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2017年8月24日, 美国加州大学旧金山分校Weill研究所神经外科教授Edward Chang，以及他的研究生Claire Tang在《科学》杂志上发表了一篇论文，阐述了神经元在语言中的重要性。该研究发现了人类大脑中用于辨别相对声调变化的神经元，这种神经元可以帮助人类在语言中明确表达感情、交流思想。 此次研究的目的是了解大脑如何将声音转化为可以理解的信息。Tang对此解释道，“新皮质中的神经元不仅在处理刚听到的话的意思，也在理解说话者的语调。” 言语中的声调变化，也叫作韵律，是人类传播情感中不可或缺的一部分。在汉语普通话这样的音调语言中，4个声调的运用可以完全改变词语的意思，但是即使像英语这种非语调语言，音调的差异也可以改变句子的意思。 图丨Edward Chang 举个例子，“莎拉踢足球” 这句英语，选用自然平缓的语调时强调了莎拉踢的是足球，而不是别的运动。相比之下，如果句中“莎拉”使用下降的语调可以强调是莎拉在踢足球，而不是别人。如果在句尾添加一个上升的语调，则可以表示这是一个问题。 人脑辨识相对声调变化的能力尤为突出，即使每个人的声音高低不一，我们还是可以明确辨别每个人的语调转变。与此同时，大脑还要在几毫秒内处理听到的元音和辅音，把它们组成单词，继而组成句子。 在大脑的颞叶皮质中不同的神经元群可以区分出发言者、语音学和语调。 早有研究表示，人类和非人灵长类的额皮层和颞叶皮层对语调非常敏感，可是没有人知道这些区域的神经元是如何检测相对声调的变化，并在大脑中理解这些变化。 Chang教授的一部分工作是用手术去除导致癫痫患者发作的脑组织。作为一些患者的术前准备，他将小型电极高密度的放置在患者的脑部表面，以确定需要切除的脑组织，并避免损伤其他重要区域，尤其是负责语言的区域。 在这次的研究中，Tang给10位带着小型电极的患者播放由三种不同声音所合成的4句话： “人类珍重真实的行为”（'Humans value genuine behavior'） “看电影不太耗费精力” （'Movies demand minimal energy'） “驯鹿是一种视觉动物” （'Reindeer are a visual animal'） “律师给出相关意见” （'Lawyers give a relevant opinion'） 这些英文句子有相同的长度和构造，研究者以各种不同的语调播放: 自然平缓；强调第一个单词；强调第三个单词；或作为一个问题。研究人员们认为声调转变会让同一句话的意思大不相同，比如把重音放在“人类”上，放在“真实”上，和在句尾加一个上升的语调，都会导致完全不一样的传达和理解。 随后，Tang和研究人员们监测了志愿者们听觉皮层上颞上回(STG)的神经元活动，因为曾有研究表明颞上回有助于大脑处理语言韵律和声调。 他们发现，颞上回中的部分神经元可以根据发言者整体的声调区分开三种不同的声音，而另一部分的神经元可以根据词语发音的差异，也叫作语素，来区分以上4个不同的句子。无论发言者是谁，剩下的神经元则可以辨别4种不同的语调，并根据语调的变化进行神经活动。 为了验证实验的结果，研究人员们设计了一种算法来预测神经元对发言者、语素和语调的改变会做出的不同反应。他们随后给志愿者播放了上百条来自不同发言者的录音，并通过算法取得了数值。研究人员证实，负责区分不同声音的那部分神经元在辨识绝对音高方面能力突出，而负责区分语调的神经元能很好地辨识相对音高，也就是声调在每个时间段的变化。 在获得了确切的数据后, Tang表示：“对我来说，这是此次研究中最激动人心的一刻。我们不仅获得了大脑感知声调功能的确切位置，还能够利用神经元的活动来解释大脑是怎么做到的。我们的研究揭示了大脑如何在噪音中捕捉有用的讯息，并确定是谁在说话，说了什么，怎么说的。” 然而, Chang教授还有一个遗憾: “现在还有一个未解答的大问题是，大脑如何控制我们的声带以产生语调。希望我们以后的研究能解开这个谜题。” UCSF志愿者让我们能够更深入了解人脑的运作 参与本次研究的志愿者都是很难治愈的重度癫痫患者，他们将在UCSF进行外科手术。目前, 脑外科手术是快速阻止癫痫发作的有效途径，医生需要精确地找到导致发病的脑组织并进行切除，所以手术的成功与能够对大脑进行精准定位息息相关。 UCSF综合性癫痫中心的医疗团队是使用先进颅内检测以定位致痫组织的领导者。这个团队通过手术将柔性电极放置大脑表面或者植入皮层上的颅骨，并以此记录脑活动并确认致痫的脑组织。做完手术的几周后，可以进行第二次手术，去除电极并切除导致癫痫发作的脑组织。 借用这种治疗方式，我们才能够对人脑在语言方面的运作一探究竟。关于语言控制的神经学迄今都是未知的，因为研究人员无法在动物身上进行语言实验，另外，非侵入成像有着较慢的速度，无法捕捉大脑是如何在几毫秒内运用肌肉从而产生语言。但是，术前的脑电图可以直接记录神经活动，并且能够以几毫秒为单位追踪大脑的活动，让我们有迹可循。 |
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