前言

言語感知是將聲學信號轉換為語言結構（如音節、單詞和句子）的過程。顳上回 （STG） 是人腦中言語感知和理解的關鍵區域。要了解言語感知的神經基礎，就需要我們在神經元的基本計算單元的規模上以及它們在大腦皮層深處的組織上研究人腦。最近有研究使用了高密度的神經像素陣列從皮質層與言語至關重要的高級聽覺區域的九個部位685個神經元信息進行了采集，實驗背景是參與者需要聽一些句子：

“Junior, what on Earth’s the matter with you?”

當科學家問出上面這句及其他199句特定的話時，接受腦部手術的清醒者腦中數百個神經元信號被捕獲，這些信號向我們解釋語音提供了前所未有的細節。結果顯示，某些語言處理神經元會響應特定的詞性，例如鼻音“m”和“n”或句子的開頭，從而增加其活動。13日，這項工作以“Large-scale single-neuron speech sound encoding across the depth of human cortex”為題發表在《自然》期刊。

顳上回（STG，紅色區域;由人工著色）參與語言處理。圖片來源：Kateryna Kon/科學照片庫

雖然最近已有研究對皮質表面場電位進行記錄（皮質電圖（ECoG）），可以根據ECoG了解大腦表面的不同部位對特定語音（例如輔音和元音的特征）作何反應。雖然該工作描述了整個顳上回（STG）的語音編碼，但一個主要的局限性是每個電極上的ECoG信號其實是數千個神經元的綜合活動。同樣的，使用微電極記錄單個神經元的方法只能從少量單元中進行采樣。因此，兩者都無法解析皮質深度的神經元組織。

為了解決人腦中語音的神經元處理問題，這項研究在參與者聽自然說出的一些句子時使用高密度多電極Neuropixels探針記錄了STG中皮質層數百個單個神經元的細胞活動。這種方法能解決：（1） 單個神經元編碼的聲學和語音特征;（2）STG皮層神經元的功能組織;（3）單神經元活動與使用ECoG從皮質表面記錄的群體活動的關系。

“這是語言神經生理學家長期以來一直想要得到的關鍵數據。”波士頓馬薩諸塞州總醫院的神經科學家威廉·穆尼奧斯說，雖然他沒有參與這項工作。

一個探頭，近千個傳感器

“神經生理學家經常依靠數十到數千個神經元的總讀數來了解大腦活動。但是，試圖通過這樣的觀察來了解單個神經元類似于站在泰勒斯威夫特音樂會外面，試圖通過聆聽整個人群的咆哮來辨別個別粉絲在大喊大叫。”馬薩諸塞州總醫院的神經科學家Angelique Paulk說。

幸運的是，一項名為Neuropixels的新開發的技術現在可以提高分辨率，加州大學舊金山分校的神經科學家Matthew Leonard和加利福尼亞州斯坦福大學的Laura Gwilliams說，他們是這項工作的共同主要作者。

Neuropixel探針是一根細如線、厘米長的棒，內襯有近一千個傳感器，每個傳感器都能夠檢測來自單個神經元的電信號。在探針被推入腦組織后，沿其長度的許多傳感器與不同的神經元接觸。探頭返回傳感器所接觸的神經元的活動讀數。每次插入設備時，研究人員都可以記錄來自一到幾百個神經元的信息。

a: 插入人體皮層的Neuropixels探針的特寫照片。b: 九個穿透的記錄位置（右STG位點（RH）繪制在左半球）。c: 磁共振成像顯示 Neuropixels 探針跨越 p1 中整個皮質深度的大致位置（MTG，顳中回）。d: p1 中插入部位切除組織的組織學提供了 STG 內的近似層狀邊界。e: 言語反應和非反應單位的數量。

Leonard、Gwilliams和他們的同事從大腦的一個稱為顳上回的聽覺區域讀取了八名參與者的讀數，這些參與者正在聽200個英語句子。沿著探針長度的區域顯示出具有特殊功能的跡象 - 例如對元音或指示問題的上升語調做出反應。然而，每個區域也包含具有其專業之外功能的神經元。

這種具有不同功能的神經元的混合物可以幫助大腦合成轉瞬即逝的信息。例如，言語“發生得非常快”，Leonard說。“一旦我說了，它就不存在了。”將具有互補功能的神經元放在一起可以幫助大腦整合傳入的信息并對其做出快速反應。

這些發現有助于顯示大腦如何執行其功能。“你不能只是說，'元音住在這里'，你可以回答，'這就是元音表示的產生方式'，”Gwilliams說。

該研究的結果有助于人類STG三維功能組織的新興模型的建立。并且Neuropixels 的應用有可能為下一代人類神經科學帶來變革。目前大規模神經元記錄的演示將大大加速我們對人類皮層獨特計算和表示的理解。

原文鏈接：

Large-scale single-neuron speech sound encoding across the depth of human cortex

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