，将操控范围扩展至音高偏移之外，可用于研究多种发声学习现象。此外，还可利用耳机传递白噪声或其他条件性强化信号，以驱动对特定音节的学习。16最后，从原理上讲，该范式可应用于任何依赖听觉反馈进行发声行为的小型动物系统。
我们注意到，本技术模拟了用于研究人类言语的听觉反馈操控方法4-7，可在生理上易于接近的动物模型中研究发声可塑性。将发声错误纠正的行为研究与脑损伤、药理学操控或神经记录相结合，可用于揭示特定神经回路如何参与发声表现中错误的纠正过程。
致谢
本工作由 NINDS 5P30NS069250 资助。感谢 Diala Chehayeb、Jeffrey Simpson、Taylor Rosenbaum 和 Christopher Hoover 提供的技术支持。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 六角螺母 | Amazon 供应 | B000FMW43Y | |
| 0-80 螺丝，1/8" | Amazon 供应 | B000FN0JXK | |
| 0.05" 六角扳手 | Amazon 供应 | B003GDISE8 | |
| 耳机扬声器 | Digikey | 423-1113-ND | |
| 耳机麦克风 | Digikey | 423-1062-ND | |
| 和声器 | Sweetwater Sound | H7600 | |
| (Eventide H7600) | |||
| 碳纤维条，1 × 3 mm | Hobby Lobby International | GXS1030 | |
| 碳纤维管，6 mm（外径）× 4 mm（内径） | Hobby Lobby International | GXT6040 | |
| 导线 | Cooner Wire 电缆 | NUF36-2550 | |
| 连接器条形插头 | Digikey | ED83100-ND | |
| 连接器条形插座 | Digikey | ED85100-ND | |
| 泡沫耳塞 | AO SAFETY | 92050 | |
| 1/8" 打孔器 | Paperwishes | 7260197000 | |
| 1/4" 打孔器 | Paperwishes | 7260198000 | |
| 移液器吸头 | VWR | 89003-056 | |
| 牙科丙烯酸树脂 | Maxcem | 33873 | |
| 5 分钟环氧树脂 | Devcon | 14210 | |
| 笼式麦克风 | Countryman | B3P4FF05B | |
| 麦克风前置放大器 | M-audio | DMP3 | |
| 扬声器放大器（Crown D-45） | Sweetwater sound | D-45 | |
| 低通滤波器 | Krohn-hite | FMB3002AC, 3FS8SL-10kg-N1U1 | |
| 换向器 | Dragonfly | SL-88-10 | |
| 鳄鱼夹支架 | GC Electronics | 12-051 | |
| 矿物油 | Sigma | M3516 | |
| Dremel 工具 | Dremel | 8200 |
参考文献
- Shadmehr, R., Smith, M. A., Krakauer, J. W. Error correction, sensory prediction, and adaptation in motor control. Annu. Rev. Neurosci. 33, 89-108 (2010).
- Krakauer, J. W., Pine, Z. M., Ghilardi, M. F., Ghez, C. Learning of visuomotor transformations for vectorial planning of reaching trajectories. J. Neurosci. 20, 8916-8924 (2000).
- Krakauer, J. W., Ghilardi, M. F., Ghez, C. Independent learning of internal models for kinematic and dynamic control of reaching. Nature Neuroscience. 2, 1026-1031 (1999).
- Chen, S. H., Liu, H., Xu, Y., Larson, C. R. Voice F0 responses to pitch-shifted voice feedback during English speech. J. Acoust. Soc. Am. 121, 1157-1163 (2007).
- Houde, J. F., Jordan, M. I. Sensorimotor adaptation in speech production. Science. 279, 1213-1216 (1998).
- Jones, J. A., Munhall, K. G. Perceptual calibration of F0 production: evidence from feedback perturbation. J. Acoust. Soc. Am. 108, 1246-1251 (2000).
- Liu, H., Larson, C. R. Effects of perturbation magnitude and voice F0 level on the pitch-shift reflex. J. Acoust. Soc. Am. 122, 3671-3677 (2007).
- Doupe, A. J., Kuhl, P. K. Birdsong and human speech: common themes and mechanisms. Annu. Rev. Neurosci. 22, 567-631 (1999).
- Mooney, R. Neural mechanisms for learned birdsong. Learn Mem. 16, 655-669 (2009).
- Brainard, M. S., Doupe, A. J. Interruption of a basal ganglia-forebrain circuit prevents plasticity of learned vocalizations. Nature. 404, 762-766 (2000).
- Chi, Z., Margoliash, D. Temporal Precision and Temporal Drift in Brain and Behavior of Zebra Finch Song. Neuron. 32, 899-910 (2001).
- Sober, S. J., Wohlgemuth, M. J., Brainard, M. S. Central contributions to acoustic variation in birdsong. J. Neurosci. 28, 10370-10379 (2008).
- Kao, M. H., Doupe, A. J., Brainard, M. S. Contributions of an avian basal ganglia-forebrain circuit to real-time modulation of song. Nature. 433, 638-643 (2005).
- Sober, S. J., Brainard, M. S. Adult birdsong is actively maintained by error correction. Nat. Neurosci. 12, 927-931 (2009).
- Choe, C. S., Welch, R. B. Variables affecting the intermanual transfer and decay of prism adaptation. J. Exp. Psychol. 102, 1076-1084 (1974).
- Tumer, E. C., Brainard, M. S. Performance variability enables adaptive plasticity of 'crystallized' adult birdsong. Nature. 450, 1240-1244 (2007).
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