用神经科学挑战我们的眼睛和耳朵

先天性失音症是一种神经发育障碍，它限制了个体处理音调细微差别的能力，通常被简称为音盲。

香港理工大学的神经语言学家张彩彩解释说:“失语症患者不能很好地分辨出音乐旋律和轻微走调的版本之间的区别。”他们也可能很难识别熟悉的曲调，或者，对于被称为节拍失聪的失音症的一种亚型，他们很难与节奏同步。

将这些缺陷称为“耳聋”可能会让外行认为失音症患者听不到某些音调，但神经科学对毫秒的分析却讲述了一个不同的故事。

有音乐倾向的大脑可能能够接收到与有音乐倾向的大脑相同的音高信息;他们可能只是没有那么深入地处理它。

张教授解释说，这些人接受听觉输入的能力在机械层面上似乎基本完好。相反，她的研究支持了这样一种观点，即失音症可能源于大脑将意识注意力引导到区分相似音调的能力下降。

也就是说，有音乐倾向的大脑可能能够接收到所有相同的音高信息;他们可能只是没有那么深入地处理它。事实上，一些研究甚至发现，患有失忆症的人可以模仿他们无法有意识地感知的音调模式。

“(音乐大脑)实际上可以跟踪音高变化，就像那些不注意音高刺激的典型听众一样，但当他们必须注意并积极检测音高变化时，这些大脑就会功能失调，”张说到这一区别。

注意的是笔记

张和他的同事彭刚、邵静和威廉·s - y认为，区别在于失音症是否影响大脑中的有意识或无意识过程。王(香港理工大学和中国深圳先进技术学院)在2017年的一份报告中写道这项研究篇文章。这是神经科学唯一能处理的瞬间区别。

张说:“和任何其他神经发育障碍一样，为了充分了解失语症，我们需要超越行为症状，深入研究神经基础。”“考虑到功能性fMRI(功能性磁共振成像)和脑电图(脑电图)出色的空间和时间分辨率，它们特别适合于了解失忆症患者大脑损伤发生的‘何时何地’。”

“与任何其他神经发育障碍一样，为了充分了解失语症，我们需要超越行为症状，探索神经基础。”

张彩才(香港理工大学)

之前对非音调语言(如英语)使用者的研究发现，失音症的音调缺陷反映在这些人的右额下回活动减少上，该区域通常与音乐处理有关。但相对而言，很少有研究研究失音症是如何在声调语言使用者的大脑中表现出来的，张和他的同事写道。

张和他的同事解释说，音调处理对于说粤语和普通话等声调语言的人来说尤其重要，在这些语言中，单词的区分不仅取决于发音，还取决于音调(高、中、低;上升、持平或下降)。例如，粤语中“医生”的发音音调很高;用同样的方式发音并且低声说，这个词就变成了“second”。有音调语言使用者与无音调语言使用者的失音症在大脑中的表现可能不同。

张和他的同事在2017年对22名说粤语的人进行了功能磁共振成像研究，其中一半人患有失语症。当研究人员在功能磁共半岛体育官方网址入口振成像下观察他们时，参与者听到了一组粤语单词(“医生”，“意义”和“第二”)，以及一组与这些单词的音调相匹配的三个钢琴音符。

在对这些语言和音乐刺激做出反应时，具有典型音高处理能力的参与者在右侧颞上回(与语言处理有关的区域)和小脑(与刺激习惯化有关的区域)表现出活动。另一方面，患有失语症的人没有表现出这种活动。此外，当重复刺激时，第一组参与者的右额中回(与注意力重新定向有关的区域)和楔前叶(与情景记忆和自我意识有关的区域)的活动减少。相比之下，音乐型个体的激活仍然异常强烈，就像他们第一次听到单词和音调一样。

“这似乎表明，在注意重复的音高刺激或将重复的音高刺激编码到工作记忆方面存在缺陷，”张和同事写道。

失忆症和注意力

另一项研究发表在科学杂志:临床2019年，张和邵进一步调查了失语症是如何影响注意力和记忆的，他们研究了有和没有失语症的广东人是如何解释不同个体说话的差异的。这种能力，在说话的上下文中被称为说话者标准化，允许听者使用音调之间的相对差异来识别音素或声音单位，尽管每个说话者的音域不同，但它们组成了一种语言。张和他的同事解释说，这种能力对于讲声调语言的人来说尤其重要，但它也可以让讲任何语言的人，例如，当一首歌以不同的音调演奏时，认出它。

在这项研究中，48名参与者(其中一半患有失音症)听了单人的录音，并由两组说话者交替朗读前一项研究中使用的三个音调不同的粤语单词。参与者的任务是每次检测到音调变化就按下一个按钮。在这项任务中，他们大脑中的电活动被脑电图监测了大约800毫秒。

正如预期的那样，患有失语症的参与者在识别音调变化方面不太准确。他们的大脑活动模式，或事件相关电位，对语言刺激的反应也与典型的听者明显不同。两组参与者在第一时间范围内都表现出显著的活动，这时听者被认为在进行听觉处理。从那里开始，当听者被认为开始将有意识的注意力引导到新的刺激时，患有失语症的参与者表现出下一个活动爆发的速度较慢，然后在与注意力技能和分类相关的时间范围内表现出活动减少。

“这些发现在很大程度上与假设相一致，即失音在早期听觉处理中相对完整，在后期有意识的感知评估或音调刺激分类中主要受损，”Zhang和Shao写道。

反馈、前馈

失音症似乎降低了对音调的敏感性，至少在一定程度上是因为它阻碍了大脑存储和回忆以前经历过的音调的能力。正常运转的大脑会利用之前感官体验的信息对当前体验做出即时预测，以便更有效地处理输入信息。

“大脑不仅仅是适应重复输入，”André M. Bastos(麻省理工学院)和他的同事在2020年发表在《科学》杂志上的一项研究中解释道美国国家科学院院刊s.“各种各样的证据表明，大脑对世界的思维模式能够积极地产生预测。”

“大脑不仅仅是适应重复输入……各种各样的证据表明，大脑对世界的思维模式能够积极地产生预测。”

André M. Bastos(麻省理工学院)及其同事

这个过程被称为预测编码，它允许大脑抑制对预期刺激的处理，同时“前馈”违反这些预测的刺激以进行进一步处理。这种对不可预测的刺激的额外处理，被称为预测错误，允许大脑更新其心智模型。在2020年的研究中，巴斯托斯在两只经过训练执行简单视觉匹配任务的猕猴的大脑中植入层流神经记录探针，从而检查了处理预测所涉及的神经机制。

层流神经记录允许研究人员通过在大脑皮层植入薄金属探针来监测大脑中半岛体育官方网址入口不同频率的电活动。然后，探针可以检测皮层各层形成的“微回路”内的电活动流，以及从感觉受体进入皮层的活动，以及从参与高级处理的大脑其他区域进出的活动。

在视觉皮层的情况下，巴斯托斯和他的同事在2015年发表的一项研究中解释说神经元，神经记录揭示了一种活动模式，其中皮层的表层表层以伽马波(40-90 Hz)的形式从眼睛发送“前馈”感觉信息，以满足皮层底层使用大脑中更高视觉区域的信息(以α / β波(8-30 Hz)的形式发送的预测。

在2020年的研究中，巴斯托斯和同事们发现，当传入的感官信息与预测不符时，这种差异(或“错误”)会产生更多的神经元峰值和高频伽马波，感官信息通过这些波被发送到大脑的其他地方进行进一步处理。当刺激符合预期模式时——也就是说，当大脑的预测被发现是正确的——巴斯托斯和同事们反而在皮层的底层检测到更多的低频α / β波，这表明自上而下的过程抑制了伽马波的产生，从而抑制了刺激的进一步处理。在这种情况下，猕猴可以说是“看到”了它的预测，而不是真正在它面前的东西。

“大脑利用可预测性……它使大脑皮层处理更有效率。”

André M. Bastos(麻省理工学院)及其同事

巴斯托斯及其同事写道:“当刺激是可预测的时，这些有节奏的、特定层的机制会准备和抑制感觉皮层中处理预测刺激的列。”“在没有这些特定通路预测信号的情况下，感官样本会得到更强的处理。”

研究人员指出，这表明大脑中并没有专门的电路来计算预测错误。半岛体育官方网址入口相反，不管视觉输入是否需要额外处理，预测路由都使用相同的皮层电路。当预测是正确的，alpha/beta波能够抑制进一步的处理，因为预测是通过相同的电路，否则将处理意想不到的信息。巴斯托斯和他的同事把这个模型称为“预测路由”。其核心思想是，大脑通过减少可预测路线上的神经流量来优化信息处理。

“大脑利用了可预测性，”研究人员解释道。半岛体育官方网址入口“它使大脑皮层处理更有效率。”

巴斯托斯说，大脑总是在调整它对预测的依赖程度，并更新它对世界的思维模式。在一个非常熟悉的环境中，预测可能足以指导我们，只需要偶尔从周围环境中获得更新。但在更动态或新的环境中，他继续说，我们需要少依赖预测，多依赖自下而上的感官数据，否则我们可能会把一个不准确的世界模型误认为现实。巴斯托斯解释说，过于紧张和消极的内部世界模型可能是抑郁症等大脑疾病的基础。未来的研究可能有助于揭示药物和其他疗法是否能帮助人们改变大脑依赖预测和感官输入的平衡，以及这一过程在多大程度上可以被有意识地控制。

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以“感官的秘密”为题发表在3 / 4月刊的印刷版上。

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参考文献

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巴斯托斯，A. M.，伦德奎斯特，M.，韦特，A. S.，科佩尔，N. &米勒，E. K.(2020)。预测路由的层和节奏特异性。美国国家科学院院刊年代,117(49), 31459 - 31469。https://doi.org/10.1073/pnas.2014868117

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张超，邵杰(2019)。典型粤语听者与先天性音乐者的说话者正常化:来自事件相关潜能的证据。科学杂志:临床。https://doi.org/10.1016/j.nicl.2019.101814