虚拟现实帮助解码响尾蛇的听觉欺骗
精神物理学研究揭示了物种间的交流
当响尾蛇感到有人靠得太近时，它们会发出警告。这种像马拉球球一样的声音开始于它们的角状部分在尾巴末端相互碰撞的咔嗒咔嗒声。当一个潜在的捕食者或倒霉的徒步旅行者靠近时，嘎嘎声变得更快，似乎更大。
研究响尾蛇的研究人员认识到这种听觉转移，但其功能仍然是个谜。这让蛇看起来比实际上更近。神经系统科学家鲍里斯Chagnaud当他参观慕尼黑工业大学(TUM)的玻璃容器时，第一次被这种行为所震撼，那里有100条西部菱形响尾蛇，是蝰蛇科的一种毒蛇。
一条西部菱形响尾蛇对接近的刺激做出反应。(视频来源:M. forthofer & T. Kohl)
夏诺通常研究用响尾蛇那样的肌肉发出声音的鱼，他去那里是为了询问动物学家托拜厄斯·科尔(Tobias Kohl)，如何利用响尾蛇的脊髓组织来研究发出声音的神经网络。“当我去动物设施，我意识到当我们接近玻璃容器时，蛇在和我们互动，”夏诺回忆道。“实际上没有人停下来看看，为什么我们会有蛇比实际更近的印象。”
之后，他联系了他在路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学(LMU Munich)的同事，声学心理物理学专家Lutz Wiegrebe，想设计一个实验，展示响尾蛇在做什么，以及它们是如何被感知的。Wiegrebe提出了一个独特的两部分实验，利用虚拟现实(VR)技术和MATLAB®为了更好地理解蛇的警告以及听到蛇叫声的动物的经历。
夏诺现在是奥地利格拉茨大学的神经科学教授，他说:“你会注意到声音模式的变化，但在我们开始记录和分析它之前，我们不清楚那是什么。”慕尼黑大学神经生物学家Michael Forsthofer和Michael Schutte，以及慕尼黑工业大学动物学家Kohl和Harald Luksch加入了该研究项目。他们一起对响尾蛇和人类参与者进行了单独的心理物理实验。
当研究人员看到这些数据时，他们感到很惊讶。这些蛇突然改变了它们发出嘎嘎声的频率，而不是声音的振幅，从而改变了其他动物的行为。人类的反应是错误判断距离，认为蛇比实际距离更近。这种复杂程度的听觉欺骗并没有达到科学家们的预期。他们在杂志上发表了他们的发现当代生物学，为物种间的交流提供了新的视角。
虚拟现实的响尾蛇
响尾蛇避免让人知道它们的存在，更喜欢隐藏起来。Chagnaud说:“当你离蛇还有100米远的时候，蛇不会告诉你它在哪里。”他引用了一些报告，说有人走在蛇旁边却没有意识到这一点，因为伪装得很好的蛇估计人类会一直往前走。但如果蛇察觉到一个近距离的威胁动作，它就会发出嘎嘎声。
过去关于响尾蛇反应的科学文献比比皆是。当福索弗深入研究这些研究时，他注意到高度受控的刺激基本上是不存在的。
蛇越大，尾巴上的部分越多，声音就越大。使用“信号处理工具箱”，Wiegrebe处理了隐约出现的实验中的咔嗒咔嗒的声音，把注意力集中在大的尾巴弹动上。
他说:“研究人员穿上锁子甲打底裤，步行接近蛇，观察它们何时会逃跑、攻击或发出嘎嘎声。”“有人戴上金属手套，轻拍蛇的鼻子，看看会发生什么。”他遇到的一个实验是把一条蛇放在一个盒子里，然后迅速打开盒子，让它发出嘎嘎声。
福索弗和他的同事们采取了一种更加自然的方法。在实验开始之前，他们确保从玻璃容器中取出的25条西部菱形响尾蛇都有时间在陶罐庇护下冷静下来并适应环境。在整个实验过程中，研究小组还将蛇彼此隔离，并在每次实验结束后让它们休息。
当投影在屏幕上的圆盘接近时，一条西部菱形响尾蛇做出反应。(视频来源:M. forthofer & T. Kohl)
最初，该团队利用一个人形躯干作为隐现的刺激，就像响尾蛇在玻璃容器中看到的一样，用绳子将它移动到一个高架平台上静止的蛇。尽管刺激引起了熟悉的咔嗒声，但它并没有像研究人员希望的那样受控制，特别是因为躯干运动产生了噪音，影响了后续的声学分析。
在第二个实验中，研究小组将一个黑圆盘投射到一个以恒定速度增长的白色屏幕上，以模拟一个正在逼近的威胁。一旦磁盘达到最大尺寸，刺激在屏幕上停留5秒钟，然后以镜像的方式“撤退”。Wiegrebe领导了这项研究的所有编程，Schutte与他共同编写了定制脚本心理物理学的工具箱，一个MATLAB社区世界杯预选赛小组名单工具箱，生成若隐若现的视觉刺激。
Chagnaud说:“这种刺激的优点是人们已经在许多不同的动物身上使用过，包括人类。”“一个人走得越近，你就越会觉得这个人块头更大，这是因为我们视觉系统的组织方式。”
在平台上方放置一个摄像机和两个红外射灯，科学家们可以监控每条响尾蛇，包括它的头部相对于屏幕的方向，因此他们只计算屏幕在蛇视线内的时间。一个静电麦克风记录下了声音。
利用MATLAB, forthofer输入信息，如蛇的名字，期望的刺激模式，和试验编号。然后该软件将运行并记录刺激轨迹、蛇的反应，并为团队制作实验视频。这个功能非常有用，因为他们无法真正让蛇安静地坐着。这种自动化还能严格控制心理物理实验，特别是在传递刺激时，以避免引入人为偏见。
尽管福索弗读到的一些过去的实验涉及记录咔嗒咔嗒声和分析音频的频谱成分，但该团队关注的是蛇会发出多大的声音。如果科学家之前研究频率，他们主要关注的是声音的所有光谱成分，而不是摇尾巴本身的频率，他们还测试了对控制刺激的依赖性。
(A)由若隐若现的刺激触发的咔嗒声事件的记录的光谱图(蓝色痕迹和黑色圆圈，底部)。B) (A)所示的咔嗒声调制谱图及咔嗒声调制频率(黑线，右轴)与若隐若现轮廓(蓝线，左轴)的关系。(图片来源:M. Forsthofer, M. Schutte, H. Luksch, T. Kohl, L. Wiegrebe, B. Chagnaud;发表在当代生物学）
响尾蛇的主要声音来自尾巴部分以10000 - 15000赫兹的频率相互撞击，而不是单个尾巴的轻弹。整体音量与响尾鼓的大小有关，因此也与蛇的大小有关。蛇越大，尾巴上的部分越多，声音就越大。使用信号处理工具箱™，Wiegrebe处理隐约出现的实验中的咔啦咔啦的音频，以锁定大的尾巴弹动。
福索弗说:“我们发现，在音量上没有太大的差异，但在频率上，有非常强烈的影响。”“这在我们成功测试的所有蛇身上都很明显。”
就像基于传感器的汽车警报一样，驾驶员越接近另一辆车或物体，哔哔声就越快，西部菱形响尾蛇的开始是产生线性频率增加。但声音频率突然从40赫兹以下跃升到60-100赫兹的范围。这种跳跃真的让动物后退了吗?科学家们试图在不让任何人接触愤怒的毒蛇的情况下回答这个问题。
草中的假蛇
就像不同的人背诵戏剧中的同一句台词一样，实验中的西部菱形斑纹响尾蛇以各种方式产生频率转移。有些人发出的声音更响亮，有些人发出的声音更柔和，有些人跳起来的频率比其他人低。
从这种不和谐的声音中，科学家们需要一个可靠的、标准化的刺激来进行研究的第二部分，即研究动物对嘎嘎声的感知。Wiegrebe和Schutte收集了响尾蛇的各种声音，并使用它生成了一种合成声音，保留了团队发现的关键频率剖面。这声音非常逼真。
“我们在频率变化的情况下展示了咔嗒咔嗒的声音。我们发现，每当频率发生变化时，许多人都认为自己离虚拟蛇足够近，可以按下按钮。”
Michael forthofer，神经生物学家，慕尼黑大学
福索弗说:“此前有其他研究使用激光屏障测量蛇摆动尾巴的频率，这些数字与我们得出的结果相当，这就是为什么我们认为提取摆动频率的方法是有效的。”
早些时候，团队成员考虑在慕尼黑动物园的水牛身上测试合成的咔嗒声，但很快决定让人类参与者更容易。Wiegrebe设计了一个实验，志愿者坐在椅子上，戴着头戴式VR显示器，房间里的扬声器垂直和水平排列。VR头戴设备显示的是草地景观。
参与研究的11名男性和女性参与者只知道他们会听到一个声音，而不知道这个声音是什么。这样做的目的不是让他们产生偏见。他们接受指示，判断声音的距离，当他们认为声源在1米(3.3英尺)外时，就按下操纵杆上的按钮。
在多个位置放置一系列扬声器，使得神经科学家能够以真实的姿势播放合成的咔嗒声。Chagnaud说:“计算声音时考虑到了垂直高度。”“我们这样做是因为人们使用海拔线索来知道物体的位置。”每次试验都是随机开始的，在自动“接近”被试者之前，虚拟蛇在六个距离中的一个处开始发出嘎嘎声。与此同时，软件精确地知道人体主体与虚拟蛇的关系。
响尾蛇发出的嘎嘎声通过频率的跳跃传递信息和距离——改变距离信息。(图片来源:M. Forsthofer, M. Schutte, H. Luksch, T. Kohl, L. Wiegrebe, B. Chagnaud;发表在当代生物学）
福索弗说:“我们向它们展示了有或没有频率变化的咔嗒声。”试验的心理声学数据显示，人类一听到开关，就低估了他们与虚拟蛇的距离。“我们发现，每当频率发生变化时，许多人都认为自己离虚拟蛇足够近，可以按下按钮。”
神经科学家们阐明这种听觉错觉的工作在世界范围内产生了影响，甚至还登上了德国的一个智力竞赛节目。夏格诺认为头脑敏锐的Wiegrebe对VR实验有远见。他说:“这比我在精神物理学环境中所能得到的要复杂得多。”
夏格诺说，频率跳变之所以有效，是因为哺乳动物的听觉系统是通用的，但他补充说，我们仍然不知道蛇的意图。他想知道除了西部响尾蛇之外，其他响尾蛇是否也有同样的行为。
人类方面也存在一些悬而未决的问题，包括对咔哒咔哒声的反应是一种惊吓反应，还是大脑中告知距离感知的听觉处理。夏诺德与另一位专攻功能磁共振成像(fMRI)的神经科学家取得了联系。“我想知道当我们听到这个把戏时，我们的大脑到底发生了什么，”他说。“我希望说服我的同事对此进行测试，但这是一个艰巨的挑战，因为你必须知道在哪里搜索。”
本研究项目中使用的MATLAB代码可从File Exchange获取:响尾蛇声和人类精神物理学
- analysisLiveScript.mlx在实例上，TAB再现了论文中描述的分析工作流
- rattle_single_file_analysis.mlx在示例中，TAB分析响度和频率的声音数据
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