听觉皮层的预测机制

1.参考文献 ¶

Forseth, J. K., Hickok, G., Rollo, S. P., & Tandon, N. (2020). Language prediction mechanisms in human auditory cortex. Nature Communications, 2020(11), 5240. http://doi.org/10.1038/s41467-020-19010-6

2.研究背景 ¶

人类可以通过预测来减少与语音解码相关的计算负荷。研究认为大脑可以预测语音的感知结果，并且这一观点得到了强有力的支持。然而，尚不清楚该过程涉及哪个级别的听觉皮层加工以及这种机制位于皮层的哪里。

为了研究早期听觉皮层的神经预测机制，使用两个任务：白噪声和命名，旨在评估早期听觉皮层对外部声音刺激的反应。使用具有高时空分辨率的方法，沿颞叶上部前后方向放置电极，以便同时记录颞极、颞橫回和颞平面的数据。

3.研究方法 ¶

37位接受电极治疗的癫痫患者。共植入7507个电极。在随后的分析中，只使用不受癫痫活动，伪影或电噪声影响的电极。

使用了两种不同的范例。第一个实验包括幅度调节的白噪声。刺激包括两个周期：首先是3s的调节噪声（3 Hz）。其次，调制噪声在下一个周期的余弦相位上结束，产生833 ms的恒定噪声。在每次试验中，要求被试通过按键说明是否存在声调。每位患者完成100次试验。七名患者还接受了5和7 Hz调制噪声的测试。

在第二个实验中，被试进行了听觉提示的命名任务。刺激是具有描述性的单个句子（平均7.7个音节）。这些句子经过设计，最后一个单词包含关键的语义信息，没有这个语义信息就无法做出特定的反应（“A round red fruit”）。要求患者大声说出刺激描述的物体。另外，将倒放的语音用作控制条件，这些刺激没有有意。对于每种刺激，都要求患者说出说话者的性别。 25名患者各完成了180次试验。

4.结果 ¶

外侧颞上回的电极没有表现出对白噪声刺激的持续激活。相比之下，在语言优势半球中，所有患者在颞上部的深部电极上表现出持续激活。在非语言优势半球中有同源电极的患者表现出相同的持续激活。对于更快的调节噪声（5和7 Hz），也可以观察到这一点。

在持续激活期间，发现了沿颞橫回和颞横沟中外侧范围的高γ频段的时空分布。从HG /TTS中部开始，并沿颞上平面横向至侧裂的唇部，皮层活动的行波与声波脉冲相吻合。每个波大约在最大声波脉冲前80毫秒开始，之后大约80毫秒结束，以0.15m/s的速度越过HG / TTS。这种神经活动的空间组织对于优化皮层计算很重要。

对于每个句子，提取了白噪声分析的关键特征：声学频段和边缘。前者描述了语音的瞬时幅度，后者则描述了幅度快速增加的时刻。激活区域位于HG/TTS，也是对白噪声刺激表现出持续激活和预测性的区域。与白噪声相比，自然语言所招募的神经区域要广泛得多，包括颞极，外侧颞上回和颞上沟。

在颞平面HG / TTS的后方（PT），该区域产生了对白噪声的瞬间激活。使用NNMF对持续激活的电极进行了分级（n=349），该分析揭示了从HG/TTS持续激活到PT短暂激活的明显前后梯度。通过一位接受电极植入的患者，进一步说明早期听觉皮层反应的空间拓扑：在深度电极处观察到了HG/TTS强烈的持续激活，在PT中观察到了明显的瞬间激活，但在颞上回的硬脑膜下电极上却没有观察到。这表明，对亚词法特征的持续和短暂激活是在早期听觉皮层中选择性编码的，而不是在外侧颞上回中编码的。

在三位患者中，通过电流模仿局部病变。使用了三种任务：口头复述、定义命名、图片命名。

结果发现刺激HG / TTS会破坏语音理解能力，从而影响口头重述和定义命名，但图片命名不受影响。 对PT的刺激干扰了所有任务的产出。此外在刺激开始时，对HS/TTS施加电流会干扰言语理解，而刺激结束时施加对发音没有影响。相反，在刺激结束时刺激PT导致发音失败。这些发现有力地证实了HG / TTS和PT的独立作用。

5.讨论 ¶

使用前后方向定位的电极，在早期听觉过程中定位了持续激活的区域：颞横回和颞横沟。重要的是，在听自然语言时，相同的皮质具有相同的机制。虽然持续的激活限制在颞横回和颞横沟，但观察到了短暂的颞平面激活。颞平面激活程度的前后梯度表明颞平面中独特的神经组织结构。前者的刺激选择性地破坏了语音感知，而后者的刺激选择性地破坏了语音产出。