一种基于轻量级耳机的鸣禽听觉反馈操控系统

本实验的总体目标是为鸣禽构建一套轻量化的耳机装置，用于操控其发声时的听觉反馈。首先，需要制备构成耳机框架的各个部件；其次，将耳机框架组装并固定到鸟的头部。

接下来，移除框架并安装微型扬声器和微型麦克风，用于监测系统性能。最后一步是重新连接耳机，并使用在线声音处理硬件在歌唱过程中干扰听觉反馈。最终，该虚拟听觉反馈系统有助于研究大脑如何利用感觉反馈来优化发声行为。

与通过致聋或基于强化等其他诱导发声可塑性的方法相比，该技术的主要优势在于，该范式通过模拟自然的发声错误并允许受试者产生纠正性反应，从而实现错误校正。尽管该方法最初是为斑胸草雀而开发的，但其可应用于任何依赖听觉反馈来调节发声行为的动物。开始制作耳机框架时，需裁剪碳纤维材料以制备横梁和耳塞部件。

首先，使用Dremel工具上的切割轮，从一段3厘米长、1×3毫米的碳纤维条上制备一根横杆。然后，用一段1.5厘米长、1×3毫米的碳纤维条制备垂直支撑杆。最后，用一段内径4毫米、外径6毫米的碳纤维管材，截取4毫米长度，制备两个耳挂。

由于耳机部件非常小，通常需要在显微镜下进行组装和焊接。使用直径为1.4毫米的钻头，在横梁中心位置钻两个相距4.5毫米的小孔，以组装横梁。孔的大小应恰好能够容纳一颗080螺丝。

将2080型螺钉插入孔中，并用六角螺母固定。然后剪下两段直径较小的注射器针头，每段长六毫米，并用钳子划痕以增强环氧树脂的粘附性。将横杆翻转，使六角螺母位于上方，以防止环氧树脂将螺钉末端与六角螺母粘连，在每根螺钉的末端滴一滴矿物油。

该操作的关键在于尽量减轻耳机装置的总重量。可通过使用尽可能少的环氧树脂和丙烯酸材料来实现。将两段针头置于六角螺母上方，用环氧树脂将六角螺母彼此粘合，并同时固定针头段，完全覆盖两者。

环氧树脂完全固化后，按照书面方案中所述制作泡沫环，并卸下两颗螺丝。随后，将垂直支撑杆粘接到一段四毫米长的碳纤维圆筒上，组装本视频配套的耳塞。待环氧树脂硬化后，取少量环氧树脂将泡沫环粘接至圆筒末端。

泡沫环将贴合在鸟的头部。本演示中，耳机的安装展示于一个模型上，并未对实际鸟类进行手术。进行手术时，第一步是按照书面操作步骤对鸟类进行麻醉，将鸟放置于准备好的立体定位仪上，并在头皮上做一个5至10毫米的切口。

切口应沿中线进行，并从前颅骨背面颈部肌肉附着点前方0.2毫米处向前延伸。用70%乙醇擦拭暴露的颅骨以干燥骨面后，使用鳄鱼夹固定器放置横杆，使环氧树脂覆盖的六角螺母置于颅骨顶部，轻轻抬起横杆，将六角螺母粘附到颅骨上。

注意确保粘合剂仅接触六角螺母，而不要接触到横杆本身。这样可以通过拆卸螺丝来移除耳机，仅将六角螺母永久固定在头部，如图所示。将耳塞沿耳杆滑动，直至泡沫垫贴紧鸟头。使用鳄鱼夹固定在耳杆上，将泡沫垫牢固地压紧在鸟头表面。

这对于获得良好的声学密封非常重要。旋转耳塞，使垂直柱接触横杆的背面，在柱前留出连接带插座的空间，使用环氧树脂或丙烯酸树脂将胶合柱粘接到横杆上，然后静置24小时，使环氧树脂或丙烯酸树脂完全固化，并让鸟类恢复。24小时后，检查框架，确保泡沫垫在耳道周围形成紧密的密封。

如果密封不严，可将泡沫垫取下并更换为更大的垫片。为改善声学密封效果，使用 0.05 英寸六角扳手轻轻卸下螺丝，取下组装好的耳机，从鸟体上取下框架以制作扬声器适配器。

将一个长度为 5.2 厘米、直径从 5 毫米逐渐减小至 1 毫米的移液器吸头插入一段废弃的碳纤维圆管中。然后在圆管末端外侧 1 毫米处将吸头切断。将吸头从圆管中取出，并将其切割至适配器总长度为 3 毫米。

接下来，将长度为五厘米的36号绝缘导线分别焊接到两个扬声器的正极和负极接线端，以连接扬声器。在组装扬声器-麦克风组件时，先在其中一个扬声器的一侧贴上一条电绝缘胶带，然后将耳机麦克风用环氧树脂固定在胶带上方，并将麦克风的接地导线焊接到扬声器的负极接线端。随后，使用环氧树脂将扬声器及其麦克风组件分别固定到每个转接头的较宽一端。

扬声器和麦克风端口均可恰好嵌入移液器内。注意确保环氧树脂不覆盖任一端口。轻轻地将适配器插入耳塞中。

用少量环氧树脂将每个适配器粘接到对应的耳塞上。制作连接条时，截取一段包含四个端子的连接条插座，并在插座的一个角上标记参考记号。将连接条放置在其中一个垂直支架附近，将扬声器和麦克风导线焊接到插针上。

使用万用表检查连接器是否存在短路，必要时进行剥离并修复，然后用环氧树脂固定连接器。剥离至耳机框架以收集、滤除陷波并放大声学输入。首先，将一个全向电容麦克风直接悬挂在鸟笼正上方。

进行预放大和低通滤波。将此信号滤波后输入和声器。使用和声器上的音高移位模块生成移频后的声学信号。

将该信号放大，并通过换向器和柔性导线传输至扬声器耳机的正极通道。接下来，通过将一块9伏电池连接到鸟类声音盒的壁上，为电话的麦克风供电。将电池的正极通过换向器和柔性导线连接到V通道，同时将电池的负极连接到信号处理设备的公共接地端。

将此公共接地连接到扬声器和手机麦克风的地线。用于校准反馈增益。使用零号80螺丝将制作好的耳机固定在鸟头的六角螺母上。

当鸟开始鸣叫时，记录三个通道的数据，包括笼子、麦克风、未移频信号、移频信号以及手机麦克风，如示意图所示，该示意图可在书面实验方案中找到。结合本视频，检查从手机麦克风录制的声音。该通道将记录通过耳机扬声器播放的虚拟反馈声音与鸟的实际鸣叫直接泄漏到耳机框架内的声音的叠加信号。

调节扬声器放大器的振幅设置，使虚拟听觉反馈比直接泄漏信号高15至20分贝。通过每天两次检查耳机来监控系统性能，以确保扬声器和麦克风均正常工作。图中显示了一个校准良好的系统示例，其中耳机麦克风记录的信号主要由移频后的信号构成，而非直接泄漏信号。

在此，通过耳机麦克风在语谱图中垂直红线所示时间点记录到的信号，主要由音高偏移的信号构成，该信号在功率谱中以红色曲线表示。这与鸟类的自然发声形成对比，后者在功率谱中以黑色曲线表示。结果表明，到达鸟类耳部的声音主要为偏移后的反馈信号，此处展示的是在一只成年斑胸草雀上进行的代表性实验。

耳机系统被用于在16天内将听觉反馈提高半音。这种操纵导致所有七个鸣唱音节的音高逐渐降低。这种发声运动程序的变化使得鸟类所经历的听觉误差减少，表明鸟类依赖听觉反馈来纠正明显的发声错误。

在第16天后移除音高偏移时，鸣唱的音高最终恢复至基线水平。这些数据具有典型性，反映了不完全的适应现象。在此处，尽管听觉反馈的音高被偏移了1.0个半音，但该鸟类个体在整个物种和系统中仅将其鸣唱音高改变了约0.4个半音，表现出不完全的适应。

当使用虚拟反馈干扰单一感觉模式时，适应是一种常态；在当前范式中，这可能反映了对非听觉听觉信号的部分依赖。鸣禽会评估其正在进行的发声表现。一旦掌握，耳机可在两个工作日内完成组装并佩戴。

再次强调，为了尽量减轻耳机的总重量，应尽可能少地使用环氧树脂或丙烯酸树脂。