7T磁共振揭示人脑层级听觉序列处理的跨空间尺度机制

《Nature Communications》：Cross-spatial scale processing of hierarchical auditory sequences in human brains revealed using 7?T magnetic resonance imaging

本研究针对听觉层级处理中皮层微环路与大规模脑网络整合机制不清的问题，通过7T高分辨率功能磁共振成像技术，结合动态因果模型(DCM)和层状fMRI分析，揭示了颞上回(STG)和额下回(IFG)在不同皮层深度的特异性激活模式。研究发现局部听觉信息由STG浅层输入，而全局序列信息主要由中层接收；前馈连接源自STG浅层投射至IFG中深层，反馈连接则通过IFG深层调控STG。该研究首次在人类听觉系统中验证了预测编码理论的多尺度神经架构，为理解大脑层级认知处理提供了新视角。

　　

当我们聆听一首复杂的交响乐或理解一段快速对话时，大脑需要在毫秒到秒级的不同时间尺度上处理声音信息。这种层级听觉处理能力是人类认知的核心，但其背后的神经机制一直是个谜。传统研究大多聚焦于宏观脑区活动，而对不同皮层深度（即微观电路）如何协同工作知之甚少。随着7T超高场强磁共振技术的出现，科学家们终于有机会以亚毫米分辨率窥探大脑皮层内部的精细活动。

近日发表于《Nature Communications》的研究通过创新性地结合全脑fMRI和层状fMRI技术，首次揭示了人脑在处理层级听觉序列时的跨空间尺度动态过程。研究人员采用改良的局部-全局范式，让参与者聆听由3-5个纯音组成的序列，并通过改变序列末尾音调频率或整体规则来制造不同层级的违反事件。这种设计巧妙地区分了毫秒级（音调）和秒级（序列）时间尺度的听觉处理。

研究团队运用了多项前沿技术：首先采用7T MRI系统采集全脑（1.6mm各向同性）和层状（0.7×0.7mm²）fMRI数据；通过动态因果建模(DCM)分析脑区间的有效连接；利用LayNii工具包将皮层分割为20个深度层；最后采用基于搜索光的表征相似性分析(RSA)桥接微观层状活动与宏观脑网络。

实验设计与全脑激活

研究发现音调违反（局部偏差）主要激活双侧STG和IFG，而序列违反（全局偏差）则额外招募缘上回(SMG)和IFG的三角部(IFGTri)及岛盖部(IFGOper)。当同时违反音调和序列规则时，整个颞-额网络表现出最强激活，清晰勾勒出随处理时间尺度扩展的层级脑网络图谱。

全脑层级动力学

DCM分析揭示了双通路机制：腹侧通路负责局部信息从STG向IFGTri传播，背侧通路则处理全局信息从STG经SMG向IFGOper和IFGTri传递。获胜模型显示神经信号沿两条通路进行双向传播，证实了音调与序列信息的分流处理。

颞叶与额叶皮层的层状特异性活动

层状fMRI显示STG标准刺激在浅层激活最强，而违反效应在局部水平主要表现于中深层，全局水平则集中于深层。IFG的违反-标准差异从中层到深层稳定增加，五阶多项式拟合（R²>0.96）准确捕捉了这些层状活动模式。

跨皮层层的双向动力学

层状DCM发现：音调水平信息主要从STG浅层输入，序列水平则转为从中层主导输入。前馈连接始终从STG浅层投射至IFG中深层，而反馈连接由IFG深层调控STG浅深层。这种跨层连接模式在局部和全局处理中高度一致。

皮层层与全脑的跨空间尺度关联

基于搜索光的RSA分析显示STG各层活动模式与听觉网络（STG、SMG、IFGOper、IFGTri）显著相似。STG中层与IFGTri的激活相似性显著高于浅层（p=0.0442），IFG深层与SMG的关联强于中层（p=0.0057）。相关分析进一步证实STG浅层活动与SMG、IFGOper正相关，中层则与IFGOper、IFGTri活动紧密关联。

这项研究通过多尺度方法首次在人类听觉系统中完整揭示了预测编码理论的神经基础：STG浅层负责接收感觉输入，中层处理高阶序列信息；前馈信号通过STG浅层传递至IFG中深层，反馈信号则由IFG深层发出。该发现不仅证实了经典预测编码框架在人类听觉处理中的适用性，更揭示了微观皮层电路与宏观脑网络如何协同实现层级认知功能。这种跨空间尺度的研究范式为理解大脑复杂功能组织提供了新途径，对神经精神疾病的病理机制研究具有重要启示意义。