听觉选择性注意的可塑性及其神经机制研究

本文旨在研究音乐训练是否能增强基于音高和空间位置的听觉选择性注意力,以及音乐训练对听觉可塑性的神经机制.听觉感知实验中,受试者根据音高差异或空间位置差异,选择两个同时播放的数字之一.听觉认知实验在安静和噪声环境中播放频率分辨率不同的复合音,记录受试者听觉脑干频率跟随响应(frequency-following responses,FFRs).本文提出分析FFR的四种方法,即包络相关频率跟随响应(envelope-related frequency-following response,FFRENV)的短时锁相值、瞬时相位差极性图、相位差均值矢量以及时间细节结构相关频率跟随响应(temporal-fine-structure-related frequency-following response,FFRTFS)的幅度谱信噪比.实验结果表明,在完成基于音高的任务时,受过音乐训练的受试者准确率更高、反应时间更短.外界噪声不影响两组人群在基频(fundamental frequency,F0)的神经元锁相能力,但是显著降低了谐波处的神经元锁相能力.受过音乐训练的受试者的神经元在基频处的锁相能力和谐波处抗噪能力均增强,且其FFRTFS幅度谱信噪比与基于音高的行为学准确率呈正相关.因此,受过音乐训练的受试者其音高选择性注意感知能力的提高取决于认知神经能力的增强,经过音乐训练后,F0处FFRENV的锁相能力、谐波处FFRTFS的抗噪和持续锁相能力以及谐波处FFRTFS幅度谱信噪比均明显增强.音乐训练对听觉选择性注意具有显著的可塑性.     

连续语音的神经编码——脑电图、脑磁图研究进展

语音是人类交流的主要方式,语音理解也是人脑特有的核心认知功能。人脑中的动态神经活动如何编码连续语音流的声学特征,并解析出多个层级的语言结构是认知神经科学领域的重要问题。近年来,一系列脑电图、脑磁图研究通过包络跟踪响应、层级跟踪响应等新指标来刻画连续语音的神经加工机制。本文对这些研究进行综述,并聚焦于对两个语音加工问题:一是大脑如何编码语音中连续变化的声学特征。这方面的研究表明,大脑中的低频神经活动可以动态跟踪语音包络并且受到高级认知功能调节。二是大脑如何表征语音中不同大小的语言单元,比如音节、词、短语、语句。研究显示,大脑皮层中不同时间尺度的神经活动分别跟踪不同大小的语言单元,构成对多层级语言单元的并行表征。综合上述,近期研究初步揭示了大脑如何表征连续语音的声学特征并构建不同层次的语言单元,为进一步研究大脑如何加工连续语音提供了新的思路。     

语音处理的神经电生理学基础研究进展

解码大脑在语音处理过程中涉及的信息加工层级结构、皮质响应机制及功能连接模式,是神经语言学领域的研究重点.以语音信息加工时序为依据,可将该认知过程划分为:初级声学信号时频编码(spectrotemporal analysis of primary acoustic signals)、音素处理(phonemic processing)以及词汇-语义加工(lexical-semantic processing) 3个处理阶段.目前,研究者已对各阶段的神经机制进行了广泛且深入的研究,但不同模型理论/假说难以整合互补,有必要进行梳理与总结.本文将以大脑处理语音信息的3个阶段为主线,以电生理学方法为侧重范式,对各阶段下的皮质映射、神经振荡模式以及事件相关响应机制等神经基础研究现状进行总结评述,以期为进一步了解语音信号如何在人脑中进行处理和表达等相关研究提供一定的参考.     

听觉皮层信号处理

听觉系统和视觉系统的不同之处在于：听觉系统在外周感受器和听皮层间具有更长的皮层下通路和更多的突触联系。该特殊结构反应了听觉系统从复杂听觉环境中提取与行为相关信号的机制与其他感觉系统不同。听皮层神经信号处理包括两种重要的转换机制,声音信号的非同构转换以及从声音感受到知觉层面的转换。听觉皮层神经编码机制同时也受到听觉反馈和语言或发声过程中发声信号的调控。听觉神经科学家和生物医学工程师所面临的挑战便是如何去理解大脑中这些转换的编码机制。我将会用我实验室最近的一些发现来阐述听觉信号是如何在原听皮层中进行处理的,并讨论其对于言语和音乐在大脑中的处理机制以及设计神经替代装置诸如电子耳蜗的意义。我们使用了结合神经电生理技术和量化工程学的方法来研究这些问题。     

暗示性运动加工的认知神经机制

暗示性运动是指个体观看静止图片时从中知觉到的运动.研究者采用高低认知水平两类暗示性运动刺激材料,借助"冻结帧"、直接观看、运动后效和f MRI适应等任务范式,探讨了注意和意识在暗示性运动加工中的作用及其记忆特点;并借助脑成像等技术,考察了颞中区、颞上皮层区、颞上沟、镜像神经元系统等脑区在暗示性运动加工中的作用.但由于暗示性运动加工涉及"视觉腹侧通路与背侧通路功能的分离与整合"问题,目前对相关研究结果和解释还存在争议,暗示性运动加工的认知神经机制仍有待于进一步研究.     

哺乳动物大脑感觉皮层对多种感觉信息整合的研究进展

脑对多感觉信息的整合是人和高等动物获取环境中有意义信息的重要方式。长期以来科学界一直认为,脑对不同感觉刺激(包括视觉、听觉、躯体感觉等)信息的分析和加工由不同的感觉皮层介导,最终在联络皮层进行整合,形成综合性的感觉和意识,但最近的一些实验证据显示,以前被认为只负责对单一感觉刺激分析和处理的感觉皮层亦可受其他感觉刺激的影响并直接参与多感觉信息的整合作用,这些新的发现对过去传统的大脑皮层功能分区概念提出了严峻的挑战。就近些年来有关感觉皮层(主要包括听觉、视觉和躯体感觉皮层)对多感觉刺激信息整合的研究进行综述,以增加人们对大脑皮层功能的新认识,为感觉信息处理和编码及感觉信息整合的后续研究提供借鉴。     

基于表面的形态学分析在音乐家大脑结构磁共振成像中的应用

研究训练导致的脑可塑性变化对于理解人类大脑的功能是极其重要的,而音乐家的大脑是研究此类问题的一个理想模型。文章通过对性别年龄相匹配的16位音乐家和16位非音乐家大脑的结构磁共振成像进行基于皮层表面的脑形态学分析,统计对比了大脑皮层的一阶及二阶形态特征。结果显示:音乐家在枕上回、颞上沟、顶下小叶及中央旁小叶区域具有更大的皮层表面积;在胼胝体附近皮层展示出更高的平均皮层厚度;在枕叶、颞叶、额叶及顶叶中与视觉、躯体运动、情绪、运动控制、听觉及躯体感觉等功能相关的若干脑区,展示出更高的皮层形态复杂度。长期的音乐训练可能会使得音乐家大脑在基本的感知和运动系统,以及情绪相关脑区,具有更显著的皮层形态特征改善。这些结果为我们更好地理解音乐训练相关的大脑结构可塑性增添了新的证据。     

自身运动感知中视觉-前庭整合的研究进展

日常生活中,机体利用自己的感官,以不同的感觉通路(视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉、前庭觉和本体觉等)获取环境中的信息以及自身相对于环境的信息,输入大脑进行加工处理,并作出反应。这些不同模态的感觉输入信息在大脑中存在跨模态(cross-modal,如视觉和听觉、听觉和嗅觉,甚至跨越三种或更多感觉模态信息)相互整合,从而对动物的感知、运动、学习记忆和决策等起着非常重要的作用。在过去的十几年里,多感觉整合研究领域吸引了一批学科交叉的科学研究人员,极大地推进了这一研究领域的发展。本文着重介绍自身运动感知过程中视觉和前庭信息整合机制的研究进展,分别从多感觉整合发生的脑区、神经元对多感觉信息的编码特性以及神经元活动与行为的关系三个方面进行综述,并对未来的研究方向进行展望。     

面孔社会性线索的加工机制

本文旨在综述面孔社会性线索加工的神经机制。通过系统回顾面孔社会性线索相关的研究,分别从面孔情绪、面孔吸引力、眼睛注视方向和面孔朝向以及唇读四个角度阐述其加工的神经机制。首先简要阐述了人类大脑对面孔刺激的一般加工机制,包括下颞叶梭状回面孔区、颞上沟后部面孔区和枕下回的枕叶面孔区等脑区在加工面孔刺激中的功能。接下来探讨了大脑对情绪面孔的加工。情绪面孔加工主要包括对面孔的知觉编码和情绪编码。研究显示,除了视觉皮层的面孔加工区之外,杏仁核在情绪编码中具有重要作用。神经系统对面孔表情的反应受到情绪类型、情绪面孔的动态性以及情绪面孔阈下呈现等因素的影响。在面孔吸引力加工方面,研究表明高吸引力面孔会激活奖赏相关的神经环路,但是吸引力对神经活动的具体影响目前仍存在争议。对面孔吸引力的神经反应可能受实验任务类型、观察者性取向和性别、观察者心理因素、面孔其他社会线索等因素的调节。眼睛注视方向和面孔朝向线索则和视觉注意有关,其神经加工系统除了包括面孔加工区外,还包括和注意相关的顶内沟等区域。关于唇读的研究则表明唇读在言语知觉中具有重要作用,可以激活听觉皮层和言语相关皮层。最后,一方面总结了以上各方面实验证据对面孔信息加工理论的支持和改善作用,另一方面进一步探讨了特殊人群中这些加工存在的缺陷,并指出了该领域未来的研究方向。     

基于时间机理与部位机理整合的鲁棒性语音信号表达

传统语音信号谱特征的提取是基于ＦＦＴ 的能谱分析方法,在噪音环境情况下,对噪音的频谱成分与语音信号的频谱成分的处理采用“平均主义”的原则。也就是说噪音的频谱成分与语音信号的频谱成分占同等重要的地位。显然在噪音环境中这种处理方法会使噪音掩蔽掉语音信号的成分。在听觉系统中这种处理编码方式如同耳蜗滤波器的频率分析功能那样,也就是部位机理。实际上听觉系统对噪音和周期信号的处理不是“平均主义”原则,而是对周期信号敏感, 对噪音不敏感,听觉神经纤维通过神经脉冲发放的周期间隔来编码刺激信号, 这对应听觉处理机制中的时间编码方式。基于这两种处理机制,文中提出整合部位机理和时间机理的方法,这正是听觉的处理刺激的方式。这样处理的方法很好地结合了两种处理机制的优点,能有效地探测噪音环境中的语音信号     

纹状体神经通路与运动调控

纹状体(striatum)是机体运动中枢的关键组成部分,对机体随意运动、非意识性运动、肌张力、身体姿态、精细运动等调节均发挥重要作用。纹状体功能异常导致运动失调:一类为运动减少,肌张力亢进,如帕金森病;另一类为运动过多,肌张力不足,如舞蹈病。一般认为,纹状体接收大脑运动皮层传来的运动相关信号,经其加工处理后,经丘脑返传回运动皮层,最终由运动皮层发出运动执行信号,经锥体系完成运动。可见,纹状体的运动调控功能有赖于复杂的神经通路系统。本文综述近几年来有关纹状体神经通路与运动调控的研究进展,以期更深入理解纹状体运动调控神经机制及其与临床疾病的关系。     

生物运动识别的信息加工机制

识别其他生物体的运动对于个体的生存和社会交互都有极为重要的意义.本文首先基于生物运动识别的行为学、心理物理学、脑损伤和精神障碍研究介绍了生物运动识别的一些特性和影响因素;然后基于神经影像学、脑损伤和神经电生理学研究从视觉系统背腹侧双通路加工的角度,梳理了其信息加工机制的进展;最后对生物运动识别信息加工神经机制的研究方向提出了一点建议,并指出研究过程中需要注意的问题.     

特定方位的光栅识别学习不改变猫外膝体背核神经元的方位敏感性

视觉信号识别训练可改变视觉通路神经元的可塑性, 其神经机制尚不清楚。已有少数研究显示, 动物(猴) 长时间进行特定方位的光栅识别学习后, 视皮层部分神经元对视觉刺激的反应表现出与学习任务相关的敏感性变化。这种敏感性变化是否亦存在于皮层下结构尚无报道。本实验训练两只成年猫分别进行水平和垂直方位的条形静止正弦光栅的识别以获得食物奖赏, 两只猫的行为识别能力逐渐提高, 4 个多月后识别的正确率达85%以上, 用与训练方位垂直的正弦光栅检测发现, 识别正确率明显下降。细胞外记录外膝体背核(Dorsal lat eral geniculate nucleus, dLGN) 神经元对不同方位正弦光栅刺激的反应显示, 与正常猫相比, 训练猫外膝体细胞的最优方位并未向着训练方位发生明显改变, 对于感受野位于中央区15度视角以内的细胞来说, 其方位选择性强度以及在训练方位的发放强度与正常猫无明显差异。以上结果表明, 猫对特定方位的光栅识别学习不改变外膝体神经元的方位敏感性, 其行为上方位识别特异性的提高可能与视皮层细胞的方位编码可塑性有关。     

听觉中枢神经元对声信号的识别和处理

人类听觉的基本特性和机制与其他哺乳动物相似,因此,利用动物所作的听觉研究和获得的结果,有助于认识人类自身的听觉.围绕听觉中枢神经元对不同模式的声信号的识别和处理,简要综述了这方面的研究.声信号和声模式识别在听觉中枢对声信号的感受和加工中具有重要意义.听神经元作为声模式识别的结构和功能基础,对不同的声刺激模式产生不同反应,甚至是在同一声刺激模式下,改变其中的某个声参数,神经元的反应也会发生相应改变,而其反应的特性和机制均需要更多研究来解答.另外,声信号作为声信息的载体,不同的声信息寓于不同的声参数和声特征之中,研究发现,听觉中枢神经元存在相应的声信息甄别和选择的神经基础,能对动态变化的声频率、幅度和时程等进行反应和编码,并且,在不同种类动物上获得的研究结果极为相似,表明听觉中枢对不同声信号和声刺激模式的识别、分析和加工,具有共同性和普遍性.     

弱背景噪声对大鼠听皮层神经元频率调谐的影响

在自然环境中,人和动物常在一定的背景噪声下感知信号声刺激,然而,关于低强度的弱背景噪声如何影响听皮层神经元对声刺激频率的编码尚不清楚.本研究以大鼠听皮层神经元的频率反应域为研究对象,测定了阈下背景噪声对79个神经元频率反应域的影响.结果表明,弱背景噪声对大鼠初级听皮层神经元的听反应既有抑制性影响、又有易化性影响.一般来说,抑制性影响使神经元的频率调谐范围和最佳频率反应域缩小,易化性影响使神经元的频率调谐范围和最佳频率反应域增大.对于少数神经元,弱背景噪声并未显著改变其频率调谐范围,但却改变了其最佳频率反应域范围.弱背景噪声对63.64%神经元的特征频率和55.84%神经元的最低阈值无显著影响.神经元频率调谐曲线的尖部比中部更容易受到弱背景噪声的影响.该研究结果有助于我们进一步理解复杂声环境下大脑听皮层对听觉信息的编码机制.     

昆虫气味认知的嗅觉神经结构及分子机制

大多数昆虫主要通过气味认知感知外界环境的变化,维持生命活动。探究昆虫气味认知的嗅觉系统神经结构及分子机制,对于完善气味认知神经生物学理论及利用其原理进行仿生学研究等有重要的科学意义。近年,关于昆虫气味认知科学研究有了很大的进展。本文从昆虫神经生物学的视角详细综述了近年关于昆虫气味认知的嗅觉神经结构、分子机制及气味信号的神经传导途径等方面的基本理论及最新研究成果。综述结果显示:昆虫对气味的认知是通过嗅觉神经系统的触角感器、触角叶(AL)、蕈形体(MB)等脑内多层信号处理神经结构来实现的。当外界气味分子进入触角感器内后,由感器内特定的气味识别蛋白(OBP)将气味分子运载到达嗅觉感受神经元(ORN)树突膜上的受体位点,气味分子与表达特定气味的受体(OR)结合产生电信号,并以动作电位的形式通过ORN的轴突传到脑内的触角叶。在触角叶经过嗅觉纤维球对气味信息选择性加工处理,再由投射神经元(PNs)将初步的识别和分类的气味信息传到蕈形体和外侧角(LH)等神经中枢,实现对气味的识别和认知。虽然,近年昆虫气味认知神经生物学的研究有了很大的进步,但是,我们认为目前的研究成果还不能完全阐明昆虫气味认知的神经机制,还有很多问题,例如,触角叶上众多的嗅觉纤维球是如何对嗅觉感受神经元传入的气味信息进行编码处理的?等有待进一步深入研究。为了搞清这些疑难问题,我们认为需要提高现有的实验技术水平,加强电生理学和分子神经生物学相结合的实验研究,从分子水平探究气味认知的神经机制可能是未来研究的热点。     

A型肉毒毒素注射影响情绪加工的认知神经机制

A型肉毒毒素（简称肉毒素）可引起可逆的局部肌肉麻痹，注射于特定面部肌肉可影响个体的情绪体验，还会干扰个体对情绪性材料（面部表情、语言文字和视频）中情绪信息的加工。认知神经科学研究发现，注射肉毒素会影响杏仁核的激活，影响奖赏系统的功能，以及其他大脑皮层的认知神经功能。面部反馈假说和社会反馈假说分别从个体与社会层面对肉毒素的作用加以解释：注射肉毒素使被注射者的肌肉反馈减少，弱化相应情绪的体验和加工；人际交往中，面部模仿使观察者的情绪体验与被注射者趋同，反过来同样影响被注射者的情绪体验。基于已有研究，本文提出面部反馈与社会反馈的整合模型对注射肉毒素影响情绪加工的认知神经机制进行系统阐释。未来研究可拓展相关的研究范式和方法，关注肉毒素注射对不同层面和水平的情绪加工的影响，及其相应的认知神经机制，进一步明确面部反馈与社会反馈的相互作用，并且考察肉毒素用于抑郁症等心理疾病治疗的作用机制。     

综述: 渐近优先性及其机制

对渐近信号的优先加工被称为渐近优先性,该效应普遍存在于人类和动物的视觉、听觉和跨感觉通道中.人类神经影像学研究发现负责加工渐近信号的脑区涉及一个大规模相互协作和沟通的分布式神经网络,包括颞上沟、颞顶叶连接处以及一些运动区.对多种动物的细胞水平研究也发现了对渐近信号选择性敏感的神经元和神经通路.威胁论、注意捕获理论和自动加工理论从不同角度解释了渐近优先性产生的原因.未来研究可进一步考察刺激的社会、情绪等属性对渐近优先性的影响,探索多通道渐近渐远信息的整合和注意分配机制.     

物体生命度和真实大小在腹侧视觉通路上表征的研究进展

大脑如何感知物体并对感知到的物体进行类别的划分,这是视觉认知神经科学研究的重要目标之一。先前的研究证明,当我们看到物体时,大脑腹侧视觉通路能够对看到的物体进行识别并分类,进而使我们在行为上产生针对物体的不同交互方式。本文总结了腹侧视觉通路与物体视觉分类相关的最新研究进展,从物体在视觉皮层中的神经表征和机制等方面阐述了物体生命度与真实大小这两个重要组织维度的研究现状,提供了新的见解,同时指出了进一步研究的方向。     

渐近优先性及其机制

对渐近信号的优先加工被称为渐近优先性,该效应普遍存在于人类和动物的视觉、听觉和跨感觉通道中.人类神经影像学研究发现负责加工渐近信号的脑区涉及一个大规模相互协作和沟通的分布式神经网络,包括颞上沟、颞顶叶连接处以及一些运动区.对多种动物的细胞水平研究也发现了对渐近信号选择性敏感的神经元和神经通路.威胁论、注意捕获理论和自动加工理论从不同角度解释了渐近优先性产生的原因.未来研究可进一步考察刺激的社会、情绪等属性对渐近优先性的影响,探索多通道渐近渐远信息的整合和注意分配机制.