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高细微差别的能力，通常被简单地称为音聋。

香港理工大学的神经语言学家张彩财解释说:“失音症患者听不清音乐旋律和稍微失音的版本之间的区别。”他们也可能难以识别熟悉的曲调，或者，对于患有一种被称为节拍性耳聋的失音症亚型的人来说，他们很难与节奏同步。

将这些缺陷称为“耳聋”，外行人可能会认为失音症患者听不到某些音调，但神经科学实现的毫秒到毫秒的分析却告诉了我们一个不同的故事。

音乐大脑可能能够接收到所有与音乐倾向的大脑相同的音高信息;他们可能只是没有准备好深入地处理它。

这些人接受听觉输入的能力似乎在机械层面上基本完好无损，张解释说。相反，她的工作支持这样一种观点，即失音症可能是由于大脑引导有意识的注意力区分相似音调的能力下降而引起的。

也就是说，音乐大脑可能能够接收到所有与音乐倾向的大脑相同的音高信息;他们可能只是没有准备好深入地处理它。事实上，一些研究甚至发现，患有失音症的人可以模仿他们无法有意识感知的音高模式。

“(音乐大脑)实际上可以像那些不注意音高刺激的典型听众一样跟踪音高的变化，但是当他们必须注意并主动检测音高变化时，这些大脑就会变得功能失调，”张说。

注意的是笔记

Zhang和他的同事Gang Peng, Jing Shao以及William S.-Y说，这种差异归结于失音症是否会影响大脑中的有意识或无意识过程。王先生(香港理工大学和中国深圳先进技术研究院)在2017年的一篇文章中写道这项研究篇文章。这是神经科学唯一能够解决的瞬间区别。

张说:“和其他神经发育障碍一样，为了充分了解失音症，我们需要超越行为症状，深入研究神经基质。”“鉴于功能性核磁共振成像和脑电图具有出色的空间和时间分辨率，它们特别适合于了解失音症患者大脑中的损伤发生在‘哪里’和‘何时’。”

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

张彩才(香港理工大学)

先前对说非调性语言(如英语)的人的研究发现，失音症的调性缺陷反映在这些人的右额下回活动减少上，额下回通常与音乐处理有关。但是张和他的同事们写道，相对而言，很少有研究调查失音症是如何在说声调语言的人的大脑中表现出来的。

张和他的同事解释说，音高处理对于讲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，单词不仅通过发音而且通过音高(高、中、低)来区分;上升、平坦或下降)。例如，广东话中“医生”一词的声调很高;同样的发音和低音调，这个词就变成了“second”。说声调语言的人与说非声调语言的人的失音症在大脑中的表现可能不同。

Zhang及其同事在2017年对22名说粤语的人进行了fMRI研究，研究了音高处理过程，其中一半人患有失音症。当研究人员在功能磁共金宝搏官网登录振成像下观察他们时，参与者听到了一组三个粤语单词，只有它们的对比音调(“医生”、“意思”和“第二”)和一组三个与这些单词的音调相匹配的钢琴音符。

在对这些语言和音乐刺激的反应中，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(与刺激习惯有关的区域)表现出活动。另一方面，失音症患者没有表现出这种活动。此外，第一组参与者在重复刺激时表现出右侧额叶中回(一个与重新定向注意力有关的区域)和楔前叶(一个与情景记忆和自我意识有关的区域)的活动减少。相比之下，听音乐的人的激活仍然异常强烈，就好像他们是第一次听到单词和音调一样。

张和他的同事写道:“这似乎表明，在关注重复的音调刺激或将重复的音调刺激编码为工作记忆方面存在缺陷。”

失音症和注意力

在另一项发表于科学杂志:临床2019年，Zhang和Shao进一步研究了失音症如何影响注意力和记忆，研究了有和没有失音症的广东话人士如何解释不同个体的语言差异。这种能力，在言语的语境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构成语言的音素或声音单位，尽管每个说话者的声音范围不同。张和他的同事解释说，这种能力对说声调语言的人来说尤其重要，但它也允许说任何语言的人，例如，当一首歌以不同的音调播放时，识别出它。

在这项研究中，48名参与者，其中一半患有失音症，听录音，录音中分别是单个人和两组人轮流朗读三个声调截然不同的粤语单词，这些单词在之前的研究中使用过。参与者被要求在每次检测到音调变化时按下一个按钮。在这项任务中，脑电图监测了他们大脑中大约800毫秒的电活动。

不出所料，患有失音症的参与者识别音调变化的准确性较低。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明显不同于典型的听众。两组的参与者在第一个时间范围内都表现出了显著的活动，当时听众被认为在进行听觉处理。从那时起，当听众被认为开始将有意识的注意力转向新的刺激时，患有失音症的参与者表现出下一次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。

张和邵写道:“这些发现在很大程度上与假设一致，即音乐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高刺激分类中主要受损。”

反馈、前馈

失音症似乎降低了对音高的敏感度，至少部分原因是阻碍了大脑储存和回忆以前经历过的音调的能力。正常运作的大脑利用以往感官体验的信息，对当前体验进行即时预测，以便更有效地处理输入信息。

“大脑不仅仅是适应重复的输入，”麻省理工学院的安德烈·m·巴斯托斯和他的同事在2020年发表在《科学》杂志上的一项研究中解释说美国国家科学院院刊“各种各样的证据表明，它使世界的心理模型积极地产生预测。”

“大脑不仅仅是适应重复的输入……各种各样的证据表明，它使世界的心理模型积极地产生预测。”

安德鲁·m·巴斯托斯(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，同时将违反这些预测的刺激“前馈”给进一步的处理。这种对不可预测的刺激的额外处理，被称为预测误差，允许大脑更新其心理模型。在2020年的研究中，巴斯托斯通过在两只猕猴的大脑中植入层流神经记录探针，研究了处理预测过程中涉及的神经机制，这两只猕猴经过训练，可以执行简单的视觉匹配任务。

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金宝搏官网登录不同频率的电活动。然后，探针可以检测到由皮层层形成的“微电路”内的电活动流，以及从感觉受体进入皮层的活动，以及从大脑中参与高级处理的其他区域进出的活动。

以视觉皮层为例，巴斯托斯和他的同事在2015年发表在《科学》杂志上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，在这种模式中，皮层的表层以伽马波(40-90赫兹)的形式发送来自眼睛的“前馈”感觉信息，以满足皮层的底层使用来自大脑高级视觉区域的信息，以α / β波(8-30赫兹)的形式发送的预测。

在他们2020年的研究中，巴斯托斯和同事们发现，当传入的感觉信息与预测不匹配时，这种差异(或“错误”)会产生更多的神经元峰值和高频伽马波，通过这种方式，感觉信息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时候，巴斯托斯和他的同事在大脑皮层的底层发现了更多的低频α / β波，这表明一个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，而不是真正摆在它面前的东西。

“大脑利用可预测性……它使大脑皮层的处理更有效。”

安德鲁·m·巴斯托斯(麻省理工学院)及其同事

巴斯托斯和他的同事们写道:“当刺激是可预测的，这些有节奏的、层特异性的机制就会在处理可预测的刺激的感觉皮层中形成和抑制柱。”“在没有这些特定途径的预测信号的情况下，感官样本会接受更强的处理。”

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误差。金宝搏官网登录相反，无论视觉输入是否需要额外的处理，预测路径都使用相同的皮层回路。当预测是正确的，α / β波能够抑制进一步的处理，因为预测是通过相同的电路路由，否则将处理意外的信息。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，大脑通过减少沿可预测路线的神经流量来优化信息处理。

“大脑利用可预测性，”研究人员解释说。金宝搏官网登录“它使大脑皮层的处理更有效。”

巴斯托斯说，大脑总是在调整它对预测的依赖程度，并更新它对世界的心理模型。在一个高度熟悉的环境中，预测可能足以指导我们，只是偶尔从我们的环境中更新。但在更动态的或新的环境中，他继续说，我们需要减少对预测的依赖，更多地依赖自下而上的感官数据，否则我们就有可能把一个不准确的世界模型误认为现实。巴斯托斯解释说，例如，过度紧张和消极的世界内部模型可能是抑郁症等脑部疾病的基础。未来的研究可能有助于揭示药物和其他疗法是否可以帮助人们改变大脑依赖预测和感觉输入的平衡，以及这一过程可以在多大程度上被有意识地控制。

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刊登在3 / 4月刊的印刷版上，标题为“感官的秘密”。

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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.和米勒，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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