我们的大脑有一种非凡的能力，能从众多声音中挑选出我们想听到的声音。
现在，哥伦比亚大学的一个神经工程师团队已经揭示了其中的奥秘。今天的发现有助于解决一个长期存在的科学问题，即大脑的听觉中枢——听觉皮层如何以闪电般的速度解码和放大一个声音。这项新发现还将促进助听器技术和与大脑更相似的脑-机接口的发展。
这些发现发表在今天的《神经元》杂志上。
“所谓的‘鸡尾酒效应’，指的是人在嘈杂的环境中，依然可以把注意力集中于某一个人的谈话，但我们对这其中的原理知之甚少,”Nima Mesgarani博士，该论文的资深作者，哥伦比亚大学莫蒂默·B·扎克曼心智大脑行为研究所的首席研究员说道。“今天的研究加深了我们的理解，这对致力于改善语音和听力技术的科学家和创新者来说至关重要。”
听觉皮层是大脑的听觉中枢。内耳向大脑的这一区域发送电信号，这些电信号代表着来自外部世界的杂乱的声波。然后，听觉皮层必须从这些杂乱的声音中挑选出有意义的声音。
“研究听觉皮层如何整理不同的声音，就像试图弄清楚大湖里发生的事情一样，在这个湖里，船、人和鱼都在快速地移动，而你只能通过水的波纹来进行判断，“Mesgarani博士说，他也是哥伦比亚大学电气工程系的副教授。
该论文以该团队2012年的研究为基础，这一研究表明，人类大脑对听到的声音是有选择性的。当一个人听别人说话时，他们的脑电波会发生变化，以识别说话人的声音特征，而忽略其他声音。研究人员想要了解这在听觉皮层内是如何发生的。
“我们早就知道，听觉皮层区域是有层次性的，每一层级的解码越来越复杂，但是我们没有观察到特定说话人的声音是如何被逐级处理的，” James O'Sullivan博士说，他是该论文的第一作者，在Mesgarani实验室做博士后研究时完成了这项工作。“为了理解这个过程，我们需要直接记录大脑的神经活动。”
研究人员对听觉皮层的两个层次特别感兴趣：颞横回(HG)和颞上回(STG)。来自外部的信息首先到达颞横回，然后通过它到达颞上回。
为了了解这些大脑区域，研究人员与神经外科医生Ashesh Mehta博士、Guy McKhann博士、Sameer Sheth博士、神经学家Catherine Schevon博士、Jose Herrero博士和Elliot Smith博士合作。哥伦比亚大学欧文医学中心和诺斯威尔健康中心的医生为癫痫患者进行治疗，其中一些患者必须定期进行脑部手术。在这项研究中，患者自愿听人们说话的录音，而Mesgarani博士和O'Sullivan博士通过在患者的HG或STG区域植入电极来监测他们的脑电波。
电极使研究小组能够明确区分两个脑区在解码声音时的作用。数据显示，HG创造了一个丰富的和多维度的混合声音表现，每个说话人的声音通过频率的不同进行区分。这个区域没有表现出对某种声音的偏好。然而，从STG收集的数据展示了截然不同的结论。
O'Sullivan博士说：“我们发现，人可以通过正确衡量HG的输出信号来放大某一个人的声音或其他声音。根据我们的记录，STG区域进行这种权衡似乎是合理的。”
综上所述，这些发现揭示了听觉皮层这两个区域的职责划分：HG进行展现，STG进行选择。这一切发生在150毫秒左右，对听者来说似乎是瞬间的事情。
研究人员还发现了STG的另一个作用。经过选择后，STG形成了一个听觉对象，一个声音的表征，类似于我们用眼睛看到的对象的心理表征。这表明，即使一个声音被另一个说话者所掩盖，例如当两个人互相交谈时，STG仍然可以将所期望的说话者作为一个统一的整体来表现，而不受其他声音的音量的影响。
这里收集到的信息可以作为复制这一生物过程的算法的基础，例如用于助听器。今年早些时候，Mesgarani博士和他的团队宣布开发了一种大脑控制的助听器，它利用这一算法来放大某一说话者的声音。
研究人员计划在更加复杂的场景中研究HG和STG的活动，这些场景中包含更多的说话者或包括视觉提示。这些努力将有助于我们更加详细而精确地理解每个区域的听觉皮层如何运作。
“我们的最终目标是更好地理解大脑如何使我们更好地听到我们期望的信息,以及创建技术帮助那些听力受损的人”Mesgarani博士说。“今天的研究是实现这一目标的道路上的一个关键点。”
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