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Neuron:模拟人脑过滤无效声音信息,这款脑机接口助听器是军事武器还是医疗天使?

相信我们每人都会有这样的体验,即便是在嘈杂的环境中,对于熟悉的声音我们都能够准确识别出来。这看似一个稀松平常的事件,但是在这背后却存在着一个长期难以解决科学问题:大脑的听觉中枢如何以闪电般的速度放大并解码一个声音?


大脑对多种声音的反应 图片来源:哥伦比亚大学

近日,美国哥伦比亚大学神经工程学院的一个研究团队揭示了这种现象背后的大脑运行机制,并在《Neuron》杂志上发表了他们的研究结果。此外,Nima Mesgarani博士还宣布:在这项研究的基础上开发出一款新型的助听器。这款助听器使用脑机接口(BCI),在语音合成器的帮助下将脑波模式转换为语音。


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

早在2012年,哥伦比亚大学Mortimer B. Zuckerman大脑研究所Nima Mesgarani博士所在的团队就已经发现:人类大脑对听到的声音是有选择性的。当一个人听别人说话时,他们的脑电波会发生变化,以识别说话人的声音特征,进而忽略其他声音。

解码声音两步走战略

大脑中有一块神奇的区域——听觉皮层,当外部世界杂乱的声波通过内耳向大脑传递信号时,听觉皮层便能准确地从杂乱的声音中挑出有意义地信息传递给大脑。听觉皮层是有层次的,每一层都会对声音进行不同程度的解码。其中有两个层次结构是:颞横回(HG)和颞上回(STG)。研究人员发现来自内耳的信息首先到达HG,然后通过它到达STG。


Nima Mesgarani和James O'Sullivan博士

研究人员找到了一些癫痫患者,其中一些人需要定期接受脑部手术。Nima Mesgarani和James O'Sullivan博士通过给患者植入电极以监测HG或STG区域的脑电波。电极的作用在于帮助研究人员明确区分HG和STG这两个大脑皮层在解码声音时的作用。


癫痫患者的神经反应

数据显示,HG创造了一个丰富的、多维度的混合声音,每一种声音以不同的频率显示出来,在HG这个地区,大脑会“一视同仁”,并没有表现出对某种声音的偏爱,而是平等地对待每一种声音。然而,从STG收集的数据似乎讲述了一个截然不同的故事。通过权衡HG发出的信号,STG区域便会过滤掉一些声音,留下一种频率的声音进行放大。


听觉对象在HG和STG中的表现

综上所述,这些发现揭示了听觉皮层这两个区域的职责划分:HG进行编码,而STG进行选择。而这一切发生在150毫秒左右,对人类来说就是一眨眼的功夫。

此外,研究人员还发现STG的其他作用。在进行选择后,STG区域会对一种声音形成一个印象,即使语音被另一位发言者所覆盖(例如,两个人彼此交谈时),STG仍可以将所需的讲话者表示为一个统一的整体,不受竞争声音的音量影响。

新型助听器给耳聋患者带来福音

这项研究中收集到的信息可以作为人工模仿这一生物过程算法的基础,进而更好地应用在助听器中。在今年早些时候,Mesgarani博士和他的团队宣布开发了一种大脑控制的助听器,这对于耳聋或是癫痫患者而言无疑是一大福音。


据了解,新研发的脑机接口的助听器拥有与Apple Siri相同技术,能够对日常生活的问题进行口头答复。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。这些努力将有助于为听觉皮层的每个区域如何运作提供详细而精确的图像。

军事优先应用?

值得一提的是,这项技术是美国国防高级研究计划局(DARPA)的一个研究结果,DARPA与军事用户合作,完善了用于作战用途的个性化学习(PAL),并与国防采购界合作,将PAL技术转换为军事系统。

您认为Mesgarani博士的这款使用BCI和声码器将脑波转换为语音的助听器会首先用于军事还是医疗保健呢?

参考资料:

[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


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