相信我們每人都會有這樣的體驗，即便是在嘈雜的環境中，對于熟悉的聲音我們都能夠準確識別出來。這看似一個稀松平常的事件，但是在這背后卻存在著一個長期難以解決科學問題：大腦的聽覺中樞如何以閃電般的速度放大并解碼一個聲音？

近日，美國哥倫比亞大學神經工程學院的一個研究團隊揭示了這種現象背后的大腦運行機制，并在《Neuron》雜志上發表了他們的研究結果。此外，Nima Mesgarani博士還宣布：在這項研究的基礎上開發出一款新型的助聽器。這款助聽器使用腦機接口（BCI），在語音合成器的幫助下將腦波模式轉換為語音。

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.09.007

早在2012年，哥倫比亞大學Mortimer B. Zuckerman大腦研究所Nima Mesgarani博士所在的團隊就已經發現：人類大腦對聽到的聲音是有選擇性的。當一個人聽別人說話時，他們的腦電波會發生變化，以識別說話人的聲音特征，進而忽略其他聲音。

解碼聲音兩步走戰略

大腦中有一塊神奇的區域——聽覺皮層，當外部世界雜亂的聲波通過內耳向大腦傳遞信號時，聽覺皮層便能準確地從雜亂的聲音中挑出有意義地信息傳遞給大腦。聽覺皮層是有層次的，每一層都會對聲音進行不同程度的解碼。其中有兩個層次結構是：顳橫回(HG)和顳上回(STG)。研究人員發現來自內耳的信息首先到達HG，然后通過它到達STG。

Nima Mesgarani和James O'Sullivan博士

研究人員找到了一些癲癇患者，其中一些人需要定期接受腦部手術。Nima Mesgarani和James O'Sullivan博士通過給患者植入電極以監測HG或STG區域的腦電波。電極的作用在于幫助研究人員明確區分HG和STG這兩個大腦皮層在解碼聲音時的作用。

癲癇患者的神經反應

數據顯示，HG創造了一個豐富的、多維度的混合聲音，每一種聲音以不同的頻率顯示出來，在HG這個地區，大腦會“一視同仁”，并沒有表現出對某種聲音的偏愛，而是平等地對待每一種聲音。然而，從STG收集的數據似乎講述了一個截然不同的故事。通過權衡HG發出的信號，STG區域便會過濾掉一些聲音，留下一種頻率的聲音進行放大。

聽覺對象在HG和STG中的表現

綜上所述，這些發現揭示了聽覺皮層這兩個區域的職責劃分：HG進行編碼，而STG進行選擇。而這一切發生在150毫秒左右，對人類來說就是一眨眼的功夫。

此外，研究人員還發現STG的其他作用。在進行選擇后，STG區域會對一種聲音形成一個印象，即使語音被另一位發言者所覆蓋（例如，兩個人彼此交談時），STG仍可以將所需的講話者表示為一個統一的整體，不受競爭聲音的音量影響。

新型助聽器給耳聾患者帶來福音

這項研究中收集到的信息可以作為人工模仿這一生物過程算法的基礎，進而更好地應用在助聽器中。在今年早些時候，Mesgarani博士和他的團隊宣布開發了一種大腦控制的助聽器，這對于耳聾或是癲癇患者而言無疑是一大福音。

據了解，新研發的腦機接口的助聽器擁有與Apple Siri相同技術，能夠對日常生活的問題進行口頭答復。研究人員計劃在越來越復雜的場景中研究HG和STG的活動，這些場景具有更多的說話者或包含視覺提示。這些努力將有助于為聽覺皮層的每個區域如何運作提供詳細而精確的圖像。

軍事優先應用？

值得一提的是，這項技術是美國國防高級研究計劃局（DARPA）的一個研究結果，DARPA與軍事用戶合作，完善了用于作戰用途的個性化學習（PAL），并與國防采購界合作，將PAL技術轉換為軍事系統。

您認為Mesgarani博士的這款使用BCI和聲碼器將腦波轉換為語音的助聽器會首先用于軍事還是醫療保健呢？

參考資料：

[1] How the brain dials up the volume to hear someone in a crowd

[2] Hierarchical Encoding of Attended Auditory Objects in Multi-talker Speech Perception

原標題：Neuron：模擬人腦過濾無效聲音信息，這款腦機接口助聽器是軍事武器還是醫療天使？