小電極陣列收集聽(tīng)覺(jué)皮層神經(jīng)信號(hào)的方式，通俗來(lái)講就是通過(guò)電極直接捕獲皮層表面的神經(jīng)信號(hào)，由于外側(cè)顳上回暴露在外側(cè)顳葉，因此可通過(guò)皮層腦電圖記錄方法獲取。

　　——倪廣健 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

◎本報(bào)記者 陳 曦

　　大腦是如何聽(tīng)懂語(yǔ)言的？幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直認(rèn)為聽(tīng)覺(jué)皮層中的語(yǔ)音處理就像工廠(chǎng)的流水線(xiàn)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(xiàng)發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的研究結(jié)果表明，大腦對(duì)聽(tīng)覺(jué)和語(yǔ)言的處理是并行進(jìn)行的。

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

　　傳統(tǒng)假設(shè)中大腦如何“聽(tīng)懂”語(yǔ)言

　　“人腦在聽(tīng)覺(jué)環(huán)境中處理語(yǔ)音信息時(shí)，傳統(tǒng)理論認(rèn)為聽(tīng)覺(jué)皮質(zhì)處理信息的過(guò)程是自上而下的。當(dāng)含有語(yǔ)意的聲音傳到耳中，耳蝸將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層分析聲譜，在次級(jí)聽(tīng)覺(jué)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(yǔ)法和語(yǔ)義屬性并結(jié)合時(shí)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(yǔ)音感知的經(jīng)典層次模型是假設(shè)聲音信息首先在初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層接收，然后通過(guò)與外側(cè)顳上回連接轉(zhuǎn)化為更復(fù)雜的表征?！蹦邚V健說(shuō)，這是因?yàn)橄惹坝嘘P(guān)聽(tīng)覺(jué)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(jí)到高級(jí)的層次漸進(jìn)處理模式，高級(jí)聽(tīng)覺(jué)區(qū)域?qū)?fù)雜的語(yǔ)音和音樂(lè)有更強(qiáng)的反應(yīng)。

　　一直以來(lái)，這一理論缺乏直接證據(jù)的支持，因?yàn)樗枰麄€(gè)聽(tīng)覺(jué)皮層在極高時(shí)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(jí)聽(tīng)覺(jué)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(duì)人類(lèi)初級(jí)和次級(jí)聽(tīng)覺(jué)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(yǔ)音簡(jiǎn)單串行的皮層處理層次?？梢源_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(zhǎng)潛伏期串行處理，說(shuō)明聽(tīng)覺(jué)皮層具有分布式的專(zhuān)業(yè)處理單元，每個(gè)單元代表了語(yǔ)音信號(hào)中不同的聲學(xué)和語(yǔ)音線(xiàn)索，它們的組合創(chuàng)造了豐富的語(yǔ)音理解體驗(yàn)。

　　非侵入技術(shù)探究大腦受限于時(shí)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(tīng)覺(jué)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(shí)間分辨率的腦電EEG等。

　　倪廣健舉例說(shuō)，比如近紅外光譜通過(guò)測(cè)量血氧含量表征聽(tīng)覺(jué)皮層的代謝狀況，就可以有效反映外界刺激下聽(tīng)覺(jué)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(duì)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(tīng)覺(jué)信息的過(guò)程，通過(guò)核磁共振造影來(lái)測(cè)量神經(jīng)元活動(dòng)所引發(fā)的血液動(dòng)力的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定大腦活動(dòng)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(shì)，在腦神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)較為廣泛。

　　“在靜息狀態(tài)下腦部自發(fā)的低頻活動(dòng)的同步化現(xiàn)象廣泛存在于聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)內(nèi)，因此功能性核磁共振成像能夠提供人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)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?！蹦邚V健說(shuō)。

　　另一方面，具有高時(shí)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(tīng)覺(jué)客觀評(píng)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(tīng)覺(jué)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(shí)間分辨率上往往無(wú)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(tīng)覺(jué)信息的處理過(guò)程時(shí)，會(huì)受限于有限的時(shí)間—空間分辨率，無(wú)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(wú)法具體回答語(yǔ)音表征問(wèn)題?！都?xì)胞》雜志發(fā)表的新研究通過(guò)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(tīng)覺(jué)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(gè)聽(tīng)覺(jué)皮層中收集神經(jīng)信號(hào)。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(shí)，他們同意讓醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中將微電極陣列放置在他們的聽(tīng)覺(jué)皮層，收集神經(jīng)信號(hào)，用于分析語(yǔ)言功能和定位癲癇，以及研究聽(tīng)覺(jué)皮層如何處理語(yǔ)音信息。

　　“小電極陣列收集聽(tīng)覺(jué)皮層神經(jīng)信號(hào)的方式，通俗來(lái)講就是通過(guò)電極直接捕獲皮層表面的神經(jīng)信號(hào)，由于外側(cè)顳上回暴露在外側(cè)顳葉，因此可通過(guò)皮層腦電圖記錄方法獲取?！蹦邚V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(shí)不能很好探明腹側(cè)溝回等腦溝的問(wèn)題。

　　在這個(gè)新研究中，皮層腦電圖的高時(shí)間分辨率，能夠探測(cè)赫氏回上的初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層到顳上回的層次結(jié)構(gòu)與聽(tīng)語(yǔ)音和音調(diào)數(shù)據(jù)的一致程度。

　　“其從左顳平面的636個(gè)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?！蹦邚V健解釋?zhuān)郧暗娘B內(nèi)手術(shù)方法每次僅從這些區(qū)域中的一個(gè)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(shí)記錄人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)皮層所有區(qū)域?qū)φZ(yǔ)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(shí)記錄人類(lèi)顳葉聽(tīng)覺(jué)皮層多個(gè)亞區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)成為可能，因此能夠確定聽(tīng)覺(jué)信息處理的流程，以及發(fā)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)中的線(xiàn)索是如何跨聽(tīng)覺(jué)皮層進(jìn)行映射的。

　　“這種分析需要對(duì)自然語(yǔ)音和實(shí)驗(yàn)控制的簡(jiǎn)單聲音刺激的神經(jīng)反應(yīng)進(jìn)行采樣，同時(shí)對(duì)所有皮層聽(tīng)覺(jué)區(qū)域進(jìn)行采樣，在初級(jí)和高階聽(tīng)覺(jué)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(píng)估?！蹦邚V健說(shuō)。

　　在這項(xiàng)研究中，當(dāng)為參與者播放短語(yǔ)和句子時(shí)，位于顳上回中的某些區(qū)域的反應(yīng)速度與初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層一樣快，這表明這兩個(gè)區(qū)域同時(shí)開(kāi)始處理聲學(xué)信息。

　　倪廣健介紹，該工作還進(jìn)一步評(píng)估了每個(gè)區(qū)域在語(yǔ)音處理中的作用，探索激活的時(shí)間和順序，每個(gè)區(qū)域中簡(jiǎn)單和復(fù)雜聲音表征的性質(zhì)，以及它們?cè)诠δ苄院屯饪葡诘恼Z(yǔ)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(yǔ)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(dòng)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(dòng)，具有較高的時(shí)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(wú)創(chuàng)的特點(diǎn)，具有更加廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

（《科技日?qǐng)?bào)》2021年9月9日第  5  版。）