相信我們每人都會有這樣的體驗(yàn)，即便是在嘈雜的環(huán)境中，對于熟悉的聲音我們都能夠準(zhǔn)確識別出來。這看似一個稀松平常的事件，但是在這背后卻存在著一個長期難以解決科學(xué)問題：大腦的聽覺中樞如何以閃電般的速度放大并解碼一個聲音？

近日，美國哥倫比亞大學(xué)神經(jīng)工程學(xué)院的一個研究團(tuán)隊(duì)揭示了這種現(xiàn)象背后的大腦運(yùn)行機(jī)制，并在《Neuron》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。此外，Nima Mesgarani博士還宣布：在這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上開發(fā)出一款新型的助聽器。這款助聽器使用腦機(jī)接口（BCI），在語音合成器的幫助下將腦波模式轉(zhuǎn)換為語音。

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.09.007

早在2012年，哥倫比亞大學(xué)Mortimer B. Zuckerman大腦研究所Nima Mesgarani博士所在的團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：人類大腦對聽到的聲音是有選擇性的。當(dāng)一個人聽別人說話時，他們的腦電波會發(fā)生變化，以識別說話人的聲音特征，進(jìn)而忽略其他聲音。

解碼聲音兩步走戰(zhàn)略

大腦中有一塊神奇的區(qū)域——聽覺皮層，當(dāng)外部世界雜亂的聲波通過內(nèi)耳向大腦傳遞信號時，聽覺皮層便能準(zhǔn)確地從雜亂的聲音中挑出有意義地信息傳遞給大腦。聽覺皮層是有層次的，每一層都會對聲音進(jìn)行不同程度的解碼。其中有兩個層次結(jié)構(gòu)是：顳橫回(HG)和顳上回(STG)。研究人員發(fā)現(xiàn)來自內(nèi)耳的信息首先到達(dá)HG，然后通過它到達(dá)STG。

Nima Mesgarani和James O'Sullivan博士

研究人員找到了一些癲癇患者，其中一些人需要定期接受腦部手術(shù)。Nima Mesgarani和James O'Sullivan博士通過給患者植入電極以監(jiān)測HG或STG區(qū)域的腦電波。電極的作用在于幫助研究人員明確區(qū)分HG和STG這兩個大腦皮層在解碼聲音時的作用。

癲癇患者的神經(jīng)反應(yīng)

數(shù)據(jù)顯示，HG創(chuàng)造了一個豐富的、多維度的混合聲音，每一種聲音以不同的頻率顯示出來，在HG這個地區(qū)，大腦會“一視同仁”，并沒有表現(xiàn)出對某種聲音的偏愛，而是平等地對待每一種聲音。然而，從STG收集的數(shù)據(jù)似乎講述了一個截然不同的故事。通過權(quán)衡HG發(fā)出的信號，STG區(qū)域便會過濾掉一些聲音，留下一種頻率的聲音進(jìn)行放大。

聽覺對象在HG和STG中的表現(xiàn)

綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)揭示了聽覺皮層這兩個區(qū)域的職責(zé)劃分：HG進(jìn)行編碼，而STG進(jìn)行選擇。而這一切發(fā)生在150毫秒左右，對人類來說就是一眨眼的功夫。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)STG的其他作用。在進(jìn)行選擇后，STG區(qū)域會對一種聲音形成一個印象，即使語音被另一位發(fā)言者所覆蓋（例如，兩個人彼此交談時），STG仍可以將所需的講話者表示為一個統(tǒng)一的整體，不受競爭聲音的音量影響。

新型助聽器給耳聾患者帶來福音

這項(xiàng)研究中收集到的信息可以作為人工模仿這一生物過程算法的基礎(chǔ)，進(jìn)而更好地應(yīng)用在助聽器中。在今年早些時候，Mesgarani博士和他的團(tuán)隊(duì)宣布開發(fā)了一種大腦控制的助聽器，這對于耳聾或是癲癇患者而言無疑是一大福音。

據(jù)了解，新研發(fā)的腦機(jī)接口的助聽器擁有與Apple Siri相同技術(shù)，能夠?qū)θ粘Ｉ畹膯栴}進(jìn)行口頭答復(fù)。研究人員計劃在越來越復(fù)雜的場景中研究HG和STG的活動，這些場景具有更多的說話者或包含視覺提示。這些努力將有助于為聽覺皮層的每個區(qū)域如何運(yùn)作提供詳細(xì)而精確的圖像。

軍事優(yōu)先應(yīng)用？

值得一提的是，這項(xiàng)技術(shù)是美國國防高級研究計劃局（DARPA）的一個研究結(jié)果，DARPA與軍事用戶合作，完善了用于作戰(zhàn)用途的個性化學(xué)習(xí)（PAL），并與國防采購界合作，將PAL技術(shù)轉(zhuǎn)換為軍事系統(tǒng)。

您認(rèn)為Mesgarani博士的這款使用BCI和聲碼器將腦波轉(zhuǎn)換為語音的助聽器會首先用于軍事還是醫(yī)療保健呢？

參考資料：

[1] How the brain dials up the volume to hear someone in a crowd

[2] Hierarchical Encoding of Attended Auditory Objects in Multi-talker Speech Perception