L13. Sound Localization - Cornell University · C lli l 13 Colliculus • Lateral lemniscus •...

5
9/16/2011 1 1 L13. Sound Localization September 16, 2011 BioNB4240 C. D. Hopkins Krogh’s Principle Linear Summation Delayline Coincidence Detector Σ + Σ delay Σ + = dt h t f r ) ( ) ( ) ( τ τ τ The mobbing calls of different species of birds, given in response to a sitting predator (cat, owl). 3 Sound spectrograms of mobbing calls from 5 species of British birds (Marler, 1955) Marler, P. (1955). The characteristics of certain animal calls. Nature 176, 67. Aerial alarm calls of different species of birds are very similar. Alarm calls of 5 species of British birds given in response to spotting an overhead hawk. 4 (Marler, 1955) Chickadee sees predator sitting in tree. Mobbing calls attract flock members to alert other birds. sharp onset clicklike broad bandwidth 5 repetitive •slow onset and offset •whistlelike •narrow frequency range •not repeated Robin sees a hawk Alarm Call (warns baby birds) 6

Transcript of L13. Sound Localization - Cornell University · C lli l 13 Colliculus • Lateral lemniscus •...

Page 1: L13. Sound Localization - Cornell University · C lli l 13 Colliculus • Lateral lemniscus • Brainstem lateral superior olive LSO receives inputs from 2 sides 14 medial nuc. trapezoid

9/16/2011

1

1

L13. Sound Localization

September 16, 2011

BioNB4240C. D. Hopkins

Krogh’s Principle                         Linear Summation                   Delay‐line Coincidence Detector

Σ+

Σ

delay

Σ‐

∫∞

∞−

⋅+= dthtfr )()()( τττ

The mobbing calls of different species of birds,  given in response to a sitting predator (cat, owl).  

3

Sound spectrograms of mobbing calls from 5 species of British birds  (Marler,  1955) Marler, P. (1955). The characteristics of certain animal calls. Nature 176, 6‐7.

Aerial alarm calls of  different species of birds are very similar.  

Alarm calls of 5 species of British birds given in response to spotting an overhead hawk.

4

(Marler, 1955)

Chickadee sees predator sitting in tree.  

Mobbing calls attract flock members to alert other birds.

sharp onset

click‐like

broad bandwidth

5

repetitive

•slow onset and offset•whistle‐like•narrow frequency range•not repeated

Robin sees a hawk

Alarm Call (warns baby birds)

6

Page 2: L13. Sound Localization - Cornell University · C lli l 13 Colliculus • Lateral lemniscus • Brainstem lateral superior olive LSO receives inputs from 2 sides 14 medial nuc. trapezoid

9/16/2011

2

Why are the mobbing calls so similar?

Marler’s Hypothesis:

“chatter” calls are easily locatable (ideal for calling attention to where the owl is hiding)

1) Sh d ff i l i ioscillogram of

d

7

1)  Sharp onset and offset  inter‐aural timing cues.

2)  Repetitive  redundant. 

3) Broad bandwidth‐ low frequencies provide good phase cue‐ high frequencies provide good inter‐aural 

amplitude cue (shadow of head)

sounds

Why are the hawk calls similar?

Marler’s Hypothesis:“Tseet” sounds are difficult to locate (ideal for 

alerting conspecifics and young to look up and hide). 

1. gradual sound onset and offset – poor timing

8

1. gradual sound onset and offset  poor timing cue

2. too high freq for phase determination. 3. too low frequency for sound shadowing.

sound localization

Humans have difficulty locating 3 kHz tones.

10

Steven and Newman, 1934phase ambiguity when λ < d

dd

fc=λ

Binaural CuesTwo cues for Cats:

ITD

IID = ILD

11

ITD: (varies between 0 and 400 microsec)

ILD is strongest at high frequencies >5 kHz for cats, >2 for humans

d = .136 mITD = 0.136 m / 340 m/s 

Auditory pathways

12

dorsal view

mammalian brain

Page 3: L13. Sound Localization - Cornell University · C lli l 13 Colliculus • Lateral lemniscus • Brainstem lateral superior olive LSO receives inputs from 2 sides 14 medial nuc. trapezoid

9/16/2011

3

Auditory Pathway Wiring• Cortex

• Thalamus

• Inferior C lli l

13

Colliculus

• Lateral lemniscus

• Brainstem

lateral superior olive

LSO receives inputs from 2 sides

14

medial nuc. trapezoid body

LSO responds to ILD

contralateral intensity

1516

Auditory Pathway Wiring• Cortex

• Thalamus

• Inferior C lli l

17

Colliculus

• Lateral lemniscus

• Brainstem

medial superior olive

Cells in MSO act as coincidence detectors

• MSO neurons fire best when stimulated with a particular ITD.  Using sine waves, this means one particular phase 

18

difference.• MSO units phase lock to 

monaural and to binaural stimulation.

• Best IPD corresponds to difference in response phases for two ears. MSO is a coincidence detector.

Page 4: L13. Sound Localization - Cornell University · C lli l 13 Colliculus • Lateral lemniscus • Brainstem lateral superior olive LSO receives inputs from 2 sides 14 medial nuc. trapezoid

9/16/2011

4

Cells in MSO act as coincidence detectors

• MSO neurons fire best when stimulated with a particular ITD.  Using sine waves, this means one particular phase 

19

difference.• MSO units phase lock to 

monaural and to binaural stimulation.

• Best IPD corresponds to difference in response phases for two ears. MSO is a coincidence detector.

Jeffres’ Model (1948)

• Suppose Right & Left neural inputs from opposite sides converge....

• Delays, from neuronal conduction

• Output cells (A E) fire only if

20

• Output cells (A‐E) fire only if there is coincident inputs from both R and L

• Delay‐Line + coincidence detector produces a  map of azimuth.

21

Barn OwlBarn Owls

• R. Payne (1971)* establishes that barn owls use passive listening to detect and localize prey.

Roger Payne

24

• owls turn head toward sound.

• leave perch, track sounds.

• owl attacks sound, not mouse.

• Owls are using passive listening (not echolocation!)

*  Payne, R. S. (1971) Acoustic location of prey by Barn owls (Tyto alba)

Page 5: L13. Sound Localization - Cornell University · C lli l 13 Colliculus • Lateral lemniscus • Brainstem lateral superior olive LSO receives inputs from 2 sides 14 medial nuc. trapezoid

9/16/2011

5

Owl can “localize” before leaving perch.

Owl attack is precise within 2 degrees.

Owl attacks sound source, not the mouse. 

•Conclusion: good localization in both vertical

25

vertical(elevation) and horizontal (azimuth)

•How do they localize in the vertical?

Ear Asymmetry in Barn Owls

Asymmetry in ear openings direct sound from above or below.

A d i i i i i l l

26

As sound position varies in vertical angle:  ILD in two ears.

In barn owls,  asymmetric ear placement converts IID into map of elevation

0 4

0.6

0.8

1 y= x2

27

Right earLeft ear

0 0.5 1-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

In barn owls,  asymmetric ear placement converts IID into map of elevation

0 4

0.6

0.8

1 y= x2

28

Right earLeft ear

0 0.5 1-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

to be continued…..