研究发现：听觉皮层中声音序列响应的神奇 “捆绑” 密码

为解决听觉感知中如何将感觉源的属性绑定以统一感知的问题，埃默里大学的研究人员开展了关于雪貂听觉皮层中时间相干性诱导声音序列响应绑定的研究，发现时间相干性在绑定和分离声音序列响应中起关键作用，这为理解听觉感知机制提供了重要依据。

　　在嘈杂的鸡尾酒会上，人们却能轻松分辨出不同人的声音，这看似平常的能力背后，隐藏着复杂的神经科学奥秘。在听觉感知的世界里，将一个感觉源的各种属性（如音高、音色和位置）绑定在一起，使其在周围场景中被感知为一个统一的实体，是一项至关重要的任务，这一过程被称为 “绑定（binding）” 。科学家们推测，一个声音源的特征的相干时间调制（coherent temporal modulation）可以将这些特征绑定在一起，并增强对它们的感知。然而，尽管这一理论在过去十年中得到了许多心理声学测试、EEG/MEG 和单单元听觉皮层反应研究的支持，但仍缺乏直接证据证明在雪貂听觉皮层中，相干响应的单个神经元之间是否存在快速绑定。
为了深入探究这一神秘的听觉感知机制，埃默里大学（Emory University）的 Kai Lu 等人开展了一系列研究。研究成果发表在iScience期刊上。
研究人员主要采用了单单元记录（single-unit recordings）和功能超声（fUS）成像技术。实验对象为 5 只成年雌性雪貂，通过精心设计的实验，观察雪貂在不同声音刺激下听觉皮层的神经元反应。
研究结果主要通过两个实验得出：
实验一：绑定和选择性注意
雪貂被训练只关注高频噪声序列（N），并检测其中的小强度变化以获得水奖励。同时，向雪貂播放同时存在的噪声序列和两个低频音调序列（A 和 B），其中 A 或 B 序列与噪声同步（SYN）或异步（ASYN）。通过对雪貂初级听觉皮层（A1）的单单元记录，研究人员发现，神经元的反应取决于刺激条件和雪貂的行为状态。在主动任务状态下，与噪声异步的音调驱动的神经元反应被显著抑制，而同步的神经元反应则相对稳定或略有增强，即 ，这一结果符合绑定假设。同时，任务参与增加了同步与异步反应之间的对比度（contrast），进一步证明了绑定的存在。此外，研究还发现，注意力在这一过程中起着关键作用，在被动聆听状态下，同步和异步反应的差异不明显。
实验二：随机图形背景（SFG）刺激
实验使用了由随机音调（背景）和中间插入的不规则重复的时间相干音调序列（图形）组成的 SFG 刺激。通过对雪貂听觉皮层神经元的反应进行单单元记录和 fUS 成像，研究人员发现，当图形中的音调与神经元的最佳频率（BF）对齐时，神经元的反应和频谱时间感受野（STRF）会增强。随着图形中音调数量的增加，与 BF 对齐的神经元比例增大，STRF 增强的细胞比例也增加，10 音调图形诱导的 STRF 增强最为显著。fUS 成像结果显示，较大的图形（如 8 音调图形）能引起更强的神经元反应，且反应在刺激开始后约 1 秒内迅速出现，3 秒内达到峰值，然后在图形结束后的时期内逐渐衰减，这与单单元记录的结果一致。
研究结论和讨论部分指出，该研究为绑定过程的神经相关性提供了重要证据，表明时间相干性在听觉场景分析中起着关键作用。实验结果与人类心理声学研究和生理记录结果一致，进一步支持了绑定依赖于信号时间相干性的理论。在实验一中，虽然抑制非相干响应的效果显著，但增强相干响应的效果相对较弱；而在实验二中，较大的图形能招募和同步更多神经元，导致响应增强。此外，研究还发现绑定过程的动力学较快，在几秒钟内即可发生，但达到峰值的时间相对较慢，约为 3 秒，且在刺激结束后，绑定效应不会持续很长时间。这一发现对于理解在现实嘈杂环境中的听觉感知具有重要意义，同时也为研究年龄相关的听觉功能衰退提供了新的视角，推测绑定过程的减弱或减慢可能是老年人在嘈杂环境中听力困难的原因之一。
总的来说，这项研究通过巧妙设计的实验和先进的技术手段，深入探究了雪貂听觉皮层中声音序列响应的绑定机制，为理解听觉感知的神经基础提供了重要的理论依据，也为未来进一步研究听觉系统的功能和疾病治疗奠定了基础。