Summary
Мы описываем проектирование и монтаж миниатюрные наушники подходят для замены природного слуховой обратной связи певчая птица с манипулировать звуковой сигнал. Интернет аппаратной обработки звука используется для манипулирования песни продукции, внедрению в режиме реального времени ошибки в слуховой обратной связи через наушники, и вести вокальное обучение двигателя.
Protocol
Реализация наушники Система состоит из четырех основных этапов. Раздел 1 ниже данные сборки наушников кадр, в котором находится электроники (динамиков и миниатюрный микрофон). Раздел 2 описывает, как рама крепится к птице. Раздел 3 описывает сборку электроники. Раздел 4 объясняет, как электроника подключен к звуковой обработки и сбора данных аппаратного и подробности процедуры тестирования, что система работает правильно.
1. Изготовление наушников кадров
- Вырезать компонентов из углеродного волокна для перекладины и наушники. С помощью режущего колеса на Dremel инструмент для получения следующих частей:
1 перекладине (3 см 1 х 3 мм полосу из углеродного волокна)
2 вертикальные стойки (1,5 см 1 х 3 мм полосу из углеродного волокна)
2 наушники (4 мм 4 ID мм / 6 мм из углеродного волокна цилиндр) - Соберите перекладину. Просверлите два маленьких отверстия 4,5 мм друг от друга в центре перекладины (
- Изготовление пены кольца. Используйте 1/4 дюйма (6,35 мм) дырокол, чтобы сократить пены цилиндра с пеной наушник. Используйте ножницы, чтобы вырезать перпендикулярно длинной оси цилиндра пены уступая 2 мм (длина) на 6,35 мм (диаметр) цилиндра. Затем с помощью 1/8 дюйма (3,175 мм), дырокол, чтобы вырезать в центре 2 цилиндра пены мм, образуя пену кольце (показано оранжевым цветом на рисунке 1b).
- Соберите наушники. Используйте эпоксидный клей вертикальные стойки (1,5 см длины волокна углерода полосы) на 4 мм длины волокна углерода цилиндр, как показано на рисунке 1b, внизу. Когда эпоксидная затвердеет, используйте небольшое количество эпоксидного клея, чтобы пена кольцо на конце цилиндра (рис. 1b, внизу). Пена кольцо будет упираться головой птицы.
2. Подключения наушников кадров для птиц
- Подготовка stereotax. До операции, вставьте stereotax earbars через наушники с губки обращена внутрь (рис. 1с
- Установите перекладину. Anesthetize птицы использованием изофлурана и / или кетамин и мидазолама. Анестезии птица должна быть закрытыми глазами и не реагирует на ноги шнура. Поместите птицу в stereotax и сделать 5-10 мм разрез в коже головы. Разрез должен быть вдоль средней линии и расширить переднюю от точки 2 мм, передняя вложения мышц шеи в задней части черепа. Натрите подвергается череп с 70% этанола, чтобы высушить поверхности кости. Используйте держатель крокодил разместить перекладину так, что покрытый эпоксидной шестигранные гайки отдых на верхней части черепа (рис. 1в, г). Поднимите перекладину немного клея и шестигранные гайки (с эпоксидной или зубной акрил) к черепу, будьте осторожны, что клей касается только шестигранные гайки, а не в перекладину себе. Это позволит вам снять наушники (путем удаления винтов), оставив только шестигранные гайки, прочно прикрепленной к голове (рис. 1г).
- Прикрепить наушники. Презентация наушники Алонг ухо бара, пока губки упираются в голову птицы (рис. 1в, вверху). Используйте крокодил на ухо баров нажать коврики категорически против голову птицы (рис. 1в, внизу), это важно для получения хорошего уплотнения акустики. Поверните наушники, так что вертикальные стойки прикасаться к задней перекладине, оставляя место для разъема полосы (рис. 2) в передней части поста. Клей сообщений в перекладину использованием эпоксидных или акрила.
- Recovery. Разрешить 24 часов для эпоксидных / акрил, чтобы полностью вылечить и птицу, чтобы восстановиться. После восстановления, изучения кадров, чтобы убедиться, колодки пена образует уплотнение вокруг ушных каналов. Если уплотнения сыпучих, коврики могут быть удалены и заменены более крупными, чтобы улучшить акустические уплотнения. Аккуратно удалите винты с помощью 0,05 в (1,27 мм) шестигранный ключ и удалить собранные наушники кадр из птицы.
3. Сборка электроники
- Изготовление спикер адаптеров. Сделать спикер адаптерыпутем введения пипетки наконечник (на 5,2 см в длину наконечника с диаметром, который сужается от 5 мм до 1 мм) в кусочке углеродного волокна цилиндрами (использовать те же 4 мм ID / 6 мм cyinder акции, как для наушников, длина цилиндра лома не важно), а затем вырезать кончиком пипетки 1 мм в конце прошлого цилиндра (рис. 2а). Удалить из цилиндра и сократить таким образом, чтобы общая длина адаптера составляет 3 мм.
- Подключите громкоговорители. Припой 5 см длины изолированного 36 га. провода к положительной и отрицательной клеммам обоих динамиков (зеленый и черный провода, соответственно, на рис 2d, е). С помощью омметра убедитесь, что ни один терминал находится в электрическом контакте с металлическим корпусом динамика.
- Соберите динамик / микрофон компонента. Эпоксидная полоску ленты (любые электроизоляционные ленты будет работать) в одну сторону одного из ораторов и эпоксидной наушников микрофон в верхней части ленты (рис. 2б). Припой заземляющий провод от микрофона к отрицательным тerminal на динамик (соединение черного цвета на рисунке 2e).
- Эпоксидная как динамика и динамик / микрофон компонента в широком конце каждого адаптера (рис. 2, справа). Оба динамика и микрофона порт (только) поместиться внутри пипетки. Будьте уверены, что эпоксидная не распространяется на любой порт.
- Аккуратно вставьте адаптер в наушниках (Рис. 2d, справа). Клей каждого адаптера к своей вкладыши с небольшой каплей эпоксидной смолы.
- Изготовление разъем полосы. Вырезать сегмент розеток разъем, состоящий из четырех терминалов и разместить ссылку знак (белая точка на рисунке 2, г) на одном углу гнезда. Установите разъем полосе рядом с одним из вертикальных стоек. Припой динамик и микрофон провода к контактам в конфигурации, показанной на рис 2e. С помощью омметра проверить на короткое замыкание на разъеме полосы и ремонт в случае необходимости. Эпоксидная разъем полосы F наушникиРаме. Оберните полосы электрического или скотчем вокруг оголенных проводов для защиты проводов и добавьте тонкий слой эпоксидной над лентой концы, чтобы предотвратить разгадке. Готовую массу наушников (в том числе рамы и электроники) должно быть 1.3-1.5 г.
- Построить гибким проводом с помощью пайки четыре 15 см длины изолированного 36 га. провода к сегменту разъем полосе заголовок, состоящий из четырех терминалов (рис. 3а). Поместить ссылку знак (белая точка на рисунке 3) на одном углу заголовка для того, чтобы свинца вставляется в гнездо в правильной ориентации. Оплетки проводов и отделка под руководством пайки проводов адаптера, который подключается к коммутатор (рис. 3б).
4. Подключите наушники к власти электроники и оборудования обработки сигналов
- Сбор, фильтровать, Pitch Shift и усиливают акустический вход. Повесьте всенаправленный микрофон конденсатора ("Клетка микрофона," Рисунок 4) непосредственноБове клетке птицы. Preamplify и фильтр низких частот этого сигнала (отсечка при 10 кГц для зяблик песню) и ввода его в Гармонизатор (или другого реального времени обработки звука оборудования). Используйте модуль высоты тона на Гармонизатор для создания сдвинуты звуковой сигнал. Усилить этот сигнал и направлять его (через коммутатор и гибкий провод) к положительному канала на динамик наушников (зеленый на рисунке 2e).
- Подача питания на микрофон телефона. Прикрепить 9В батареи к стене звукосниматель птицы. Подключите положительный вывод батареи к V + канал (красный на рисунке 2e) через коммутатор и гибкий провод, соединяющий отрицательный вывод аккумулятора к общей земле на оборудование для обработки сигнала. Подключите общий язык с динамиком и микрофоном телефонов землю (черный на рисунке 2e).
- Калибровка коэффициента усиления обратной связи. Прикрепить готовой наушники к шестигранные гайки на голову птицы с использованием 0-80 винтов. Когда птица начинает петь, гecord трех каналов данных (клетки микрофонных / несмещенной сигнал, сдвинутый сигнал, и телефон микрофон), как показано на рисунке 4. Изучите звук, записанный с микрофона телефона. Этот канал будет записывать наложение виртуальной обратной связи (играл через динамики наушников) и фактические песни птичьи "утечки" прямо в кадре наушники. Отрегулируйте амплитуду настройка динамиков усилителя (рис. 4), так что виртуальная слуховой обратной связи составляет 15-20 дБ громче, чем прямое / утечка сигнала. Обратите внимание, что увеличение амплитуды, превышающие этот порог может привести к виртуальным кровотечение сигнала через наушники и их подобрали микрофон клетку, в результате обратной связи искажений. Примером хорошо калиброванных системы (в которой сигнал, записанный на микрофон наушники доминируют со смещенным питчем сигнала, а не прямой / утечка сигнала) показан на рисунке 5. Здесь сигнал, записанный через наушники микрофон (рис. 5а , Справа) доминируют со смещенным питчем сигнала (а не природные вокализации птиц), как показано на примере спектра мощности на рисунке 5б.
- Мониторинг производительности системы. Проверьте наушники два раза в день, чтобы убедиться, что обе колонки и микрофон функционирует должным образом. Обратите внимание, что наушники микрофон контролирует только одну из динамиков. Для проверки других динамиков, нажмите на клетку микрофон, держа Неконтролируемая динамик рядом с ухом - вы услышите звук щелчка, если Неконтролируемая динамик работает. Другой рекомендуется проверка отключить источник питания и выходной сигнал от микрофона и телефона с помощью омметра измерить сопротивление между динамиками (черный и зеленый на рисунке 2e). Когда обе колонки подключены, это будет половина сопротивление на один динамик, так как динамики подключены параллельно.
5. Обратите внимание на стоимость материалов
NT "> С двумя исключениями, все пункты, перечисленные в таблице материалы относительно недороги (менее нескольких сотен долларов США). наиболее дорогостоящих компонентов коммутатора и Гармонизатор, перечисленных в таблице, каждый из которых стоимостью 2000 долларов США или больше. Отметим, что менее дорогих версиях оба элемента могут быть получены от разных производителей, чем те, что перечислены (хотя мы их не тестировали) и, возможно, позволит исследователям выполнять этот протокол при меньших затратах.Representative Results
На рисунке 6 показан представитель эксперименте на взрослых бенгальских зябликов. Здесь, в наушниках система была использована для увеличения высоты слуховой обратной связи на один полутон (одна двенадцатая октавы, представляющих около 6% изменения в абсолютных частот) в течение 16 дней. Эта манипуляция привела к постепенному уменьшению высоты все песни слогов (цветные линии). Это изменение в вокальной программой двигателя привело к сокращению в слуховой ошибки испытывает птица (пунктирная линия), демонстрируя зависимость птицы на слуховой обратной связи для исправления очевидной вокальных ошибок. Когда Pitch Shift была удалена после 16-й день, шаг песню в конечном итоге возвращаются к исходным.
Данные, приведенные на рисунке 6 являются типичными в том, что они отражают неполную адаптацию. Здесь, хотя шаг слуховой обратной связи был перенесен на 1,0 полутонов, птицы изменили высоту его песни только около 0,4 семitones. Через видов и систем, неполной адаптации является нормой, когда виртуальная обратная связь используется для возмущать одной сенсорной модальности 5,15, а в нынешней парадигмы, вероятно, отражает частичную зависимость от nonauditory (например, проприоцептивные) сигналы, как певчих птиц оценить свои текущие вокального исполнения.
Рисунок 1. Наушники кадров сборки. . Матрица сборки. Прикрепите винтами, перекладины, гайки, иглы и шприца (красный) с помощью эпоксидного клея (синий), как показано на рисунке. Обмотайте конец каждого винта с минеральным маслом (зеленый), чтобы предотвратить эпоксидных от связывания с винтами. Б. Earbud сборки. Прикрепить сообщение, цилиндр, и пусковая площадка пены (оранжевый) с эпоксидной смолой. Ул. Место кадров наушники. До операции, резьба stereotax earbars (черный) через наушники. Установите перекладину черепа использованием эпоксидных или зубной акриловый (синий), затем прикрепить наушники к перекладине использованием крокодил аккуратно нажмите коврики с головой птицы. г. слева, вид сбоку, иллюстрирующий расположение перекладину и наушниками на голове птицы. Да, вид сбоку шестигранные гайки сборки прикреплен к черепу после кадра, наушники были удалены путем отсоединения винтов. Шкала бар в б относится ко всем панелям.
Рисунок 2. Электроника сборки. . Сделать адаптер, вставив кончик пипетки в кусочке углеродного волокна и цилиндр режущей пипеткой в длину. б. Использование эпоксидной смолы, клея, один динамик и наушники, микрофон вместе, разделенные кусок ленты. С. Клей адаптер на динамик (на фото) и динамик / микрофон телефона компонента. Г. Паяльные провода от динамиков и наушников микрофон к разъему с полосойocket и клеем гнезда в верхней части рамы наушники. Белые точки, выравнивание метки на разъем полосы. Е. Схема показывает связь между колонки, наушники микрофон и гнездо.
Рисунок 3. Ведущий собрания. . Изготовьте гибким проводом с помощью пайки четыре 15 см длины провода к контактам на одной стороне заголовка разъем полосы и кос провода вместе. Припой другой конец проводов для подключения к адаптеру коммутатор. Белые точки, выравнивание знак в заголовке полосы разъем. Б. Подключите провод в разъем розеток на наушники для выполнения измененного слуховой обратной связи на наушники динамик, усилитель наушников микрофон и записывать сигналы от микрофона наушников. Выровнять точки на разъем заголовок полосы и гнездо для обеспечения правильного подключения.
Рисунок 4. Цепь резюме. Блок-схема обобщения системы связи. Три каналов передачи данных записи (1) несмещенной сигнала от клетки микрофон, (2) Копия со смещенным питчем сигнала, посылаемого на наушники, колонки, и (3) звуковой сигнал записан микрофоном наушники. Предусилитель, микрофонный предусилитель, LPF, фильтр низких частот.
Рисунок 5. Тестирование системы. . Спектрограммы звук, записанный на трех каналов передачи данных. Каждый канал данных показывает, трех слогов песни. Цвет представляет власть в каждый момент времени и акустической частоты. Б. Спектр мощности в срок, указанный в вертикальной красной линии. Обратите внимание, что пики в спектре наушников микрофон (зеленый) соответствуют пики в гоэлектронной со смещенным питчем (красный), а не несмещенной (черный) сигнал, указывающий, что звук достиг уха птиц доминируют смещается обратной связи.
Рисунок 6. Использование наушников система для управления вокальными обучения. Вокальный исправление ошибок в взрослым бенгальских зябликов. Цветные линии показывают изменения в высоту семи слогов песню во время 16-дневного периода (серый прямоугольник), в котором наушников система используется для сдвига высоты вверх слуховой обратной связи на один полутон. Сплошной черной линией, означают изменения высоты тона для всех песней слогов. Пунктирная черная линия показывает среднее погрешность шага переживается субъектом в течение смены эпох. Обратите внимание, что изменение в песне шаг служит для уменьшения ошибки опытного поля. После смещения высоты был установлен в ноль на 17 день базовых шага подходов. На 24-й день наушники были сняты, иЗатем заменили на 46 день, в это время шага оправился обратно в исходное значение.
Discussion
Протокол, представленные здесь позволяет экспериментатору манипулировать слуховой обратной связи в пении птиц. Легкая конструкция позволяет такие манипуляции, чтобы быть устойчивым в течение длительного времени, и птицы будут петь в изобилии, а носить наушники в течение месяца или больше. Хотя некоторые певчие птицы будут петь в течение 10 недель в наушниках, в некоторых случаях сумма пение начинает снижаться после ~ 5 недель использования. По этой причине, мы обычно ограничивают экспериментов до 4 недель. По нашему опыту, каждый певчих птиц оснащены наушниками можно ожидать, петь песни 100 + боев в день (а иногда и многое другое). Поэтому, если правильно использовать, наушники система обеспечивает почти 100% успеха скорости (если успех определяется сбора данных от пения птиц). Кроме того, после завершения одного эксперимента обучение в наушниках может быть удалена, а затем вернули обратно для дальнейшего сбора данных. При условии, что животное находится в хорошем общем состоянии здоровья Reatta chment может иметь место в любое время.
Одним важным фактором, определяющим успех минимизации веса и оптимизации комфорта наушники. Во время строительства, следует позаботиться, чтобы свести к минимуму количество эпоксидного или акрилового стоматологических использовать в качестве излишки клея приведет к увеличению общего веса аппарата и потенциально снизить готовность птичьи петь. Кроме того, через несколько дней после подключения наушников, устройство должно быть кратко удалены, чтобы убедиться, что кожа вокруг ушных каналов не стал раздражать наушники, которые могут возникнуть, если наушники слишком туго. Ушных каналов должно появиться как это было во времена наушники вложений (открытые и без признаков покраснения или отеки). Если раздражение не проходит, давление может быть смягчена путем уменьшения толщины губки. Следите за тем, что пена закаленные сушеные эпоксидной не контактирует кожа птицы, так как это также может вызвать раздражение.
т "> Важно отметить, что в дополнение к Pitch Shift выбраны экспериментатором, виртуальный слуховой обратной связи также задержкой (на ~ 10 мс, отражающие обработку задержки Гармонизатор) и вводится в большей амплитудой, чем птичий естественный слуховой обратной связи (для того, чтобы заглушить звук естественный песни птичьи "утечки" в наушниках). По этой причине эксперименты должны начаться с базовым периодом в несколько дней, в котором птица поет в наушниках, но с нулевым Pitch Shift 14, позволяющий эффект Pitch Shift должны быть изолированы от вокальных изменений, связанных с другими факторами, связанными с парадигмой наушников. На практике изменения в кромешной песни или амплитуда редко наблюдается при птицы впервые начинают петь с наушниками в отсутствие из сдвиг. Кроме того, мы показали, что длительное воздействие несмещенной обратной связи доставляются через наушники не вызывают изменений в песне шагом 14. Содержание "> Ранее мы уже использовали эту конструкцию, чтобы продемонстрировать, что у взрослых певчих птиц, как вверх, так и вниз сдвиги в высоту слуховой обратной создания адаптивных изменений в вокальном шага (т.е. изменения противоположных по знаку сдвига с обратной связью) 14. том числе как вверх, так и вниз сдвиги в любом эксперименте использовании этой парадигмы является важным, поскольку такая конструкция может продемонстрировать, что изменения песню шаг в ответ на изменения в кромешной слуховой обратной связи (а не в ответ на задержку или амплитуда артефактов введен в наушниках). Кроме того, Основное преимущество этой парадигмы в том, что она может быть использована для введения произвольных манипуляций аудитории. система Гармонизатор может генерировать широкий спектр онлайн возмущения, например, изменение амплитуды или спектральной огибающей звукового сигнала. Расширение спектра манипуляций за шагом сдвигов поэтому может быть использован для изучения различных вокальных обучения явления. Кроме того, HEAdphones могут быть использованы для доставки белым шумом или другими условными сигналами укрепление водить обучение в отдельные слоги 16. Наконец, эта парадигма в принципе может быть использован в любом небольшом система животное, которое опирается на слуховой обратной связи во время вокального поведения.Отметим, что наша техника, которая имитирует слуховой обратной связи манипуляций используется для изучения человеческой речи, 4-7, позволяет вокальной пластики должны быть исследованы в физиологически доступной модели на животных. Сочетание поведенческих исследований вокальной коррекции ошибок с поражения головного мозга, фармакологической манипуляции, или нейронные записи могут быть использованы, чтобы показать, как конкретные нейронные цепи вклад в исправление ошибок в вокальном исполнении.
Disclosures
Нет конфликта интересов объявлены.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана NINDS 5P30NS069250. Мы благодарим Диала Chehayeb, Джеффри Симпсон, Тейлор Розенбаум, Кристофер Hoover для технической помощи.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Hex nuts | Amazon supply | B000FMW43Y | |
| 0-80 Screws, 1/8" | Amazon supply | B000FN0JXK | |
| 0.05" Hex wrench | Amazon supply | B003GDISE8 | |
| Headphones speakers | Digikey | 423-1113-ND | |
| Headphones microphone | Digikey | 423-1062-ND | |
| Harmonizer | Sweetwater Sound | H7600 | |
| (Eventide H7600) | |||
| Carbon fiber strip, 1 x 3 mm | Hobby Lobby International | GXS1030 | |
| Carbon fiber cylinder, 6 mm (OD) x 4 mm (ID) | Hobby Lobby International | GXT6040 | |
| Wire | Cooner Wire Cable | NUF36-2550 | |
| Connector strip header | Digikey | ED83100-ND | |
| Connector strip socket | Digikey | ED85100-ND | |
| Foam earplugs | AO SAFETY | 92050 | |
| 1/8" hole punch | Paperwishes | 7260197000 | |
| 1/4" hole punch | Paperwishes | 7260198000 | |
| Pipet tips | VWR | 89003-056 | |
| Dental acrylic | Maxcem | 33873 | |
| 5-minute epoxy | Devcon | 14210 | |
| Cage microphone | Countryman | B3P4FF05B | |
| Microphone preamp | M-audio | DMP3 | |
| Speaker amplifier (Crown D-45) | Sweetwater sound | D-45 | |
| Low-pass filter | Krohn-hite | FMB3002AC, 3FS8SL-10kg-N1U1 | |
| Commutator | Dragonfly | SL-88-10 | |
| Alligator clip holder | GC Electronics | 12-051 | |
| Mineral oil | Sigma | M3516 | |
| Dremel tool | Dremel | 8200 |
References
- 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).
