相信我們每人都會(huì)有這樣的體驗(yàn)，即便是在嘈雜的環(huán)境中，對(duì)于熟悉的聲音我們都能夠準(zhǔn)確識(shí)別出來(lái)。這看似一個(gè)稀松平常的事件，但是在這背后卻存在著一個(gè)長(zhǎng)期難以解決科學(xué)問(wèn)題：大腦的聽(tīng)覺(jué)中樞如何以閃電般的速度放大并解碼一個(gè)聲音？

近日，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)神經(jīng)工程學(xué)院的一個(gè)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(kāi)發(fā)出一款新型的助聽(tīng)器。這款助聽(tīng)器使用腦機(jī)接口（BCI），在語(yǔ)音合成器的幫助下將腦波模式轉(zhuǎn)換為語(yǔ)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(duì)聽(tīng)到的聲音是有選擇性的。當(dāng)一個(gè)人聽(tīng)別人說(shuō)話時(shí)，他們的腦電波會(huì)發(fā)生變化，以識(shí)別說(shuō)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(tīng)覺(jué)皮層，當(dāng)外部世界雜亂的聲波通過(guò)內(nèi)耳向大腦傳遞信號(hào)時(shí)，聽(tīng)覺(jué)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(tīng)覺(jué)皮層是有層次的，每一層都會(huì)對(duì)聲音進(jìn)行不同程度的解碼。其中有兩個(gè)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(lái)自內(nèi)耳的信息首先到達(dá)HG，然后通過(guò)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(guò)給患者植入電極以監(jiān)測(cè)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(gè)大腦皮層在解碼聲音時(shí)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(gè)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(lái)，在HG這個(gè)地區(qū)，大腦會(huì)“一視同仁”，并沒(méi)有表現(xiàn)出對(duì)某種聲音的偏愛(ài)，而是平等地對(duì)待每一種聲音。然而，從STG收集的數(shù)據(jù)似乎講述了一個(gè)截然不同的故事。通過(guò)權(quán)衡HG發(fā)出的信號(hào)，STG區(qū)域便會(huì)過(guò)濾掉一些聲音，留下一種頻率的聲音進(jìn)行放大。

聽(tīng)覺(jué)對(duì)象在HG和STG中的表現(xiàn)

綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)揭示了聽(tīng)覺(jué)皮層這兩個(gè)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(duì)人類來(lái)說(shuō)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(huì)對(duì)一種聲音形成一個(gè)印象，即使語(yǔ)音被另一位發(fā)言者所覆蓋（例如，兩個(gè)人彼此交談時(shí)），STG仍可以將所需的講話者表示為一個(gè)統(tǒng)一的整體，不受競(jìng)爭(zhēng)聲音的音量影響。

新型助聽(tīng)器給耳聾患者帶來(lái)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(guò)程算法的基礎(chǔ)，進(jìn)而更好地應(yīng)用在助聽(tīng)器中。在今年早些時(shí)候，Mesgarani博士和他的團(tuán)隊(duì)宣布開(kāi)發(fā)了一種大腦控制的助聽(tīng)器，這對(duì)于耳聾或是癲癇患者而言無(wú)疑是一大福音。

據(jù)了解，新研發(fā)的腦機(jī)接口的助聽(tīng)器擁有與Apple Siri相同技術(shù)，能夠?qū)θ粘Ｉ畹膯?wèn)題進(jìn)行口頭答復(fù)。研究人員計(jì)劃在越來(lái)越復(fù)雜的場(chǎng)景中研究HG和STG的活動(dòng)，這些場(chǎng)景具有更多的說(shuō)話者或包含視覺(jué)提示。這些努力將有助于為聽(tīng)覺(jué)皮層的每個(gè)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的一個(gè)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(gè)性化學(xué)習(xí)（PAL），并與國(guó)防采購(gòu)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(yǔ)音的助聽(tīng)器會(huì)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

原標(biāo)題：Neuron：模擬人腦過(guò)濾無(wú)效聲音信息，這款腦機(jī)接口助聽(tīng)器是軍事武器還是醫(yī)療天使？