《细胞》：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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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。

▲神经科学家、神经外科医生Edward Chang教授（图片来源：UCSF）

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。

▲人脑左半球听觉皮层的位置和分区示意图（图片来源：参考资料[1]）

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。

▲通过电极直接记录信号和给予刺激发现语音信息处理的并行通路（图片来源：参考资料[1]）

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

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