脑电波是如何利用声波来处理语言的

转载许可从广达杂志的抽象博客。

W当他谈到他的神经科学和神经心理学领域走错了方向时，大卫Poeppel纽约大学没有贬低言辞。“有一个狂乱的数据，但很少的理解，”他对美国科学促进协会的一个包装的房间说会议2月。他谴责了实验的“认识论上的贫乏”，这些实验在实验室中进行计件工作，测量大脑的线路，但却脱离了任何关于自然世界中的行为和心理现象的指导理论。他说，认为简单地把这些碎片加起来就能最终得出复杂思维的有意义的图景，这是一种妄想。

他举了……的例子秀丽隐杆线虫蛔虫是最受研究的实验室动物之一。“这是一种我们完全了解的生物体，”他说，因为科学已经研究出了它的302个神经元中的每一个，它们所有的连接，以及蠕虫的全部基因组。“但我们还没有令人满意的模型来描述C. Elegans.,”他说。“我们遗漏了什么东西。”

Poeppel不仅仅是一个攻击现状的牛虻:最近，他的实验室利用真实世界的行为来指导一项大脑活动研究的设计，该研究导致了言语神经科学的一个惊人发现。

像珀佩尔这样的批评可以追溯到几十年前。在20世纪70年代，有影响力的计算神经学家大卫·马尔他认为，大脑和其他信息处理系统需要根据它们面临的具体问题和它们找到的解决方案(他称之为计算层面的分析)来进行研究，以得出有关它们行为背后原因的答案。只看系统做什么(算法分析)或它们如何实际做(实现分析)是不够的。马尔在他死后出版的书中写道，视觉:人类视觉信息表示和处理的计算研究“......试图通过了解神经元来了解看法，就像试图通过仅了于只了解羽毛来了解鸟飞。它无法完成。“

Poeppel和他的合著者在a纸出现在神经元去年。在这本书中，他们回顾了过度依赖“引人注目的”工具来操纵和测量大脑的方式，这些方式可能会让科学家误入歧途。例如，许多类型的实验都试图将特定的神经活动模式映射到特定的行为上——比如，当一只老鼠在迷宫中选择朝哪个方向跑时，大脑某个特定区域的神经元会更频繁地发出信号。但这些实验很容易忽略了当老鼠做出选择时大脑其他部分所发生的事情，这可能同样相关。或者他们可能没有注意到，当老鼠受到压力时，神经元也会以同样的方式放电，所以这可能与做出选择无关。最糟糕的是，如果研究的行为不能准确反映任何自然发生的事情，这个实验最终可能是没有意义的:在实验室迷宫中穿行的老鼠可能与在野外洞穴中蠕动的老鼠处于完全不同的精神状态，所以从结果中归纳是有风险的。好的实验设计在解决这些问题上只能走这么远。

对于他的批评，人们普遍的反驳是，神经科学取得的巨大进步很大程度上是因为他错误的研究类型。Poeppel承认这一点，但他坚持认为，如果研究更多地从对相关行为背后的目标进行系统分析开始，而不是直接对参与行为产生的神经元进行操纵，那么神经科学就会对复杂的认知和情感现象(而不是神经和基因组的细节)有更多的了解。如果没有别的，这种分析可以帮助以富有成效的方式进行研究。

这就是Poeppel和他实验室的博士后M. Florencia Assaneo最近完成的工作，正如他们的论文所描述的那样科学的进步．他们的实验室研究语言处理——用珀尔的话来说，就是“声波如何将想法送入你的大脑”。

当人们听讲话时，他们的耳朵将声波转化为神经信号，然后由大脑的不同部分处理和解释，首先是听觉皮层。多年的神经生理学研究已经观察到，听觉皮层的神经活动波锁定在音频信号的“包膜”上——本质上，就是音量变化的频率。(正如Poeppel所说，“脑电波在声波上冲浪。”)通过非常忠实地以这种方式“吸引”音频信号，大脑大概会将讲话分成易于处理的部分。

更奇怪的是，一些研究发现，当人们听口语时携带的信号也出现在运动皮层的部分控制演讲。几乎就像他们在默默地说着听到的单词，也许是为了帮助理解——尽管阿萨尼奥向我强调，任何解释都是高度有争议的。科学家们只能推测到底发生了什么，部分原因是运动中心的夹带并不总是发生。到底是听觉皮层直接驱动了运动皮层的模式，还是大脑其他部位的某些活动组合起了作用，这一直是个谜。

Assaneo和Poeppel采用了一种新的方法，提出了一种假说，将现实世界的语言行为与观察到的神经生理学联系起来。他们注意到，听觉皮层中携带的信号频率通常约为4.5赫兹，这也是世界各地语言中音节发音的平均频率。

在她的实验中，Assaneo让人们听一些无意义的音节串，频率在2到7赫兹之间，同时她测量他们的听觉和语言运动皮层的活动。(她使用无意义的音节，这样大脑就不会对讲话做出语义反应，以免间接影响运动区域。她解释说:“当我们听到可理解的语言时，激活的大脑网络更加复杂和扩展。”)如果听觉皮层的信号驱动运动皮层的信号，那么在整个测试过程中，它们应该保持相互吸引。如果运动皮层信号是独立的，它就不应该改变。

但是观察到的Assaneo是更有趣且令人惊讶的，Poeppel说：听觉和言语汽车活动确实纳入，但只能达到5赫兹．一旦音频的变化速度超过口语，运动皮层就会失去同步。后来的一个计算模型证实，这些结果与运动皮层有它自己的内部振荡器的想法是一致的，它自然地以4到5赫兹的频率工作。

根据Poeppel和Assaneo的说法，这些复杂的结果以几种方式辩护了研究人员的行为联系方法。他们的设备在大脑中监控160个频道，以速度为1赫兹;它产生如此多的神经生理数据，如果他们只是寻找其中的相关性，毫无疑问地发现了虚假的。只有通过从语言学和语言行为中汲取的信息开始 - 观察到4-5-Hertz范围内有一些关于信号的东西，因为它们出现了所有口语语言 - 研究人员是否知道缩小他们的搜索意义数据到该范围。以及他们发现的听觉和电机皮质的具体互动是如此差别，研究人员永远不会想到自己的那些。

根据Assaneo的说法，他们继续调查大脑和言语的节奏如何互动。除其他问题之外，他们对更多 - 自然的听力是否可能抬起他们看到的关联的限制。“有能力或注意力可以增加夹带的频率范围，”她说。

John Rennie加入了广达电脑杂志作为2017年的副编辑。此前，他花了20年了科学的美国人，他于1994年至2009年期间担任主编为主编。他创建并举办了一个原始2013年电视剧的行星天气频道他经常出现在美国公共广播公司(PBS)等电视和广播节目中国情咨文,美国广播公司的世界新闻现在, NPR的科学星期五，历史频道特别节目山顶洞人的冲突和科学频道系列节目空间最深刻的秘密．2009年以来，约翰一直是纽约大学科学写作的兼职教授。最近，他是麦格劳-希尔教育公司(McGraw-Hill Education)在线科学百科全书AccessScience的编辑主任。

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