2014年2月10日

大脑如何整理语音

大脑中的电子模式。 视频显示了在听完“他们的眼睛是什么”一句时在颞上回产生的电子模式。 加州大学旧金山分校

通过将微型传感器直接放置在大脑组织的顶部,科学家们可以查明当患者听句子时对特定声音有反应的神经元集。这一发现提供了关于我们的大脑如何处理听到的单词的见解,并且还可能为阅读障碍,自闭症和其他与语言有关的疾病提供线索。

长期以来,科学家已经认识到可以帮助我们检测并理解周围许多声音的大脑区域。已经使用成像技术(例如MRI和PET扫描)绘制了响应口语的区域。但是,人们对如何更好地解码和处理单词声音的细节知之甚少。

为了更仔细地研究,由加利福尼亚大学旧金山分校的爱德华·张(Edward F. Chang)博士领导的团队研究了6名志愿者,他们接受了接受脑部手术治疗严重癫痫的评估。每位患者的大脑表面都有250多个细小的电极阵列,可以检测出有缺陷的区域以进​​行手术切除。电极还使科学家能够测量脑细胞群对独特语音的反应。这项研究部分由美国国立卫生研究院(NIH)的聋哑及其他交流障碍国家研究所(NIDCD),美国国家神经病学和中风研究所(NINDS)以及美国国立卫生研究院主任的新创新奖资助。

科学家们分析了神经活动,而志愿者们则听取了400个不同的男性和女性所说的500个独特的句子。单词流包括英语的所有音素。音素是可以改变单词含义的最小声音单位,例如 b广告与 d广告。研究结果发表在2014年1月30日的《 科学。

研究人员发现,言语反应部位集中在颞上回(STG)上,后者是众所周知的在解码言语中起作用的大脑区域。然后,他们将分析重点放在这些STG电极上(每位患者37至102个位点)。口语句子被分解成与每个电极的神经活动时间匹配的音素序列。

研究人员确定,大多数STG电极对特定音素不是选择性的,而是对甚至称为语音特征的较小单位声音的组具有选择性。这些功能与舌头,嘴唇或声带发出声音的方式有关。例如,产生诸如p,b和d的辅音的空气脉冲被称为“爆炸”特征。柔和的辅音(例如s,z或v)来自有向气流,被归类为“摩擦音”。

分析表明,某些电极以特定类型的语音特征响应所有声音。其他人仅对具有特定特征的特征做出反应,例如持续时间不同的爆破音或从喉咙的不同部位发出的元音。

“这些地区分布在STG上,”第一作者,现在在哥伦比亚大学的Nima Mesgarani博士说。 “结果,当我们听到某人讲话时,当我们听到不同的语音元素流时,大脑的不同区域会“发光”。”

Chang补充说:“这是语音处理中非常有趣的一瞥。”这些发现可能不仅与交流障碍的治疗有关,而且与有助于产生或识别语音的设备的开发有关。

—由Vicki Contie

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参考文献: 人类上级颞回中的语音特征编码。 Mesgarani N,Cheung C,Johnson K,Chang EF。科学。 2014年1月30日。[Epub提前发行]。 PMID:24482117。

资金: 美国国立卫生研究院(NIH)的聋哑及其他交流障碍国家研究所(NIDCD),美国国立神经系统疾病与中风研究所(NINDS),美国国立卫生研究院主任的新创新奖;以及Ester A.和约瑟夫·克林根斯坦基金会。