麻省理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了對歌唱有反應(yīng)的神秘神經(jīng)元
麻省理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家首次確定了人類大腦中的一組神經(jīng)元，當(dāng)你聽到歌聲時(shí)會(huì)亮起，但其他類型的音樂不會(huì)亮起。圖片來源：iStockphoto，由麻省理工學(xué)院新聞編輯
麻省理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)確定了人類大腦中的一組神經(jīng)元，它們對唱歌有反應(yīng)，但對其他類型的音樂沒有反應(yīng)。
麻省理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了人類大腦中的一組神經(jīng)元，當(dāng)我們聽到歌聲時(shí)會(huì)亮起，但其他類型的音樂不會(huì)亮起。
這些在聽覺皮層中發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)元似乎對聲音和音樂的特定組合有反應(yīng)，但對常規(guī)語音或器樂都沒有反應(yīng)。研究人員說，他們到底在做什么是未知的，需要更多的工作才能發(fā)現(xiàn)。
“這項(xiàng)工作為聽覺皮層內(nèi)相對細(xì)粒度的功能分離提供了證據(jù)，其方式與音樂中的直觀區(qū)別相一致，”前麻省理工學(xué)院博士后、現(xiàn)任神經(jīng)科學(xué)助理教授 Sam Norman-Haignere 說。羅切斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心。
這項(xiàng)工作建立在 2015 年的一項(xiàng)研究之上，在該研究中，同一個(gè)研究小組使用功能性磁共振成像 (fMRI) 來識(shí)別大腦聽覺皮層中對音樂有特異性反應(yīng)的一組神經(jīng)元。在這項(xiàng)新工作中，研究人員使用了大腦表面的電活動(dòng)記錄，這為他們提供了比 fMRI 更精確的信息。
“有一個(gè)神經(jīng)元群對唱歌有反應(yīng)，然后很近的另一個(gè)神經(jīng)元群對很多音樂有廣泛的反應(yīng)。在功能磁共振成像的規(guī)模上，它們非常接近，以至于你無法解開它們，但通過顱內(nèi)記錄，我們可以獲得額外的分辨率，這就是我們認(rèn)為讓我們能夠?qū)⑺鼈兎珠_的原因，”Norman-Haignere 說。
Norman-Haignere 是該研究的主要作者，該研究于 2022 年 2 月 22 日發(fā)表在《當(dāng)代生物學(xué)》雜志上。腦與認(rèn)知科學(xué)副教授 Josh McDermott 和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué) Walter A. Rosenblith 教授 Nancy Kanwisher 都是麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究所和腦、心智與機(jī)器中心 (CBMM) 的成員。該研究的作者。
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神經(jīng)記錄
在他們2015 年的研究中，研究人員使用 fMRI 掃描參與者的大腦，因?yàn)樗麄兟牭搅?165 種聲音，包括不同類型的語音和音樂，以及手指敲擊或狗吠等日常聲音。在這項(xiàng)研究中，研究人員設(shè)計(jì)了一種分析 fMRI 數(shù)據(jù)的新方法，這使他們能夠識(shí)別出六個(gè)具有不同反應(yīng)模式的神經(jīng)群體，包括音樂選擇性群體和另一個(gè)對語音有選擇性反應(yīng)的群體。
在這項(xiàng)新研究中，研究人員希望使用稱為皮層腦電圖 (ECoG) 的技術(shù)獲得更高分辨率的數(shù)據(jù)，該技術(shù)允許通過放置在顱骨內(nèi)的電極記錄電活動(dòng)。與 fMRI 相比，這提供了更精確的大腦電活動(dòng)圖像，fMRI 測量大腦中的血流作為神經(jīng)元活動(dòng)的代表。
“使用人類認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的大多數(shù)方法，你看不到神經(jīng)表征，”Kanwisher 說?！拔覀兛梢允占拇蠖鄶?shù)數(shù)據(jù)都可以告訴我們，這是一塊可以做某事的大腦，但這非常有限。我們想知道那里代表了什么。”
皮層電圖通常不能在人體中進(jìn)行，因?yàn)樗且环N侵入性手術(shù)，但它通常用于監(jiān)測即將接受手術(shù)治療癲癇發(fā)作的癲癇患者。幾天內(nèi)對患者進(jìn)行監(jiān)測，以便醫(yī)生在手術(shù)前確定癲癇發(fā)作的起源。在此期間，如果患者同意，他們可以參與涉及在執(zhí)行某些任務(wù)時(shí)測量他們的大腦活動(dòng)的研究。對于這項(xiàng)研究，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)能夠在幾年內(nèi)從 15 名參與者那里收集數(shù)據(jù)。
對于這些參與者，研究人員播放了他們在早期 fMRI 研究中使用的相同的 165 種聲音。每個(gè)患者電極的位置由他們的外科醫(yī)生確定，因此有些人沒有對聽覺輸入做出任何反應(yīng)，但許多人做到了。使用他們開發(fā)的一種新穎的統(tǒng)計(jì)分析，研究人員能夠推斷出產(chǎn)生每個(gè)電極記錄的數(shù)據(jù)的神經(jīng)群體的類型。
“當(dāng)我們將這種方法應(yīng)用于這個(gè)數(shù)據(jù)集時(shí)，這種只對唱歌有反應(yīng)的神經(jīng)反應(yīng)模式突然出現(xiàn)，”Norman-Haignere 說。“這是一個(gè)我們真的沒想到的發(fā)現(xiàn)，所以它非常證明了這種方法的全部意義，即揭示你可能不想尋找的潛在新事物。”
這種特定于歌曲的神經(jīng)元群體對語音或器樂的反應(yīng)非常弱，因此與他們在 2015 年研究中確定的音樂和語音選擇性群體不同。
大腦中的音樂
在他們研究的第二部分，研究人員設(shè)計(jì)了一種數(shù)學(xué)方法，將顱內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)與他們 2015 年研究的 fMRI 數(shù)據(jù)結(jié)合起來。因?yàn)?fMRI 可以覆蓋大腦的更大部分，這使他們能夠更準(zhǔn)確地確定對唱歌有反應(yīng)的神經(jīng)群的位置。
“這種將 ECoG 和 fMRI 相結(jié)合的方法是一項(xiàng)重大的方法學(xué)進(jìn)步，”McDermott 說?！霸谶^去的 10 或 15 年里，很多人一直在做 ECoG，但一直受到錄音稀疏性問題的限制。Sam 確實(shí)是第一個(gè)想出如何將電極記錄的改進(jìn)分辨率與 fMRI 數(shù)據(jù)相結(jié)合以更好地定位整體反應(yīng)的人?！?/p>
他們發(fā)現(xiàn)的特定歌曲熱點(diǎn)位于顳葉頂部，靠近對語言和音樂有選擇性的區(qū)域。研究人員說，該位置表明，特定歌曲的人群可能會(huì)對感知音高或單詞與感知音高之間的相互作用等特征做出反應(yīng)，然后再將信息發(fā)送到大腦的其他部分進(jìn)行進(jìn)一步處理。
研究人員現(xiàn)在希望更多地了解唱歌的哪些方面驅(qū)動(dòng)這些神經(jīng)元的反應(yīng)。他們還與麻省理工學(xué)院教授 Rebecca Saxe 的實(shí)驗(yàn)室合作，研究嬰兒是否有音樂選擇性區(qū)域，希望更多地了解這些大腦區(qū)域何時(shí)以及如何發(fā)育。
參考：
Sam V. Norman-Haignere、Jenelle Feather、Dana Boebinger、Peter Brunner 撰寫的“人類聽覺皮層中對歌曲有選擇性的神經(jīng)群體”。Anthony Ritaccio、Josh H. McDermott、Gerwin Schalk 和 Nancy Kanwisher，2022 年 2 月 22 日，《當(dāng)代生物學(xué)》 。
DOI: 10.1016/j.cub.2022.01.069
該研究由美國國立衛(wèi)生研究院、美國陸軍研究辦公室、美國國家科學(xué)基金會(huì)、美國國家科學(xué)基金會(huì)大腦、思想和機(jī)器科學(xué)技術(shù)中心、神經(jīng)元基金會(huì)和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所資助。