探秘听觉定位：动态环境中贝叶斯推理的神经奥秘

研究人员探究动态环境中听觉空间定位的贝叶斯推理机制，发现相关行为和神经证据，意义重大。

　　在我们的日常生活中，声音无处不在，而准确判断声音的来源对于我们与周围环境互动至关重要。从进化的角度看，早期人类需要通过声音来察觉潜在的危险，比如猛兽的吼声，或是发现猎物的动静。如今，在复杂的现代环境里，像在嘈杂的城市街道中辨别汽车喇叭声的方向，也依赖于我们对声音的定位能力。

然而，目前对于人类在动态环境中如何进行声音定位的具体机制，科学界尚未完全明晰。虽然贝叶斯推理（Bayesian inference）理论认为，感知是基于先验信息和新的感官观察的整合，但这一机制在听觉空间定位领域的研究还比较有限。以往许多相关研究集中在视觉领域，或是听觉的音高、时间估计任务上，对于听觉空间定位的研究相对较少。而且，之前一些涉及听觉空间定位的研究，存在实验设计不够完善的问题，例如可能受到视觉因素的干扰，使得研究结果难以准确反映纯听觉空间定位的贝叶斯推理机制。因此，开展这项研究对于深入理解人类听觉空间定位的本质具有重要意义。

为了揭开这些谜团，来自奥地利维也纳大学心理学系、奥地利科学院声学研究所等多个机构的研究人员 Burcu Bayram、David Meijer 等开展了一项研究，该研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员用到的主要关键技术方法包括：一是实验设计与数据采集，招募 35 名参与者（最终 29 名纳入分析），通过让参与者聆听来自伪随机位置的声音序列并报告最后一个声音的位置，同时记录高密度脑电图（EEG）和眼动数据；二是建立贝叶斯模型，拟合近最优贝叶斯观察者模型来获取先验不确定性（PU）和意外性（SU）两个潜在变量；三是进行行为分析和 EEG 数据处理，分析行为指标并对 EEG 数据进行预处理、频谱分析、回归分析等。

下面来看看具体的研究结果：

1. 行为结果：线性混合效应模型显示，视听（AV）条件下的先验偏差比纯听觉（A）条件更大，表明额外的视觉刺激有助于建立先验，提高声音定位准确性。同时，随着声音变化点后的声音数量（SAC）增加，先验偏差增大，而估计误差和意外性在 SAC 为 1 时最大，说明环境变化后先验信息变得不再相关，需要更新内部模型。此外，参与者定位误差的标准差与平均反应不确定性之间存在显著相关性，意味着定位误差较大的参与者对自己的定位反应也更不确定。对于模型变量 PU，A 条件下的 PU 值大于 AV 条件，且 SAC 水平对 PU 有显著影响，变化点会导致 PU 短暂增加。而模型变量 SU 在 AV 条件下总体值更大，SAC 水平也对其有显著影响，变化点后意外性最大，随后逐渐减小123。
2. EEG 回归结果：在时间域上，PU 在声音 onset 前约 -250 到 -100ms 以及声音 onset 后 0 到 100ms 与 EEG 活动模式显著相关，分别反映了先验信息的激活和先验与感官刺激的比较。SU 在声音 onset 后 100 到 500ms 与 EEG 时间域模式显著相关，体现了对先验和感官输入比较的意外反应。在时频域中，PU 与刺激 onset 前的 delta-theta 范围同步性正相关，在 AV 条件下与 alpha 和 beta 频率范围的同步性负相关，还与刺激 onset 前的 gamma 功率（~75Hz）正相关。SU 与刺激 onset 后的多个频率范围活动相关，早期低频活动减少，随后 theta 到 alpha 范围活动增强，后期 theta-alpha 和 beta 范围（仅 AV 条件）同步性与 SU 负相关，AV 条件下 gamma 频段（~70 - 90Hz）在刺激 onset 后 200ms 左右与 SU 正相关，400 到 500ms 后负相关456。
3. AV 与 A 条件下的神经模式差异：总体上，AV 条件下的回归系数比 A 条件更大，产生更多显著集群。在时间域和时频域的对比中，发现 PU 和 SU 在两个条件下都存在显著差异，这些差异可能是由于 AV 条件下更强的感官激活和更高的信噪比导致的。例如，在时间域中，PU 在刺激 onset 前的预刺激时间段，AV 条件比 A 条件有更明显的表现；在时频域中，AV 和 A 条件在 theta 范围的 PU 模式空间上更具差异7。
4. PU 和 SU 相关神经活动的行为相关性：研究发现，参与者的估计误差、先验偏差和反应不确定性在 A 和 AV 条件下，都能被与 PU 和 SU 相关的特定神经活动模式所预测。例如，在 A 条件下，估计误差与预刺激时与 PU 正相关的额叶集群以及刺激后与 SU 正相关的枕叶集群活动显著相关；在 AV 条件下，估计误差与早期（0 - 150ms）和后期（400 - 500ms）与 SU 相关的后 beta 频段集群活动相关8910。

研究结论和讨论部分指出，本研究为动态环境中听觉空间定位的贝叶斯推理提供了行为和神经学证据。参与者会根据环境变化动态地将先验知识整合到估计中，且视觉先验会增强这种模式。研究中观察到的与 PU 和 SU 相关的独特 EEG 活动模式，与之前视觉和其他听觉相关任务的研究结果一致，并且这些模式能在逐次试验的基础上预测参与者感知报告的误差、反应不确定性和先验偏差。这表明听觉空间定位在 AV 和 A 条件下都基于高度相似的贝叶斯推理机制，视觉刺激能为 AV 条件下的定位提供更多信息。

然而，该研究也存在一定的局限性，实验中要求参与者将声音方位映射到二维视觉表示上，这可能导致缺乏感觉运动反馈，未来研究需要更现实的实验设置和反应行为。尽管如此，这项研究仍然意义重大，它揭示了听觉空间定位的贝叶斯推理机制，为理解人类感知决策的一般性原则提供了新的视角，也为后续相关研究奠定了基础。