귀는 푸리에 변환을 수행하지 않는다 (2024)

• 달팽이관(cochlea) 은 공기압 변화로 생긴 진동을 받아 주파수별로 분리하는 물리적 구조를 통해 소리를 처리함
• 기저막(basilar membrane) 의 각 위치는 특정 주파수에 공명하며, 높은 주파수는 단단한 기저부, 낮은 주파수는 유연한 끝부분에서 반응함
• 이 과정에서 모세포(hair cell) 가 진동에 따라 이온 채널을 열고 닫아 전기 신호로 변환, 신경 섬유는 시간·주파수 정보를 필터링함
• 그러나 이러한 필터는 푸리에 변환과 달리 시간 해상도를 유지하며, 실제로는 웨이블릿(wavelet) 과 가보(Gabor) 사이의 형태로 작동함
• 이러한 구조는 자연음의 중복 정보를 줄이는 효율적 부호화(efficient coding) 전략으로, 인간의 언어가 독특한 시간-주파수 공간을 차지함

달팽이관의 주파수 분리 구조

• 고막(tympanic membrane) 은 공기압 변화에 따라 진동하고, 중이의 뼈들이 이를 증폭해 달팽이관의 액체로 전달함
  • 진동은 기저막(basilar membrane) 을 따라 이동하며, 각 위치의 물리적 특성에 따라 특정 주파수에 공명
  • 기저부는 단단하고 가벼워 고주파에, 끝부분은 유연하고 무거워 저주파에 반응
• 기저막의 공명 주파수는 공간적으로 로그(logarithmic) 형태로 감소함
  • 이는 인간의 피치(pitch) 지각이 로그적으로 변화하는 특성과 일치함

모세포의 기계-전기 변환

• 기저막 위의 모세포(hair cell) 는 해당 위치의 주파수에 맞춰 진동하며, 이 움직임이 이온 채널 개폐를 유도함
  • 모세포 끝의 스프링 구조가 “trapdoor”처럼 작동해 진동 주파수에 맞춰 신경전달물질을 방출
• 이 과정을 통해 기계적 진동이 전기 신호로 변환되어 청신경으로 전달됨

청각 필터와 시간-주파수 해상도

• 청신경 섬유는 시간과 주파수 정보를 추출하는 필터로 작동
  • 짧은 시간에 집중된 필터는 시간 해상도가 높지만 주파수 분포가 불균일
  • 긴 시간에 걸친 필터는 주파수 해상도가 높지만 시간 정보가 흐림
• 푸리에 변환(Fourier transform) 은 시간 정보가 없고, 오른쪽 그림처럼 균일한 주파수 분포를 가지지만 이는 실제 귀의 필터와 다름
• 달팽이관의 필터는 웨이블릿과 가보 필터의 중간 형태로,
  • 고주파 영역에서는 시간 해상도를 높이고
  • 저주파 영역에서는 주파수 해상도를 높이는 상호 보상 구조를 가짐

효율적 부호화와 자연음 분석

• Lewicki(2002) 연구는 이러한 필터 구조가 자연음의 중복을 줄이는 전략임을 제시
  • 독립성 극대화를 위한 ICA(Independent Component Analysis) 를 통해 환경음, 동물 발성, 인간 음성을 비교
  • 환경음·인간 음성은 웨이블릿형 필터, 동물 발성은 푸리에형 필터에 가까운 결과
• 인간의 언어는 고유한 시간-주파수 공간을 차지하며,
  • 일부 연구자는 언어가 기존 자연음이 차지하지 않은 영역을 채우도록 진화했을 가능성을 언급

생태적 부호화와 감각 처리

• 감각 체계는 환경에 적합한 부호화 방식을 형성하며, 청각도 그 예시로 제시됨
  • 이러한 생태적 표현(ecologically-relevant representation) 은 행동과 환경의 상호작용에 기반
• 글의 마지막에서는 이후 강의에서 뉴런 수준의 생물물리학적 계산으로 초점을 옮길 예정임
• 전체적으로, 귀는 푸리에 변환이 아닌 효율적·적응적 필터링 시스템으로 작동함