虚拟现实帮助解码响尾蛇的听觉骗术
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。这种像马拉卡球一样的声音开始于它们的角状部分在尾部碰撞时发出的咔咔咔的声音。当一个潜在的捕食者或不幸的徒步旅行者靠近时，嘎嘎声变得更快，似乎更大。
在响尾蛇领域工作的研究人员认识到这种听觉转变，但其功能仍然是谜。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)的玻璃水族箱时，第一次被这种行为所震惊，那里养着100条西方菱形响尾蛇，这是蝰蛇科的毒蛇。
一条西部菱形响尾蛇对接近的刺激做出反应。(视频来源:M. Forsthofer & T. Kohl)
Chagnaud通常研究使用响尾蛇肌肉发出声音的鱼类，他在那里向动物学家Tobias Kohl询问使用响尾蛇脊髓组织来研究产生响尾蛇声音的神经元网络。查诺回忆说:“当我去动物设施时，我意识到当我们接近玻璃箱时，蛇正在和我们互动。”“实际上没有人停下来看看为什么我们会觉得蛇离我们更近。”
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，希望设计一个实验来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，利用虚拟现实技术和MATLAB®为了更好地理解蛇的警告以及听到它们嘎嘎作响的动物的经历。
“你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，”现在是奥地利格拉茨大学神经科学教授的Chagnaud说。慕尼黑大学神经生物学家Michael Forsthofer和Michael Schutte，以及慕尼黑大学动物学家Kohl和Harald Luksch加入了该研究项目。他们一起在响尾蛇和人类参与者身上分别进行了心理物理实验。
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，以改变其他动物的行为。人类的反应是错误地判断距离，认为蛇比实际更近。这种复杂程度的听觉欺骗并不是科学家们所预料的。他们在杂志上发表了他们的发现当代生物学，为物种间交流提供了新的思路。
《响尾蛇》的VR
响尾蛇避免让人知道它们的存在，更喜欢隐藏起来。沙格诺说:“当你离蛇还有100米远的时候，蛇不想告诉你它在哪里。”他引用了一些报道，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计算出人类会继续移动。但如果蛇感觉到一个接近的、有威胁的运动，嘎嘎声就会起作用。
过去关于响尾蛇反应的科学文献很多。当Forsthofer深入研究这些研究时，他注意到高度控制的刺激基本上是不存在的。
蛇越大，尾巴上的片段越多，声音就越大。使用信号处理工具箱，Wiegrebe处理了来自若隐若现实验的咔嗒声，以对准大尾巴的轻弹。
他说:“研究人员穿上锁子甲，步行接近蛇，观察它们什么时候会逃跑、攻击或嘎嘎作响。”“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。
Forsthofer和他的同事采取了更加自然主义的方法。在实验开始之前，他们确保从玻璃箱带来的25条西部菱形响尾蛇都有时间冷静下来，并在陶罐遮蔽下适应环境。在整个实验过程中，研究小组还将蛇彼此隔离，并在每次实验后让它们休息。
当屏幕上投影的圆盘接近时，一条西部菱形响尾蛇做出了反应。(视频来源:M. Forsthofer & T. Kohl)
最初，研究小组利用一个人形躯干作为隐约可见的刺激，类似于响尾蛇在玻璃容器中看到的刺激，用绳子将它移向高架平台上静止的蛇。尽管刺激引起了熟悉的嘎嘎声，但它并不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，影响了随后的声学分析。
在第二个实验中，研究小组将一个黑色圆盘投影在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工作，他和合著者舒特一起编写了自定义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，来生成若隐若现的视觉刺激。
Chagnaud说:“这种刺激的好处是，人们已经在包括人类在内的许多不同的动物身上使用过它。”“这个人越靠近你，你就越觉得这个人更大，这是我们视觉系统组织的方式造成的。”
在平台上方放置一个摄像机和两个红外射灯，科学家们可以监测每条响尾蛇，包括它的头部相对于屏幕的方向，这样他们就可以只计算屏幕在蛇视线内的时间。静电麦克风录下了这个声音。
利用MATLAB, Forsthofer输入信息，如蛇的名字，期望的刺激范例，和试验编号。然后，该软件将运行并记录刺激轨迹、蛇的反应，并为团队录制实验视频。这种功能非常有用，因为他们无法真正告诉蛇坐着不动。这种自动化也可以严格控制心理物理实验，特别是在提供刺激时，以避免引入人为偏差。
尽管Forsthofer读过的一些过去的实验涉及记录咔嗒声和分析频谱成分的音频，但该团队专注于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频谱成分，而不是摇尾巴本身的频率，他们还测试了对受控刺激的依赖程度。
(A)由若隐若现的刺激触发的咔嗒声事件记录的频谱图(底部的蓝色痕迹和黑色圆圈)。B) (A)中所示的颤振调制谱图及颤振调制频率(右轴黑线)与若隐若现轮廓(左轴蓝线)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到15000赫兹的频率相互碰撞，而不是单个尾巴的轻弹。整体音量与拨浪鼓的大小有关，因此，蛇的大小。蛇越大，尾巴上的片段越多，声音就越大。使用信号处理工具箱™，Wiegrebe处理了来自若隐若现实验的咔嗒声，以对准大尾弹。
Forsthofer说:“我们发现在响度上没有太大的差异，但在频率上却有很强的影响。”“我们成功测试的所有蛇都很明显。”
就像基于传感器的汽车警报一样，司机越接近另一辆车或物体，铃声就会越响，西部菱形响尾蛇也会产生线性频率增加。但声音频率突然从40赫兹以下跃升到60-100赫兹范围。这种跳跃真的会让动物退缩吗?科学家们在没有让任何人接触愤怒的毒蛇的情况下开始回答这个问题。
草丛中的假蛇
就像不同的人背诵戏剧中的同一句台词一样，实验中的西部菱形响尾蛇以不同的方式产生频移。一些动物发出更响亮的嘎嘎声，一些动物发出更柔和的嘎嘎声，还有一些动物的跳跃频率比其他动物低。
从这种不和谐的声音中，科学家们需要一种可靠的、标准化的刺激来进行他们研究的第二部分，即研究动物对嘎嘎声的感知。Wiegrebe和Schutte提取了响尾蛇的各种声音，并用它来生成一种合成声音，这种声音保留了团队发现的关键频率特征。声音逼真得令人难以置信。
“我们在有和没有频率变化的情况下呈现了嘎嘎作响的声音。我们发现，每当频率发生变化时，许多人认为他们离虚拟蛇足够近，可以按下按钮。”
Michael Forsthofer，神经生物学家，慕尼黑大学
福斯托弗说:“还有其他研究用激光屏障测量蛇摇尾的频率，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摇尾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这种合成的嘎嘎声，但很快就决定让人类参与者更容易。Wiegrebe设计了一个实验，在一个房间里，人类志愿者坐在椅子上，戴着头戴式VR显示器，扬声器垂直和水平排列。VR头显显示了草地景观。
在这项研究中，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。这样做并不是为了让他们产生偏见。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，按下操纵杆上的按钮。
在多个位置放置一系列扬声器可以让神经科学家以真实的姿势播放合成声音。沙格诺说:“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仰角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”受试者之前，虚拟蛇开始在六个距离中的一个处发出嘎嘎声。与此同时，该软件准确地知道人类主体与虚拟蛇的关系。
响尾蛇发出的嘎嘎声通过频率范围变化的距离信息来传递信息和距离。(图片来源:M. Forsthofer, M. Schutte, H. Luksch, T. Kohl, L. Wiegrebe, B. Chagnaud;发表在当代生物学）
Forsthofer说:“我们向他们展示了有或没有频率变化的哒哒声。”试验的心理声学数据显示，人类一听到开关，就会低估与虚拟蛇的距离。“我们发现，每当频率发生变化时，许多人认为他们离虚拟蛇足够近，可以按下按钮。”
神经科学家的研究揭示了这种听觉错觉，在世界范围内引起了反响，甚至出现在了德国的一个智力竞赛节目中。沙诺称赞头脑敏锐的Wiegrebe具有虚拟现实实验的远见。他说:“这比我在心理物理学背景下所能产生的要复杂得多。”
Chagnaud说，频率跳变之所以有效，是因为哺乳动物的听觉系统是普遍的，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。
人类方面也存在悬而未决的问题，包括对嘎嘎声的反应是一种惊吓反应，还是大脑中的听觉处理告诉了距离知觉。Chagnaud与另一位专攻功能性磁共振成像(fMRI)的神经科学家保持着联系。他说:“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。”“我希望说服我的同事进行测试，但这是一个艰巨的挑战，因为你必须知道在哪里搜索。”
本研究项目所使用的MATLAB代码可从File Exchange获取:响尾蛇和人类心理物理学
- analysisLiveScript.mlx在示例中，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分析响度和频率的嘎嘎声数据
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