Neurotech重建聽到的聲音 并探究人們是如何感知音樂的

你腦子里有沒有一首歌？加州大學伯克利分校神經(jīng)科學家團隊的一項新研究在了解音樂感知和認知的神經(jīng)基礎方面取得了重大進展，真正推動了與音樂相關的神經(jīng)科學的發(fā)展。

最近發(fā)表在PLOS Biology雜志上的這項研究結果（journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002176）顯示了人類大腦對音樂表演的反應。當我們的耳朵聽到一段歌曲片段后，它會被我們的耳蝸（內耳的螺旋腔）轉化為神經(jīng)元活動。Ludovic Bellier是加州大學伯克利分校Helen Wills神經(jīng)科學研究所的博士后，他研究大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡最終是如何“聽到”這些聲音的。

在他的團隊的實驗中，Bellier和同事分析了聽迷幻搖滾樂隊Pink Floyd歌曲的人的大腦活動。29名參與者是紐約州奧爾巴尼市奧爾巴尼醫(yī)療中心的癲癇患者。作為治療的一部分，這些患者的大腦表面植入了電子傳感器，他們被要求專心聽Pink Floyd的歌曲“Another Brick in the Wall”。研究人員記錄了每個腦電極的振蕩電位，這些測量被稱為皮層電圖記錄（ECoG），是反映每個電極周圍大腦小區(qū)域神經(jīng)活動的寬帶信號。

研究人員假設，每位患者記錄的ECoG信號反映了他們的大腦是如何感知為他們播放的音樂的。為了驗證他們的假設，并了解患者大腦中哪些區(qū)域最參與音樂感知，該團隊擬合模型，以重建歌曲的音頻頻譜圖，當以ECoG特征作為輸入時，音頻頻譜圖顯示了聲能在頻率上隨時間的分布。如果模型能夠在正則化訓練后準確地重建聲譜圖，那么ECoG特征必須反映關于向患者播放的音樂的一些信息。

根據(jù)Bellier的說法，研究小組能夠驗證他們的假設。通過使用多種類型的模型來重建聽覺信號，科學家們可以解碼出歌曲輸出音頻的至少部分可聽見的相似性。研究人員表示，據(jù)他們所知，他們的研究結果是第一份從ECoG數(shù)據(jù)中回歸的音樂音頻出版物。盡管原始音頻和重建音頻之間的相關性仍遠未達到1比1——統(tǒng)計r平方值為0.325——但當將一些模型的輸出轉換回音頻波形時，如果距離較遠，則可以將其識別為經(jīng)典歌曲。一種更復雜、更非線性的重建算法——所謂的多層感知器，或簡單的雙層人工神經(jīng)網(wǎng)絡——會產(chǎn)生0.429的更高r平方擬合值和更清晰的音頻重建。

為了測試大腦中哪些區(qū)域最參與音樂處理，研究人員在去除電極輸入的同時，對模型進行了相同的音頻重建任務訓練?？傊瑏碜运谢颊叩腅CoG數(shù)據(jù)覆蓋了大腦的大部分總表面積，因此科學家們能夠將大腦的許多潛在區(qū)域視為產(chǎn)生聽音樂體驗的關鍵參與者。

通過比較涉及所有大腦區(qū)域的模型和沒有涉及的模型之間的性能變化——有時稱為消融研究——研究人員能夠說出每個大腦區(qū)域提供了多少信息。換言之，如果當特定區(qū)域的電極被移除時，重建精度沒有大的變化，那么該區(qū)域就不會像音樂感知那樣參與其中。

從這個過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，去除從大腦左右兩側一個稱為顳上回（STG）的區(qū)域收集的腦電波數(shù)據(jù)會導致重建精度的最大下降。這個區(qū)域恰好位于耳朵附近，也被認為在語音處理中發(fā)揮著重要作用，因此它實際上可能在大腦處理復雜結構化聲音的能力中發(fā)揮更大的作用。

該團隊還發(fā)現(xiàn)，從左右STG中單獨去除數(shù)據(jù)特征對重建精度的影響顯著不同。這表明，參與者大腦右側STG的活動比左側STG有更多關于歌曲的信息。奇怪的是，該領域先前的研究表明，語音處理的情況似乎恰恰相反，左側STG通常比右側STG做更多的工作。Bellier說：“在95%的右撇子中，言語主要位于左半球。我們在論文中表明，音樂（在左右STG之間）分布更廣，但具有右側優(yōu)勢”——這意味著右側STG處理的音樂信息比左側多。”

“我們可以做一個非常簡單的后續(xù)跟進，”Bellier說。也就是說，本研究只考慮了70到150赫茲的高頻腦電波信息。然而，Bellier表示，根據(jù)ECoG信號的較低頻率范圍計算的音頻特征也可以對重要信息進行編碼。這就是為什么他說，該團隊計劃在當前論文中對不同頻率范圍的神經(jīng)活動重復相同的分析。正如論文所總結的那樣，該小組目前和未來的工作將增加“我們對人腦音樂處理理解的又一塊磚”。