是誰按下了大腦中的聲音播放鍵？

文/上海紐約大學 編輯/南溪

你是否也曾經歷過腦內“金曲點播”時刻？可能是一首洗腦“神曲”，或者一段手機鈴聲，明明耳朵什么也沒聽到，但腦子里憑空就播放起了聲音——這種現象在神經科學界稱為“聽覺幻象”，是大腦生成的一種想象。

近期，上紐大神經與認知科學副教授田興團隊于《大腦皮層》（Cerebral Cortex）發(fā)表新研究成果，找到了驅動大腦想象功能的兩大源頭：運動和記憶系統。

當腦海中想象出有聲音在播放時，其實是大腦聽覺皮層被激活了，制造出“聽到聲音”的感覺。

田興副教授帶領團隊開展了相關研究，他解釋道：“以往的研究中，神經科學家更傾向于探討大腦的想象功能會如何影響信息處理和行為。而我們的研究想要解答最根本的問題，探析聽覺幻象的源頭和運作機制。”

長期以來，認知神經科學家一直試圖揭示幻象的機制。田興團隊根據前人的實證研究提出假設：運動和記憶系統可能是激發(fā)出幻象的兩個源頭。

團隊精心設計出一套新穎的“雙通路幻象”范式用于驗證假設，該范式能夠最大程度區(qū)分源自運動和記憶的幻象。實驗中，參與者按指示要求，想象人類語言的聲音或自然音效。

一個實驗任務中，參與者需要觀看展示物體運動的靜音視頻，如籃球在地板上彈跳，并同時在腦海中想象與畫面相匹配的聲音，如籃球與地面碰撞發(fā)出的“砰砰”聲。另一實驗任務則要求參與者看著視頻上的文字，想象自己說出相應內容，但實際并不發(fā)出聲音。

研究團隊運用功能性磁共振成像（fMRI）捕捉參與者在實驗任務中的大腦活動。

研究結果顯示，兩種類型的幻象都能在沒有任何聲響的情況下激活聽覺皮層，想像籃球彈跳聲音的激活基于記憶系統，想象說話的激活則是基于運動系統。在這兩種情況中，參與者均在沒有實際聲音的情況下，在腦海中“聽到”了想象中的聲音和語言。

▲ 實驗中，參與者觀看靜音視頻并想象聲音

經過海量數據分析，研究團隊得以描畫出幻象過程中腦內信號的傳輸通路。“我們利用多體素模式分析（MVPA）、動態(tài)因果模型（DCM）等方法分析收集到的fMRI數據，”文章的第一作者、上紐大2022屆學生褚乾說，“MVPA方法能夠根據不同的大腦活動來揭示想象內容。DCM是一種統計方法，讓我們能夠根據大腦活動的測量數據，發(fā)現大腦不同區(qū)域間的相互作用和因果關系。”

根據分析結果，團隊推斷出在基于運動系統生成幻象的過程中，有一個中間階段，又稱體感預測，參與并發(fā)揮作用。本次研究的結果不僅驗證了團隊的假設，并且首次給出了幻象這一人類核心認知功能的神經證據。

本項研究是言語、語言和神經科學實驗室（SLANG）幾代成員共同努力下的結晶。SLANG聯合研究團隊隸屬于華東師范大學-紐約大學腦與認知科學聯合研究中心（上海紐約大學），田興副教授為主要負責人之一。

褚乾在大二那年加入了田興副教授的研究團隊，現于馬克斯·普朗克-多倫多大學神經科學與技術聯合研究中心（MPUTC）攻讀博士學位。

▲ 兩種幻象下，通過fMRI捕獲到的大腦區(qū)域激活情況

該文章的作者還包括華東師范大學-上海紐約大學聯合培養(yǎng)研究生專項（N.E.T.）2020屆碩士研究生馬歐和SLANG實驗室前實習研究員杭雨琪。

重新定義認知神經科學的框架是SLANG團隊的核心研究方向之一。本次研究揭示出了運動和記憶系統產生幻象的能力，即兩大系統能夠對人類高階認知功能發(fā)揮作用。這一發(fā)現與SLANG團隊一直以來將運動納入認知過程的研究方向一致，不斷推動學界重新審視運動在認知功能中所發(fā)揮的作用。

當談及本次研究的應用前景，田興副教授表示其成果或將能夠助力腦機接口（BCI）技術的發(fā)展。他說：“目前BCI已有相當多的應用，例如假肢控制，即幫助截肢或癱瘓的患者利用大腦信號控制假肢。在這些應用中，大腦產生的信號反映了特定的意圖或命令，由計算機解碼后實現相應的運動。”

他解釋道，本項研究闡釋了產生這些信號的源頭和通路，“一旦理解了整個機制，便有可能開發(fā)出基于整個動態(tài)神經網絡，更為精準和高效的BCI應用。”

褚乾補充道，研究團隊希望這些發(fā)現能夠為治療幻聽提供新思路。幻聽患者所“聽到”的內容并非真實存在，目前的神經證據表明，此類激活聽覺皮層的方式可能源于運動和記憶系統受損。

他說：“迄今為止，該領域的大多數研究傾向于單一分析運動系統或記憶系統，但我們的研究表明，將這兩個通路結合在一起，或可為治療方法提供一個新的方向。”