2021年11月07日
對我們大多數(shù)人來說，聽覺是如此輕松，以至于通常很難理解大腦的聽覺系統(tǒng)需要處理和理清多少信息。它必須接收傳入的聲音，并將它們轉(zhuǎn)化為我們所能感知到的聲學對象：朋友的聲音，狗的叫聲，雨聲。它必須從背景噪音中提取相關(guān)聲音。它必須確定兩個不同的人說的一個詞具有相同的語言學意義，同時還要區(qū)分這些聲音，并評估它們的音高、音調(diào)和其他品質(zhì)。
根據(jù)傳統(tǒng)的神經(jīng)處理模型，當我們聽到聲音時，我們的聽覺系統(tǒng)從聲音中提取簡單的特征，然后將其組合成越來越復雜和抽象的表示。這個過程使大腦能夠?qū)⒛橙苏f話的聲音，例如，轉(zhuǎn)換成音素，然后是音節(jié)，最后是單詞。
但在8月份發(fā)表在《Cell》期刊上的一篇論文中，一組研究人員對這一模型提出了挑戰(zhàn)，他們報告說，聽覺系統(tǒng)經(jīng)常同時處理聲音和語言。研究結(jié)果表明，大腦理解語言的方式與科學家們的預期大相徑庭，來自耳朵的信號在早期處理階段就分支到不同的大腦路徑有時甚至繞過被認為是構(gòu)建復雜聲音表征的關(guān)鍵的大腦區(qū)域。
這項研究為大腦如何如此快速有效地分解重疊的聽覺刺激流提供了新的解釋。然而，這一發(fā)現(xiàn)不僅質(zhì)疑了關(guān)于語音處理的成熟的理論;它也挑戰(zhàn)了關(guān)于整個聽覺系統(tǒng)如何工作的觀點。關(guān)于我們對聲音的感知，大部分普遍的智慧都是基于我們對視覺系統(tǒng)的計算所知的類比。但越來越多的證據(jù)，包括最近對語言的研究，暗示聽覺處理的工作方式非常不同，以至于科學家開始重新思考聽覺系統(tǒng)的各個部分在做什么，以及這對我們?nèi)绾纹谱g豐富的音景(SoundScapes)意味著什么。
“這項研究是一項具有里程碑意義的事業(yè)，”哈佛大學認知神經(jīng)學家Dana Boebinger說。盡管她還沒有準備好放棄關(guān)于大腦如何處理復雜聽覺信息的傳統(tǒng)理論，但她認為這些結(jié)果“令人興奮”，因為它們暗示“也許我們實際上對正在發(fā)生的事情并沒有很好地了解。”
顛覆了傳統(tǒng)的層次框架
我們對聲音感知的最初階段是很容易理解的。當我們聽到某人說話時，我們耳朵里的耳蝸將復雜的聲音分成不同的頻率組成部分，并通過幾個處理階段將這個表征傳送到聽覺皮層。首先，從這些信號中提取出有關(guān)聲音在空間中的位置、音調(diào)和變化幅度的信息。接下來會發(fā)生什么就更難確定了:高級皮層區(qū)域被認為會按照分層順序梳理出與語音特別相關(guān)的特征——從音素到韻律。其他復雜類型的聲音(如音樂)的特征也可以用類似的方法處理。
這種排列方式反映了視覺系統(tǒng)的工作模式:它首先將照射在視網(wǎng)膜細胞上的光線模式解釋為線條和邊緣，然后將其解釋為更復雜的特征和模式，最終構(gòu)建出一張臉或一個物體的表征。
但是，剖析聽覺信息流的細節(jié)一直很困難。用動物來研究語言是走不遠的，因為語言是人類獨有的特征。而對于人類，大多數(shù)研究不得不使用間接的方法來測量大腦活動。獲得直接記錄非常困難，因為它具有侵入性:科學家需要借助醫(yī)療程序，從植入癲癇病患者大腦的電極中收集數(shù)據(jù)。但很多感興趣的聽覺區(qū)域位于大腦深處額葉和顳葉之間——外科醫(yī)生通常不會在這個區(qū)域?qū)ふ矣涗洝?/span>
盡管如此，許多直接和間接的研究發(fā)現(xiàn)了聽覺和語言處理的傳統(tǒng)層次模型的證據(jù):這一過程的早期階段之一，初級聽覺皮層，似乎被調(diào)整為編碼聲音的簡單特征，比如頻率。隨著信號遠離初級聽覺皮層，大腦的其他區(qū)域似乎對越來越復雜的聲音特征做出更多反應(yīng)，包括語音特有的特征，比如音素。到目前為止，還挺好。
但是，德克薩斯大學奧斯汀分校(University of Texas, Austin)的神經(jīng)學家Liberty Hamilton說，科學家們根據(jù)“不一定要看這些區(qū)域是如何連接的”或它們變得活躍的序列的實驗，推斷出了這種層次框架。
因此，在2014年，她著手構(gòu)建一個更全面的聽覺皮層語音表征圖，以了解從一個聲音中提以了解從不同大腦區(qū)域的聲音中提取出什么樣的信息，以及這些信息如何從一個區(qū)域整合到下一個區(qū)域。
她有一個難得的機會來探索這個問題，先是在加州大學舊金山分校(University of California, San Francisco)神經(jīng)外科醫(yī)生Edward Chang的實驗室做博士后研究，然后在她自己位于奧斯汀的實驗室。Chang,Hamilton和他們的同事們找到了幾個病人，治療需要電極網(wǎng)格被放置在不同的聽覺位置。
包括德克薩斯大學奧斯汀分校神經(jīng)科學家 Liberty Hamilton（左）和加州大學舊金山分校神經(jīng)外科醫(yī)生 Edward Chang（右）在內(nèi)的一組研究人員繪制了聽覺皮層的不同部分如何處理語音和其他聲音的特征。Courtesy of Liberty Hamilton; Tom Seawell for UCSF
由于監(jiān)測這些區(qū)域的機會很難獲得，它們的記錄是“非常寶貴的數(shù)據(jù)，令人興奮，”Boebinger說。研究人員曾希望能夠詳細說明大腦如何將初級聽覺皮層中的低級聲音表征轉(zhuǎn)換為更復雜的語音表征，即層次結(jié)構(gòu)更高的區(qū)域，即顳上回。
Hamilton表示，他們的發(fā)現(xiàn)“在某種程度上顛覆了這個想法”。
早期途徑不同
事情進展不如預期的第一個暗示很快就來了。Chang 研究小組分析了不同聽覺區(qū)域?qū)円艉涂谡Z單詞、句子特征的反應(yīng)。他們證實了之前的發(fā)現(xiàn)，并補充了地圖上確實的細節(jié)。
但他們也觀察到了一些奇怪的現(xiàn)象。如果信息像他們所想的那樣層次化地從“低”區(qū)域流向“高”區(qū)域，那么初級聽覺皮層應(yīng)該在顳上回之前對輸入做出反應(yīng)。然而，顳上回的一些區(qū)域似乎對語言的開始做出反應(yīng)，就像初級聽覺皮層對簡單的聲音特征做出反應(yīng)一樣快，比如頻率。
Hamilton表示，這一觀察結(jié)果引出了一個誘人的假設(shè)：兩個大腦區(qū)域并行處理同一輸入的不同方面，而且“這種語音感知的并行路徑可以繞過初級聽覺皮層——我們認為所有信息都應(yīng)該去那里。”。這意味著語音的某些表征不需要從初級聽覺皮層中提取的低級特征中構(gòu)建出來。Hamilton說：“在一個分層模型中，你會認為初級聽覺皮層是你到達大腦皮層語言區(qū)之前必須經(jīng)過的第一個中轉(zhuǎn)站。”但她的結(jié)果表明，這不一定是真的。
Samuel Velasco/Quanta Magazine
Chang, Hamilton及其同事們決定進一步測試這個想法。當他們刺激患者的初級聽覺皮層以擾亂其功能時，患者仍然可以毫無問題地感知語言。相反，他們報告了幻聽:他們聽到疊加在他們聽到的單詞或句子之上的聲音，從嗡嗡聲、敲擊聲到流水和移動的碎石。
當研究人員刺激顳上回的一個子區(qū)域時，他們看到了相反的情況:患者不能理解語言，但顯然仍能正常聽到聲音。“我能聽到你說話，但聽不清是什么意思，”一名受試者報告說。
Hamilton說，“這就像只有兩個獨立的過程一樣。”——聲音處理的獨立路徑和與語言相關(guān)的高級特征。
在聽覺皮層中發(fā)現(xiàn)并行處理并不完全令人驚訝。倫敦大學學院(University College London)的神經(jīng)學家Sophie Scott說，“當你談?wù)摳兄到y(tǒng)時，層次結(jié)構(gòu)很好也很清晰，因為在某種程度上你知道，你會從一個嘈雜的信號變成更高層次、更抽象的東西。”
只有在某些時候，不同的大腦回路必須同時處理不同類型的聽覺信息，這才說得通。事實上，研究人員已經(jīng)報告了在聽覺處理的后期階段的平行功能:復雜的音樂和語言元素被分開處理，它們的表征至少部分是并行地形成的。
但是，只有在信號通過初級聽覺皮層之后，才會發(fā)生語音和聲音處理的分離。Hamilton和Chang的工作在這個過程的早期就發(fā)現(xiàn)了這樣一個分支點——如此之早，可能意味著信息被整合到皮層下而不僅僅是皮層來表示語音。如果皮層下處理在語言中扮演如此重要的角色，研究人員可能也忽略了大腦理解復雜聲音的其他重要方式。
但這些語言和聲音處理的分裂只在信號通過初級聽覺皮層后才會發(fā)生。Hamilton和Chang的工作很早就在這個過程中發(fā)現(xiàn)了這樣一個分支點——如此之早，這可能意味著信息在皮層下而不僅僅是皮層中被整合來代表語音。如果皮層下的處理在語言中扮演如此重要的角色，研究人員可能也忽視了大腦理解復雜聲音的其他重要方式。
耶路撒冷希伯來大學(The Hebrew University of Jerusalmen)的研究人員Israel Nelken表示，“多年來，我們一次又一次地認識到，我們認為皮質(zhì)的許多東西至少在某種程度上都是皮層下的。”
事實上，新的研究結(jié)果表明，“較低”水平的大腦皮層可能也隱藏著更大的復雜性。例如，Scott發(fā)現(xiàn)，刺激初級聽覺皮層會在Chang組的病人中產(chǎn)生如此豐富的幻聽，這很有趣。據(jù)她說，這種幻覺通常與高級皮質(zhì)區(qū)域有關(guān)。
此頻譜圖顯示了用小提琴演奏的音樂中的聲頻組成部分。當復雜的聲音進入耳朵時，內(nèi)耳的耳蝸以類似的方式傳遞頻率信息。研究人員想知道大腦如何處理這些信息以建立我們感知到的聲音的表征。
所以初級聽覺皮層的作用可能比它通常被認為的更多。最近的其他研究也得出了同樣的結(jié)論:與初級視覺皮層不同，初級聽覺皮層接收的信號已經(jīng)經(jīng)過了更多的處理，而且它以一種對環(huán)境更加敏感的方式來表示信息。紐約大學(New York University)神經(jīng)科學家David Poeppel說，它“在功能上比初級視覺皮層更下游”。
“更像是一場閃電風暴”
即便如此，Poeppel 說到“我不認為我們應(yīng)把層級框架像洗澡水一樣全部倒掉。”在這個系統(tǒng)中仍然有層次結(jié)構(gòu)，它們對于構(gòu)建越來越抽象的心理表征非常重要。
但是，在早期就脫離這個層次，同時處理語音和其他聲音可能會帶來很多好處。首先，它可以幫助優(yōu)化聽覺系統(tǒng)的速度，由于聲音的瞬態(tài)性而需要微秒級的精度。“因此，有了這種并行組織，你可能會更快地分析關(guān)于語音或其他復雜聲音的信息，”Boebinger說。此外，聽覺信號在本質(zhì)上是混亂的：每個個人丟棄音素或不一致地跳過單詞，他們在不同的社會環(huán)境中可能會說不同的話。并行處理系統(tǒng)可能更擅長處理這種混亂的輸入。
它還可能有助于聽覺系統(tǒng)更有效地分離復雜、重疊的聲音，并允許大腦在這些聲音流之間迅速轉(zhuǎn)換注意力。Scott說:“必須在同一時間以一種非?？伤艿姆绞教幚矶喾N不同類型的信息流，因為聽覺環(huán)境可以隨時改變。”鑒于語音對人類的重要性，我們的大腦會快速處理它們，并以一種有別于背景或環(huán)境聲音的方式，這是有意義的。
如果言語和產(chǎn)生它們的聲音，那么很早就自然地處理，那么也許其他類型的聲音也是如此。要了解，Hamilton和其他人希望對更廣泛的聽覺輸入進行實驗——環(huán)境聲音、音樂、在背景噪音中而不是在沉默中說話——以檢驗不同類型的并行處理可能在何時何地發(fā)生。
“我們才剛剛開始能夠剖析這一過程的組成部分，”南加州大學(University of Southern California)的神經(jīng)科學家Robert Shannon說。他補充說，也許表現(xiàn)的形成將不僅僅是在上升的層級或整齊的平行路徑中，而是具有如此多的并行性和復雜性，以至于“更像是一場閃電風暴”。
Nelken說，“這是一幅關(guān)于感覺系統(tǒng)如何工作的完全不同的畫面。”
參考：
To Pay Attention, the Brain Uses Filters, Not a Spotlight
How the Brain Links Gestures, Perception and Meaning
The Brain Reshapes Our Malleable Senses to Fit the World
原文：https://www.quantamagazine.org/the-brain-processes-speech-in-parallel-with-other-sounds-20211021/
本文轉(zhuǎn)自公眾號腦機接口社區(qū)·
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