7年内9名参与者植入电极,神经学家提出大脑处理语音新理论

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声音传到耳朵后,耳蜗将其转换成电信号,然后发送到位于颞叶的听觉皮层。紧接着,人类的大脑又是如何处理语言声音?近日,细胞出版社(Cell Press)旗下期刊Cell(《细胞》)上的的一项最新研究推翻了此前几十年的假设理论。
该研究由华人学者、加州大学旧金山分校神经科学家和神经外科医生Edward Chang领衔,其团队发现了人类大脑中处理语言声音的新途径。他们的研究结果表明,听觉和语言处理是并行的。这与长期以来认为大脑先处理听觉信息,然后将其转化为语言信息的理论相矛盾。

论文提到,此前,许多功能性神经成像研究(如功能性磁共振成像fMRI和脑磁图MEG)表明,初级听觉皮层到非初级、更高阶区域对更声音类型具有渐进式的选择性。例如,高阶听觉区域对复杂的自然刺激(如语言和音乐)的反应比简单的人工刺激(如纯音调)的反应更强烈。
也就是说,几十年来,科学家们一直认为,听觉皮层的语言处理遵循一个类似工厂装配线的路径。首先,初级听觉皮层处理简单的声音信息,比如声音频率。然后,颞上回提取更重要的特征,如辅音和元音,将声音转换成有意义的单词。
但一直以来,这一理论缺乏直接证据的支持。Edward Chang等人指出,此前的结果通常是在解剖层次模型的框架下解释的,在这个模型中,简单的声学特征被转化为更复杂的、特定于语言的听觉皮层表征。然而,非侵入性成像有限的空间或时间分辨率排除了局部异质神经反应类型的映射,使语音表征的基本问题得不到解答。
然而,整个听觉皮层极高时空分辨率的详细神经生理学记录是是一个挑战,原因是初级听觉皮层位于大脑额叶和颞叶的裂口深处。Edward Chang说,“所以,我们进行了这项研究,希望找到声音等低级表征转化为词汇等高级表征的证据。”

论文显示,Edward Chang团队在7年时间里共对9名参与者进行了研究,这些人因为肿瘤或癫痫等疾病,必须接受脑部手术。在手术过程中,小电极阵列被放置在他们的整个听觉皮层中,用来收集涉及语言和癫痫的神经信号。参与者还自愿录音,以便分析了解听觉皮层是如何处理语音的。
Edward Chang说,“这项研究是我们第一次直接、同时覆盖大脑所有相关区域,研究声音到单词的转换。”而之前的类似研究只能收集有限点位的信号。
当为参与者播放短语和句子时,如果按照传统模型提出的假设,研究人员将看到从初级听觉皮层到颞上回的信息流。如果成立,这两个区域应该一个接一个地被激活。
但出于意料的是,Edward Chang等人发现,当播放句子时,颞上回一些区域的反应速度与初级听觉皮层一样快,这表明两个区域同时开始处理声音信息。

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另外,研究团队还用小电流刺激参与者的初级听觉皮层。如果按照传统模型,即语言处理遵循一系列路径,那么刺激可能会扭曲患者对语言的感知。但这项研究显示,即便参与者经历了由刺激引起的噪音幻觉,他们仍然能够清楚地听到并重复语句。
然而,当颞上回受到刺激时,参与者能听到人们说话声音,“但听不出内容”。“事实上,有一位参与者说,听起来就像单词中的音节被调换了。”Edward Chang说。
该研究表明,传统语音处理模型过于简化,甚至很可能是错误的。研究团队推测,颞上回可能独立于初级听觉皮层而发挥作用,而不是作为初级听觉皮层处理的下一步。
研究认为,语言处理的并行性可能会给医生提供治疗诵读困难症等病症的新思路,患有这些疾病的儿童在识别语音方面存在困难。
Edward Chang 同时强调,“虽然这是向前迈出的重要一步,但我们还不了解这个平行听觉系统。这些发现表明,声音信息的传递可能与我们想象的非常不同,这无疑带来了更多问题。”

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