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.     

音乐训练影响儿童语音意识的认知神经机制

音乐是一种听觉艺术形式,在儿童教育和发展中,尤其是语言能力发展中扮演着重要角色。语音意识是个体感知识别、分析和运用语音的能力,是预测儿童语言读写能力的重要指标。本文梳理了近十年来音乐训练影响儿童语音意识的研究证据,并讨论了音乐训练可能促进语音意识的神经基础和解释模型。大量研究表明,音乐训练可以在行为水平提高儿童在语音意识测量任务上的成绩。此外,音乐训练从两方面影响语音加工的神经基础：一方面通过影响皮层下基本听觉神经通路与大脑听觉皮层,促进儿童前注意水平的语音感知能力;另一方面通过影响语音加工大脑区域间的功能连接,促进语音编码,强化语音加工的听觉-运动整合功能。相关神经机制为音乐训练促进儿童的语音意识提供了生物学基础。基于已有研究,本文提出综合的层级模型对音乐训练影响儿童语音意识的认知神经机制进行系统的解释,该模型认为音乐训练影响语音意识的认知神经机制分为3个层级：第一层级,音乐训练通过影响基本听觉神经通路促进了语音的基本听觉加工,其中节奏训练促进对语音时长信息的感知,音高训练促进对语音频率信息的感知;第二层级,音乐训练通过影响语音加工的神经网络,进一步促进语音编码,其中节奏训练主要促进...     

抽象概念语义表征的认知神经基础研究

抽象概念是人类概念系统的重要组成部分。随着脑功能影像技术的推广和广泛应用,以具体的客体和动作概念为研究对象的概念神经基础研究取得了一系列重要进展,但人脑表征和加工抽象概念的机制一直是个未解之谜。本文综述了抽象概念的认知理论和脑功能影像研究进展,发现抽象概念可通过语言和潜在具身信息进行表征,抽象概念的脑区基础与此认知框架有一定对应。未来研究需澄清语言和具身认知在抽象概念表征和加工的参与机制及其脑基础,从而推动人脑概念系统和相关类脑研究的进展。     

名词和动词加工的认知神经机制

关于名词和动词加工的认知神经机制,神经心理学和脑功能成像研究得出两种不同的结果:前者主张名词和动词认知加工的神经机制专门化,两者的神经机制分离;后者认为名词和动词认知加工的神经机制不分离。对此,语言表征的神经生物学及语义联想学分别给出了不同的解释。     

认知地图的神经环路基础

空间记忆是人类认识世界和改造世界的基本认知能力,与我们的生活息息相关.无论是寻找常用的生活物件,如钥匙和手机,还是外出上班、购物和约会,都依赖我们对周围环境的记忆.截止到目前已有大量研究从不同水平探讨大脑如何表征其周围环境,但仍然有很多未解的问题.本文系统综述了基于脑成像和神经电生理技术开展的空间记忆研究进展.通过梳理以往研究中有关生物体在构建认知地图的神经结构和神经活动规律,提出了海马结构和新皮层对空间记忆的编码环路和表征机制,并在此基础上对未来研究进行了展望.     

多方式认知功能成像研究进展

对大脑结构和功能的深入研究要求认知功能成像技术同时具有高时间分辨率和高空间分辨率.多方式认知功能成像通过不同成像技术fMRI/PET和EEG/MEG的结合,能够同时在空间定位和时间过程上研究大脑认知活动的动态过程.多方式认知功能成像已经被成功地应用于选择性注意、视觉通路、随意运动和语义加工等的研究,并揭示了相关大脑活动的空间和时间特征.今后的研究将进一步提高多方式认知功能成像的时空分辨率和准确性,以更深入地探索认知功能的神经机制.     

汉语数词和数字脑加工差异的功能磁共振成像研究

数字加工是人类最重要的认知功能之一,数字加工与语言之间的关系也一直是认知神经科学的研究焦点.本文采用功能磁共振成像技术,通过比较阿拉伯数字和汉语数词对数字大小比较任务加工的影响,考察了语言与数字加工的关系.结果显示,不同语言编码影响了脑内数字处理加工的模式,在以汉语数词为编码的情况下,梭状回的激活显著高于阿拉伯数字为编码的情况,顶叶的激活则弱于以阿拉伯数字为编码的情况.这表明数字加工会受到语言编码的影响,支持了数字加工与语言密切相关的观点.     

预测性编码在视听觉神经活动中的典型表征

现代神经科学研究指出，大脑是外部世界的“预测器”，它能根据先验知识和当前信息对即将到来的感觉信息进行主动估计，从而完成与外部世界的高效交互。预测性编码是描述预期作用机制的主要理论模型，梳理其在解释视、听觉神经现象方面的研究进展，可为深入理解大脑工作模式提供新的理论基础。本文简述了预测性编码的内容；从常用范式、典型现象、面临争议等方面梳理预期与感觉输入相互作用的典型研究；从有预期无刺激的神经表征、预期相关神经振荡模式两方面简述预期独立于刺激的内源性神经表征；进而回顾了支持预测性编码中分级结构的神经生理证据及重要神经结构。最后，本文从深化理论研究、助力疾病诊疗、启发脑-机接口技术等方面对预测性编码相关研究的发展进行了展望。深入理解预测性编码在视、听觉神经活动中的计算模型及神经表征，有望为揭示大脑感知觉神经活动工作模式开辟新途径。     

基于fMRI的脑功能整合数据分析方法综述

脑功能成像在人脑信息处理和认知活动的神经关联中发挥了不可轻视的作用.从大脑功能整合出发,可以将脑功能成像数据分析方法分为探测大脑功能整合的功能连接和有效连接两方面,功能连接探究空间远离的两个脑区之间的连接,有效连接研究一个脑区对另一个脑区作用的大小.根据这两个概念,相应地可以将功能磁共振数据分析方法分为两大类.本文着重...     

视觉注意与神经振荡

人脑每时每刻都要接收大量视觉信息，由于人脑加工信息的能力有限，所以在较大视野内将注意分配给相关信息，同时抑制引起注意分散的不相关信息，对执行目标导向的行为至关重要。这种对视觉信息的选择性和主动性加工以适应当前目标的过程被称作视觉注意（visual attention），且视觉注意可分为自上而下的注意与自下而上的注意两种不同功能。由于来自大脑电信号的神经振荡活动在认知加工中发挥重要作用，已有研究综述了视觉注意与神经振荡（neural oscillation）的密切关系，但并未涉及不同的注意功能与神经振荡的关系。本文系统性调查了不同注意功能与神经振荡的关系，发现额-顶区域的theta频带振荡活动反映了自上而下的认知控制，而后部脑区的theta振荡与自下而上的注意相关。顶-枕区域alpha振荡的偏侧化有助于注意分配，而alpha频带的大规模同步促成了注意对视皮层自上而下的影响。Beta振荡介导了自上而下的信息与自下而上的信息之间的互动，作为信息载体促进了视觉信息处理。Gamma振荡则可能与自上而下和自下而上的注意间整合相关。本文就视觉注意功能与神经振荡关系的研究现状展开综述，旨在揭示不同的神经振荡活动在特定的视觉注意功能中的作用。     

视觉信息加工

人和动物的脑是世界上最复杂、最有效的信息加工系统。研究感觉信息的接收、传递、加工辨识和利用,是揭示脑奥妙的突破口,对研究人脑高级神经活动有重要科学意义。现已查明,几乎人脑的各个部分都与视觉反应有关。视觉是个极其复杂的多级过程,外界物理光能在眼睛视网膜内转变成神经电化学能,经过神经编码和初步加工,视觉信息被传递到脑     

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。     

神经元活动依赖工具开发应用的研究进展与展望

大脑存在数量众多而功能异质的神经元,在响应刺激输入时,特定的神经元类群集结成印迹,构成细胞和环路水平的功能编码单元.为了解析这些功能编码单元,即早基因(IEG)激活、环腺苷酸反应元件结合蛋白(CREB)表达增高及Ca~(2+)内流等细胞活化的特性被相继开发成活动依赖工具,并被大量应用于记忆印迹和事件编码神经集群的解析研究.本文对LacZ-Daun02失活系统、CREB过表达系统、四环素标签工具(TetTag)、活性类群靶向重组工具(TRAP)、活化神经集群捕获工具(CANE)、人工改造的活性启动子工具(E-SARE和RAM)以及光控钙离子依赖工具(Ca-Light和FLARE)等活动依赖工具的原理及应用进行了综述,并展望了活动依赖工具的开发前景.     

时间结构信息在人类知觉中的作用及其脑机制

外界信息包含了丰富的时间结构,提取这些时间结构信息对于人类适应动态变化的环境具有重要的意义。然而,纵观认知科学领域,目前尚缺乏对这一问题的系统探讨。本文总结了时间结构信息的类型及特性,综述了视觉和听觉过程中,不同类型的时间结构信息广泛参与并调节认知活动的行为证据,及产生这些现象的神经基础。据此,本文提出对时间结构信息的提取和利用是人类认知的基本特点。来自不同通道、源于不同规律的时间结构信息不但可以通过调制神经振荡及诱发预期编码等机制在大脑中得到表达,还可以在此基础上有效调节知觉、注意甚至无意识信息加工等过程。同时,不同的时间结构信息也可能通过各自特异性的加工机制对认知产生影响。上述观点为理解大脑如何利用多样性的时间结构信息优化动态信息处理提供了理论基础,也激发研究者对这些现象背后的脑机制展开更加深入的探索。     

fMRI技术在犬科动物认知领域研究的应用

家犬(Canis lupus familiaris)与人类社会生态高度融合,已成为人类解析认知进化理论、进行比较认知研究、开展人类认知功能障碍性疾病研究的一种自然模型动物。功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)是一种非侵入式、安全的能反映生物体大脑神经活动时空分布的神经影像学技术,近年来被应用于家犬行为认知特征神经机制的研究。本文简介了fMRI技术;概述了部分研究者使用视觉、嗅觉、听觉等不同的实验范式对家犬大脑开展fMRI,定位不同实验范式下被激活的大脑功能区,从而揭示家犬认知的神经机制;总结了fMRI技术在犬认知研究中技术和方法上的挑战。以期为国内开展家犬等动物认知研究者提供新的技术方法。     

自然界信号的1/f特征和感觉神经系统响应特性

众多实验证据表明,大脑感觉神经系统对自然信号的处理比对人工信号有着更高的效率,这可以理解为是自然进化的结果.那么大脑神经系统究竟是"适应"了自然信号的哪种统计特性?或者说神经元或神经网络信息处理的数学函数究竟对应什么样的自然信号特性,使得其可以发挥最大的响应性能?搞清楚这个问题对于理解大脑工作机制和发展类脑人工智能具有重要意义.与此相应,本研究组了解到自然界信号普遍存在着一种统计特性—1/f特征,即信号的功率谱能量密度P(f)随频率f增加而依幂律下降,其关系可以被描述为P(f)~1/f~β,(β~=1).例如,自然界的花草树木景色、海水的流速、心脏跳动、音乐、语言、大脑脑电信号等均呈现出1/f特征.虽然至今1/f特征产生的物理机制仍然是个迷,但很显然,研究清楚大脑神经系统如何响应1/f信号特征,以及理解大脑脑电信号形成1/f特征的神经过程,对于理解大脑对自然界信号的神经信息处理和信号表征机制至关重要.本文将回顾这一研究方向的相关实验和理论证据.     

听觉诱发脑电小波分量的混沌研究——婴儿痉挛症认知功能障碍的机制探讨

通过对婴幼儿期难治性癫痫———婴儿痉挛症(infantile spasms, IS)听觉诱发脑电细貌混沌特性的研究,探讨与IS相伴的认知功能障碍的发生机制。研究方法是分别记录IS组及正常对照组对象的听觉诱发脑电,经Mexihat连续小波变换后,分别计算信号各尺度小波分量的相关维数。结果表明IS组与正常对照组的各小波分量相关维数的差别主要表现在小波的第3尺度分量上(频带范围是32~64 Hz,主要为γ频带范围),在这个尺度上正常组相关维数明显低于IS组(P<0.05)。相关维数的降低意味着大脑活动自由度的减少,表明大脑的各单元耦合加强。因为正常组脑干内信息传递通道完好,使得大脑各个单元之间的信息耦合较强; IS组则由于脑干功能的异常,存在神经信息传递障碍,进而影响到脑干及其与大脑各个局部之间的信息耦合。小波第3尺度处于较高频率范围(γ频带范围),而在大脑皮层上的基频信号与听觉调频信号经加工后所产生的神经信号正在这一频率范围,且这一信号与大脑高级认知功能密切相关。因此,IS患者γ频带细貌信号的相关维数高于正常值,能够解释IS认知功能发生障碍的原因。     

功能磁共振和脑电神经成像技术与大脑刺激相结合的研究进展

随着对神经机制问题阐述水平的迅速提高,所应用的神经成像技术、方法及各种工具的复杂程度也在不断提高．一方面是神经成像技术本身的不断发展,另一方面则是大脑直接刺激与神经成像技术同步记录方法的发展．经颅磁刺激-功能磁共振成像同步技术(TMS-fMRI)和经颅磁刺激-脑电技术(TMS-EEG)能为研究大脑网络的功能和有效连通性提供技术手段,该技术在多种认知领域的发展和应用,为神经科学、认知心理学、神经信息学等学科的研究者对人脑的研究开启了多条通道,更加有利于深入地理解人类大脑的工作机制．     

静息态fMRI在神经、精神类疾病中的研究进展

静息态功能磁共振(resting-state functional MRI,rs-fMRI)是近年出现的一种新的fMRI技术,它通过研究大脑静息状态的自发活动来反映复杂的人脑活动状态,可为我们探索大脑活动的内部机制提供新的途径。由于它无需复杂的任务实验,近年来被广泛用于神经、精神类疾病的基础与临床研究。本文就近年来国内外对静息态脑功能磁共振在神经、精神类疾病中的研究做一综述。     

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。