大腦是如何聽懂語言的?幾十年來，科學(xué)家們一直認(rèn)為聽覺皮層中的語音處理就像工廠的流水線一樣，按照先后不同處理工序串聯(lián)在一起，最終轉(zhuǎn)化成有意義的單詞。

然而這一理論近日遭到了挑戰(zhàn)，一項發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的研究結(jié)果表明，大腦對聽覺和語言的處理是并行進(jìn)行的。

這種語音處理的并行性質(zhì)推翻了長期以來的相關(guān)假設(shè)，可能會為醫(yī)生提供新的思路，以治療患有閱讀障礙等問題的兒童，幫助他們順利識別語音。

傳統(tǒng)假設(shè)中大腦如何“聽懂”語言

“人腦在聽覺環(huán)境中處理語音信息時，傳統(tǒng)理論認(rèn)為聽覺皮質(zhì)處理信息的過程是自上而下的。當(dāng)含有語意的聲音傳到耳中，耳蝸將其轉(zhuǎn)換成電信號，在初級聽覺皮層分析聲譜，在次級聽覺區(qū)域提取音素，在外側(cè)和腹側(cè)顳葉皮層提取單詞，頂葉和額葉區(qū)域基于語法和語義屬性并結(jié)合時間信息，進(jìn)行單詞順序推斷并最終理解句子的含義。”天津大學(xué)醫(yī)學(xué)部副主任、智能醫(yī)學(xué)工程教育部工程研究中心副主任倪廣健介紹。

“語音感知的經(jīng)典層次模型是假設(shè)聲音信息首先在初級聽覺皮層接收，然后通過與外側(cè)顳上回連接轉(zhuǎn)化為更復(fù)雜的表征。”倪廣健說，這是因?yàn)橄惹坝嘘P(guān)聽覺機(jī)制的研究主要基于解剖模型，認(rèn)為大腦遵循一種從初級到高級的層次漸進(jìn)處理模式，高級聽覺區(qū)域?qū)?fù)雜的語音和音樂有更強(qiáng)的反應(yīng)。

一直以來，這一理論缺乏直接證據(jù)的支持，因?yàn)樗枰麄€聽覺皮層在極高時空分辨率的條件下記錄詳細(xì)的神經(jīng)生理學(xué)信息。但是初級聽覺皮層位于大腦額葉和顳葉的深處，因此想進(jìn)行探究并不容易。

此次最新研究對人類初級和次級聽覺皮層功能組織的研究結(jié)論與先前一致，但在赫氏回和顳上回的起始區(qū)發(fā)現(xiàn)了早期獨(dú)立處理的證據(jù)，而非傳統(tǒng)認(rèn)為的遵循語音簡單串行的皮層處理層次。可以確定的是，皮層前部和中部顳上回，具有明顯的并行處理和潛在的長潛伏期串行處理，說明聽覺皮層具有分布式的專業(yè)處理單元，每個單元代表了語音信號中不同的聲學(xué)和語音線索，它們的組合創(chuàng)造了豐富的語音理解體驗(yàn)。

非侵入技術(shù)探究大腦受限于時空分辨率

目前，已有一些較為成熟的非侵入式技術(shù)用于研究大腦處理聽覺信息，例如具有較高空間分辨率的近紅外光譜NRIS、功能性核磁共振成像fMRI、腦磁圖MEG等，以及具有較高時間分辨率的腦電EEG等。

倪廣健舉例說，比如近紅外光譜通過測量血氧含量表征聽覺皮層的代謝狀況，就可以有效反映外界刺激下聽覺皮層的變化情況，具有噪聲低、抗環(huán)境干擾性強(qiáng)、成本相對較低、安全便攜、易于使用等優(yōu)點(diǎn)。

功能性核磁共振成像可探索大腦處理聽覺信息的過程，通過核磁共振造影來測量神經(jīng)元活動所引發(fā)的血液動力的改變，實(shí)現(xiàn)對特定大腦活動皮層區(qū)域進(jìn)行定位，具有準(zhǔn)確定位某些區(qū)域或某些疾病發(fā)病區(qū)域(如癲癇的病灶)的優(yōu)勢，在腦神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用相對較為廣泛。

“在靜息狀態(tài)下腦部自發(fā)的低頻活動的同步化現(xiàn)象廣泛存在于聽覺系統(tǒng)內(nèi)，因此功能性核磁共振成像能夠提供人類聽覺皮層不同功能和解剖區(qū)域如何相互作用的更完整的圖像，適合用于研究不同腦區(qū)之間的功能連接性。”倪廣健說。

另一方面，具有高時間分辨率的腦電技術(shù)因?yàn)榕c人工耳蝸的兼容性也使得腦電逐漸展現(xiàn)了臨床聽覺客觀評估研究的能力和潛力，使得大規(guī)模探索臨床人工耳蝸患者聽覺處理模式成為可能。

然而，上述非侵入式技術(shù)在空間分辨率和時間分辨率上往往無法兼具。倪廣健表示，單獨(dú)采用某一種非侵入性技術(shù)探索聽覺信息的處理過程時，會受限于有限的時間—空間分辨率，無法更好地探究局部異質(zhì)神經(jīng)元間的映射結(jié)果，因此無法具體回答語音表征問題。《細(xì)胞》雜志發(fā)表的新研究通過植入小電極陣列，創(chuàng)新性地突破了這一局限。

植入電極可繪制聽覺區(qū)域特征編碼圖

在此次發(fā)表的新研究中，小電極陣列被放置在受研究者的整個聽覺皮層中收集神經(jīng)信號。有9名患者參與了實(shí)驗(yàn)。因?yàn)樾枰谐X部腫瘤或定位引發(fā)癲癇的病灶，這些患者接受了神經(jīng)外科手術(shù)。與此同時，他們同意讓醫(yī)生在手術(shù)過程中將微電極陣列放置在他們的聽覺皮層，收集神經(jīng)信號，用于分析語言功能和定位癲癇，以及研究聽覺皮層如何處理語音信息。

“小電極陣列收集聽覺皮層神經(jīng)信號的方式，通俗來講就是通過電極直接捕獲皮層表面的神經(jīng)信號，由于外側(cè)顳上回暴露在外側(cè)顳葉，因此可通過皮層腦電圖記錄方法獲取。”倪廣健認(rèn)為，植入式電極克服了以往采用功能性核磁共振成像技術(shù)研究時不能很好探明腹側(cè)溝回等腦溝的問題。

在這個新研究中，皮層腦電圖的高時間分辨率，能夠探測赫氏回上的初級聽覺皮層到顳上回的層次結(jié)構(gòu)與聽語音和音調(diào)數(shù)據(jù)的一致程度。

“其從左顳平面的636個電極部位和顳上回獲取顱內(nèi)記錄，與以前的顱內(nèi)手術(shù)方法是不同的。”倪廣健解釋，以前的顱內(nèi)手術(shù)方法每次僅從這些區(qū)域中的一個區(qū)域進(jìn)行零碎取樣，而此顯微手術(shù)進(jìn)入外側(cè)裂可同時記錄人類聽覺皮層所有區(qū)域?qū)φZ音的高度異質(zhì)性反應(yīng)。

此外，該工作采用的高密度電極網(wǎng)格使得同時記錄人類顳葉聽覺皮層多個亞區(qū)的神經(jīng)活動成為可能，因此能夠確定聽覺信息處理的流程，以及發(fā)現(xiàn)語音信號中的線索是如何跨聽覺皮層進(jìn)行映射的。

“這種分析需要對自然語音和實(shí)驗(yàn)控制的簡單聲音刺激的神經(jīng)反應(yīng)進(jìn)行采樣，同時對所有皮層聽覺區(qū)域進(jìn)行采樣，在初級和高階聽覺區(qū)域繪制一張全面的特征編碼圖，從而能夠?qū)π畔⒘髂Ｐ秃推颖碚鬓D(zhuǎn)換進(jìn)行有意義的評估。”倪廣健說。

在這項研究中，當(dāng)為參與者播放短語和句子時，位于顳上回中的某些區(qū)域的反應(yīng)速度與初級聽覺皮層一樣快，這表明這兩個區(qū)域同時開始處理聲學(xué)信息。

倪廣健介紹，該工作還進(jìn)一步評估了每個區(qū)域在語音處理中的作用，探索激活的時間和順序，每個區(qū)域中簡單和復(fù)雜聲音表征的性質(zhì)，以及它們在功能性和外科消融的語音理解中的因果作用。

“植入電極的方式在大腦的其他研究領(lǐng)域中已有不少成功典范，例如腦控打字，準(zhǔn)確率已達(dá)到90%以上;基于皮層腦電的語音重構(gòu)，句子的整體準(zhǔn)確率已達(dá)到60%;腦控機(jī)器人，解碼運(yùn)動狀態(tài)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的控制等等。”倪廣健表示，植入電極有助于采集到高質(zhì)量的神經(jīng)電活動，具有較高的時空分辨率，比較適合機(jī)制機(jī)理方向的研究，從而探明腦部或者神經(jīng)性系統(tǒng)疾病的成因及提供治療手段。而非侵入式技術(shù)則由于其無創(chuàng)的特點(diǎn)，具有更加廣泛的應(yīng)用場景。(記者 陳 曦)

關(guān)鍵詞： 大腦語音處理 多線程工作 大腦 語言