Nature：大脑网络如何实现人类对话

一项新的研究发现，当我们在谈话中计划口头回答时，大脑回路是活跃的。这项研究的作者说，这项工作有望为750万使用声音有困难的美国人设计新的治疗方法。这项研究发表在1月5日的《自然》(Nature)杂志的网络版上

　　

这项研究发表在1月5日的《自然》(Nature)杂志的网络版上，重点研究了如何通过大脑计算实现这些回复，这些回复是在对话伙伴结束前计划好的，并在不到一秒的时间内说出的。

由纽约大学格罗斯曼医学院和爱荷华大学的研究人员领导的这项研究发现，在为瞬间的语言交流进行言语规划时，大脑的一些特定区域会活跃起来，其中包括以前没有与这一功能相关的区域。

纽约大学格罗斯曼医学院神经科学和生理学的托马斯和苏珊娜墨菲教授，资深作者Michael Long博士说:“我们的研究精确地指出了使这种往返成为可能的计划背后的大脑网络，这一直是难以捉摸的。”

他补充说,“这项工作承诺为750万使用声音有困难的美国人设计的新疗法,包括那些与失用症,演讲困难,失语症,处理语言困难,或者与自闭症或中风等引起的创伤。”

由三部分组成的过程

多年来，研究人员试图通过将电极放在头皮上的脑电图(EEG)将语音功能与大脑回路联系起来。这种装置可以测量电信号的快速波动，因为大量的神经细胞被“点燃”来传递电信号。但是，该研究的作者说，EEG不能以足够的分辨率精确地定位神经回路的位置，而功能性磁共振——另一种常用的技术——速度不够快，无法捕捉到与应答相关的会话活动模式。作者说，这些非侵入性的方法在该领域追踪大脑在日常对话中的活动的能力上留下了一个关键的盲点。

另一项技术，皮质电描记术(ECoG)克服了这些障碍，它不是将电极放在头皮上，而是直接放在大脑表面。快速、精确的ECoG测量显示，大脑通过将对听到的声音的感知、回复的计划和组成单词的声音(清晰度)的产生结合起来，实现了自然的对话。虽然其他的ECoG研究已经确定了与感知和生产相关的网络，但目前的研究是第一次捕捉到他们之间在回复计划阶段的大脑活动，这是最难研究的，作者说。

“研究人员可以与病人交谈，并在他们交谈或倾听时观察他们大脑回路的活动，但计划与身体没有关联，”Long说。“当我们将ECoG测量与一种询问患者结构性问题的技术相结合时，我们发现了一个潜在的规划网络。”

为了进行这项研究，研究小组在切除肿瘤或导致癫痫发作的脑组织的手术中，将电极放在患者的大脑表面。在这两种情况下，外科医生一开始只对患者进行局部麻醉，这样他们就可以确定患者说话时活跃的大脑区域，从而避免对患者的语言中枢造成损害。

研究人员在8名志愿者的大脑左半球放置了一系列ECoG电极。接下来，他们使用另一个实验室开发的范例——关键信息(CI)任务——来测量计划反应，该任务旨在控制计划的时间。在每个问题块中，一个不断变化的关键字，CI，决定了回答计划何时开始，这样大脑活动就可以在这个时间窗口中被跟踪

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通过改变每个问题的措辞，提前或推迟提出开始计划答案所需的关键信息，研究人员能够将与计划相关的大脑活动与感知和生产区分开来。重要的是，大多数皮层反应只与这三种语言过程中的一种有关，这表明神经网络在很大程度上是独立的。

此外，研究人员发现95.5%的计划电极聚集在大脑的一个空间不同的区域，大多数计划电极集中在尾侧额下回(cIFG)和尾侧额中回(cMFG)。虽然通常被称为“布罗卡区”的cIFG，长期以来一直被认为是语言的重要组成部分，但cMFG的角色此前尚未确立。

此外，研究小组还发现，当患者准备在自然的、无脚本的对话中发言时，与CI任务确定的规划网络也会活跃起来。在患者回答完这些结构化的问题后，研究人员让他们进行几分钟的随意的来回对话，在此期间，与感知、计划和说话有关的相同模式出现在患者的大脑活动中。

“这项研究首次描述了我们在自然的、日常的语境中说话时产生语言的特定大脑机制，”Long实验室的博士后研究员Gregg Castellucci博士说。他补充说:“关键是，我们发现的大脑图谱使用了简单的、可控的任务来测试人类的自然行为。”

除了Long和Castellucci，该研究的作者还有爱荷华大学神经外科的Christopher Kovach、Matthew Howard III和Jeremy Greenlee。资金由美国国立卫生研究院R01 NS113071和R01 DC015260以及西蒙斯全球大脑合作组织提供。

Journal Reference:

1. Gregg A. Castellucci, Christopher K. Kovach, Matthew A. Howard, Jeremy D. W. Greenlee, Michael A. Long. A speech planning network for interactive language use. Nature, 2022; DOI: 10.1038/s41586-021-04270-z

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NYU Langone Health / NYU Grossman School of Medicine. "How a brain networks enables human conversation." ScienceDaily. ScienceDaily, 5 January 2022. <www.sciencedaily.com/releases/2022/01/220105134518.htm>.

NYU Langone Health / NYU Grossman School of Medicine. (2022, January 5). How a brain networks enables human conversation. ScienceDaily. Retrieved January 6, 2022 from www.sciencedaily.com/releases/2022/01/220105134518.htm

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