Discrimination of positions in the acoustic space of barn owls characterized by equal broadband ITD and ILD

Schillberg, Patrick; Wagner, Hermann; Führ, Hartmut

doi:38622

Discrimination of positions in the acoustic space of barn owls characterized by equal broadband ITD and ILD = Unterscheidung von Positionen im akustischen Raum von Schleiereulen, die durch gleiche Breitband-ITD und -ILD definiert werden

Schillberg, Patrick^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Patrick Schillberg, M.Sc.

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (119 Seiten) : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wagner, Hermann (Thesis advisor)^RWTH* ; Führ, Hartmut (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-09-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-09190
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/767958/files/767958.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Barn owl (frei) ; HRIR (frei) ; HRTF (frei) ; ILD (frei) ; ITD (frei) ; auditory (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung, wie die nordamerikanische Schleiereule (Tyto furcata pratincola) auf Schallquellen reagiert, deren akustische Informationen nicht eindeutig durch Breitband ITD und Breitband ILD kodiert sind. Dazu wurden zunächst, in einem ersten Experiment, Impulsantworten in der Nähe des Trommelfelles der Eule für 528 Positionen aufgenommen. Diese Impulsantworten wurden mit denen einer Leermessung ohne Eule verrechnet, um so den Einfluss der Mikrophone auf die Messung zu kompensieren wodurch eine kopfbezogene Impulsantwort entsteht. Da diese Signale zunächst zeitabhängig sind, wurde anschließend eine Fourier-Transformation durchgeführt, um diese in Abhängigkeit von der Frequenz darzustellen. Durch diesen Schritt wurde die kopfbezogene Impulsantwort in eine kopfbezogene Übertragungsfunktion umgewandelt. Diese Übertragungsfunktionen wurden mit einem Breitbandrauschen gefiltert, um in den folgenden Verhaltens- und Elektrophysiologieexperimenten einen virtuellen akustischen Raum zu erstellen, in dem Positionen mit nicht eindeutigen Breitband ITD und Breitband ILD getestet werden können. Um nun zunächst die Reaktion von wachen Tieren auf Signale, die von solchen Positionen ausgehen zu testen, wurden Verhaltensexperimente durchgeführt. In einem ersten Schritt erfolgte die Präsentation der Stimuli im Freifeld. Überraschenderweise zeigte sich hier kein Unterschied in der Lokalisation von Positionen mit mehrdeutiger akustischer Information und solchen mit eindeutigen Parametern. Ein statistischer Test zeigte zusätzlich, dass Positionspaare, die durch uneindeutige Breitband ITD und Breitband ILD kodiert werden, für die Eulen unterscheidbar sind. Ein Unterschied in den Latenzen war nicht zu erkennen. Diese Ergebnisse zeigten sich auch in Verhaltensexperiment im virtuellen akustischen Raum. In einem weiteren Schritt, wurden die neuronalen Antworten im optischen Tectum auf solche Stimulipaare in elektrophysiologischen Einzelzellableitungen untersucht. Hier zeigte sich, dass 42% der untersuchten Zellen ein signifikant unterschiedliches Feuerverhalten im Bezug auf die jeweiligen Paarungen aus Positionen mit uneindeutiger Breitband ITD und Breitband ILD zeigen. Dies weist darauf hin, dass es neben der Breitband ITD und Breitband ILD noch andere akustische Parameter geben muss, welche das Feuerverhalten der Neuronen im optischen Tectum oder vorgeschalteten Strukturen beeinflussen. Zusätzlich zu den oben genannten Ergebnissen konnten in dieser Arbeit eine Komplettcharackterisierung von zehn Zellen durchgeführt werden, welche zur Erstellung zweidimensionaler Karten der neuronalen Antworten an den jeweiligen Positionen genutzt wurden. Die Karten der neuronalen Antworten zeigten eine höhere Antworrtate in der linken Gehirnhälfte bei positiver Breitband ITD und umgekehrt. Einige Messungen zeigten eine höhere Antwortrate bei einer Position der Positionspaare mit mehrdeutiger Breitband ITD und Breitband ILD. Andere Messungen zeigten ähnliche Antwortraten an beiden Positionen.

This thesis deals with the question, in which way the North American Barn Owl (Tyto furcata pratincola) reacts to sound sources, whose acoustic information is not unambiguously encoded by broadband ITD and broadband ILD. Therefore, in a first experiment impulse responses close to the ear drum of owls were measured at 528 positions. These impulse responses were corrected by a empty measurement, containing the transfer function of the microphones used, to compensate for the influences of the microphones. A fourier-transformation was accomplished to transfer the signal from the time domain into the frequency domain. The resulting head related transfer function was filtered with broadband noise, to create a virtual acoustic space for the following behavioral- and electrophysiological experiments, in which positions with ambiguous broadband ITD and broadband ILD were tested. First the reactions of awake animals to signals originating from such positions were examined in behavioral experiments. In a first step the presentation of the stimuli was accomplished in a free-field environment. Surprisingly no difference in localization was observed between positions with unambiguous acoustic information and such with ambiguous ones. A statistical test showed, that position pairs encoded by ambiguous broadband ITD and broadband ILD can be differentiated by the barn owls. A difference in latencies was not observed. The same results were obtained for experiments in which stimuli were presented in a virtual acoustic space. In a next step, the response of neurons in the optic tectum to those stimuli pairs was recorded in extracellular electrophysiological measurements. As a result of this examination, 42% of the measured cells showed a significantly different response with regard to respective pairs of positions with ambiguous broadband ITD and broadband ILD. this indicates, that there must be other acoustic parameters than broadband ITD and broadband ILD, which have an influence on the response rate of neurons in the optic tectum or the preconnected structures. Additional to the results mentioned above, a full characterization of ten cells was performed, which resulted in the creation of two dimensional maps of neuronal response rates at regarded positions. The maps of neuronal response showed a higher response in the left side of the brain if the broadband ITD was positive and vice versa. Some of the recordings showed, that one position with a combination of ambiguous broadband ITD and broadband ILD is located in an area with higher neuronal response than the other one. Other recordings showed similar response rates for both positions.

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