改写理论,华人神经科学家揭示大脑处理语音的运行机制

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  ▎药明康德内容团队编辑

  顶尖学术期刊《细胞》近日发表了一篇由知名华人学者,神经外科学家Edward Chang教授领衔的研究论文。在对经过大脑手术的9名患者进行了多年研究之后,科学家们提出了人脑处理语音信息的运行规则,推翻了长期以来的相关假设

  当含有语意的声音传到耳中,我们的耳蜗会将声波转换成电信号,并传送到大脑中位于颞叶的听觉皮层。一种被广泛接受的理论认为,听觉皮层在处理语音时像工厂流水线一样有先后工序:首先,初级听觉皮层处理简单的声学信息,比如声音的频率;然后,相邻的颞上回(superior temporal gyrus,STG),提取出言语中对理解语言更重要的特征,比如元音和辅音,将声音转变为有含义的字词。

  不过,这种假设几十年来始终缺乏直接证据,也就是对整个听觉皮层进行空间分辨率极高的神经生理记录。“所以,我们开展了这项研究,希望找到从低级的声音表征变换到高级的字词表征的相关证据。”加州大学旧金山分校(UCSF)的Edward Chang教授说。

  这项研究的开展离不开一些患者的支持。几年时间里,有9名患者参与了实验。因为需要切除脑部肿瘤或定位引发癫痫的病灶,这些患者接受了神经外科手术。与此同时,他们同意让医生在手术过程中将微电极阵列放置在他们的听觉皮层,收集神经信号,用于分析语言功能和定位癫痫,以及研究听觉皮层如何处理语音信息。

  这是我们第一次可以直接从大脑表面同时覆盖听觉皮层的所有区域,研究声音到字词的转换。”Chang教授说。相比过去只能在有限的几个点记录神经活动的电信号,无疑是巨大的进步。

  接着,在实验中,研究人员开始向参与者播放词组和短句,试图寻找信息从初级听觉皮层流向颞上回的迹象。按照原来的假设,这两个脑区应该会先后被激活。

  然而,事实并非如此。他们观察到,播放句子时,颞上回某些区域的反应速度与初级听觉皮层一样快,也就是说,这两个区域同时开始处理声音信息。

  在另一项实验中,研究人员用微弱的电流刺激患者的听觉皮层。按照原来的假设,刺激初级听觉皮层,很可能会扭曲患者对言语的感知。然而,这些患者表示,尽管刺激引起了某些声音的幻听,但他们仍能清楚地听到并重复对他们播放的字词。

  相反,当研究人员用电流刺激患者的颞上回,患者报告说他们能听到有人在讲话,“但分辨不出字词”。“事实上,有一名患者说,听起来就像单词的音节发生了互换。”Chang教授说道。

  综合这些证据,研究小组认为,大脑听觉皮层对声音和语音的信息处理是并行的,而不是传统模型所认为的串行处理

  参考资料:

  [1] Liberty S。 Hamilton et al。, (2021) Parallel and distributed encoding of speech across human auditory cortex。 Cell。 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.07.019

  [2] Sounds and words are processed separately and simultaneously in the brain。 Retrieved Aug。 20, 2021 from https://www.eurekalert.org/news-releases/925158


新闻来源:新浪