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大脑如何调高音量以听到人群中的声音

我们的大脑具有非凡的能力,可以从众多声音中挑选出一种。现在,哥伦比亚大学的一个神经工程团队发现了大脑中发生的使这一壮举成为可能的步骤。如今的发现有助于解决一个长期存在的科学问题,即听觉皮层(大脑的听觉中心)如何以闪电般的速度解码和放大一个声音。这些新发现的知识也将刺激助听技术和更类似于大脑的脑机接口的发展。

这些发现今天已在Neuron中报道。

“我们有能力在鸡尾酒会上专注于我们旁边的人,同时避免周围的噪音,这是非同寻常的,但我们对这一切的运作方式了解甚少,”他说。尼玛·梅斯加拉尼(Nima Mesgarani)博士,该论文的资深作者,哥伦比亚大学Mortimer B. Zuckerman思维脑行为研究所的首席研究员。“今天的研究带来了急需的理解,这将对致力于改善语音和听力技术的科学家和创新者至关重要。”

听觉皮层是大脑的听力枢纽。内耳向大脑区域发送电信号,这些信号表示来自外部世界的一阵声波。然后,听觉皮层必须从混乱中挑选出有意义的声音。

“研究听觉皮层如何分辨出不同的声音,就像试图找出一个大湖中正在发生的事情-每个船,游泳者和鱼类在其中运动,以及运动速度有多快-仅通过使水中的涟漪模式消失就可以了。 Mesgarani博士说,他也是哥伦比亚工程学院电气工程学副教授。

今天的论文建立在该团队2012年的研究基础之上,该研究表明人脑对听到的声音具有选择性。该研究表明,当一个人听某人讲话时,他们的脑电波会发生变化,以挑选说话者声音的特征并调出其他声音。研究人员想了解这是如何在听觉皮层的解剖结构内发生的。

James O'说:“我们很早就知道听觉皮层区域是按层次排列的,每个阶段都会发生越来越复杂的解码,但是我们还没有观察到特定说话者的声音是如何沿此路径处理的。” Sullivan博士,该论文的第一位作者,是在Mesgarani实验室担任博士后研究员时完成这项工作的。“要了解这一过程,我们需要直接记录大脑的神经活动。”

研究人员对听觉皮层的两个部分特别感兴趣:赫氏回旋(HG)和颞上回(STG)。来自耳朵的信息首先到达HG,然后经过它,然后到达STG。

为了了解这些大脑区域,研究人员与神经外科医生Ashesh Mehta博士,医学博士合作,Guy McKhann医师和Sameer Sheth医师,神经病学家Catherine Schevon医师,以及其他合著者Jose Herrero医师和Elliot Smith医师。这些医生位于哥伦比亚大学欧文医学中心和诺斯韦尔健康中心,为癫痫患者提供治疗,其中一些必须定期进行脑部手术。在这项研究中,患者自愿听取Dr.梅斯加拉尼(Mesgarani)和奥沙利文(O'Sullivan)通过植入患者HG或STG区域的电极来监测他们的脑电波。

电极使团队能够清楚地区分两个大脑区域在解释声音时的作用。数据表明,HG产生了丰富多样的声音混合表现,从而每个扬声器都被频率差异所分隔。这个地区对一种声音或另一种声音没有偏爱。但是,从STG收集的数据却截然不同。

“我们发现,通过正确地加权来自HG的输出信号,可以放大一个扬声器或另一个扬声器的声音。根据我们的记录,似乎STG区域执行了该加权,” O'Sullivan博士说。

综上所述,这些发现揭示了听觉皮层的这两个区域之间职责的明确划分:HG代表,而STG选择。这一切都发生在大约150毫秒内,这对于收听者而言似乎是瞬间的。

研究人员还发现STG的其他作用。选择之后,STG形成了一个听觉对象,一种声音的表示,类似于我们用肉眼看到的对象的心理表示。这表明,即使语音被另一个说话者遮挡(例如当两个人彼此交谈时),STG仍可以将所需的说话者表示为一个统一的整体,不受竞争声音的音量影响。

此处收集的信息可用作人工复制此生物过程(例如在助听器中)的算法的基础。今年早些时候,Mesgarani博士和他的团队宣布了一种脑控助听器的开发,该助听器利用一种这样的算法将一个扬声器的声音放大到另一个扬声器。

研究人员计划在越来越复杂的场景中研究HG和STG的活动,这些场景具有更多的说话者或包含视觉提示。这些努力将有助于创建关于听觉皮层每个区域如何运作的详细而精确的图像。

“我们的最终目标是更好地了解大脑如何使我们听得很好,以及创造出可以帮助人们的技术-无论是中风幸存者可以与亲人说话,还是让有听力障碍的人都能更轻松地进行交流。拥挤的聚会。”“今天的研究是沿着这条道路的关键途径。”

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