全脑语音表征的奥秘：探索言语产生的神经机制

为探究言语不同表征在大脑的分布，研究人员分析 15 人数据，发现其特点，助力言语神经假体发展。

　　

大脑如何 “诉说”？—— 全脑言语表征的探秘之旅

在生活中，人们说话、交流时，大脑里其实在进行着一系列复杂又神秘的活动。言语的产生从脑海中想要表达的意思（语义）开始，经过发音肌肉的运动（发音），最终变成能听到的声音（声学）。然而，长期以来，科学家们对这一过程中不同言语表征在大脑中的分布情况了解得并不透彻。

传统上，研究语言的经典方法对布洛卡区（Broca’s area）和韦尼克区（Wernicke’s area）的定义和功能存在争议，而且以往的言语研究大多忽视了大脑中一些潜在重要的深层皮质和皮质下区域，像脑岛、基底神经节、丘脑和海马体等。同时，以往研究方法也各有局限，比如功能磁共振成像（fMRI）虽然能进行全脑动态研究，但易受噪声干扰，时间分辨率不足；而颅内电生理学虽然时间分辨率高，但空间分辨率依赖电极设备和植入规划。在脑机接口（BCI）领域，此前的研究主要集中在运动或声学表征解码，对于因疾病导致运动表征或发声能力受损的患者，解码语义表征或许更有帮助，可这方面的研究还很欠缺。所以，探索言语不同表征在大脑中的分布情况迫在眉睫。

为了揭开言语表征在大脑中的奥秘，来自马斯特里赫特大学（Maastricht University）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Communications Biology》上，为理解言语产生的神经机制带来了新的曙光。

研究人员使用了立体脑电图（sEEG）技术，招募了 15 位荷兰语使用者作为参与者。这些参与者因癫痫治疗需要植入了 sEEG 电极，研究人员在他们大声说出 100 个独特荷兰语单词时，记录颅内神经数据。此次研究聚焦于言语产生过程中最常用于言语 BCI 的三种表征：发音、声学和语义表征。

在研究方法上，研究人员运用了多种技术手段。通过数据驱动方法，他们利用 AAI 递归神经网络估计发音器官运动和位置，生成发音表征；用傅里叶变换捕捉言语听觉属性，得到声学表征；借助 Word2Vec 自动编码器提取词嵌入，构建语义表征。之后，将每个电极通道的神经活动与提取的特征进行关联分析，确定哪些通道和时间点编码了相应的言语信息。

研究结果

1. 言语表征的差异分布：研究发现，三种言语表征在大脑两侧半球都存在显著相关通道。从数量上看，虽然三种表征的显著通道总数相近，但左右半球存在差异。左半球在发音和声学表征上的显著通道占比更高，而且这两种表征在空间分布上有很大重叠，不过左半球对发音特征的调谐更强，右半球则更倾向于声学特征。语义表征与前两者重叠较少，且在大脑中的分布比它们更广泛，在左右半球都是如此，这表明语义处理涉及更广泛的大脑区域。
2. 解剖结构对言语表征的贡献：研究人员进一步探究了特定脑区对言语表征的贡献。听觉和运动区域贡献较为突出，听觉皮层偏好声学特征，运动皮层对发音特征稍有偏好，并且这些区域在左右半球都有重要作用。语义表在右半球的初级区域表现得更强。此外，语义表征几乎存在于所有感兴趣区域（ROI），但程度相对较小。像左额下回（IFG）、左脑岛和右海马体中，语义表征是唯一被发现的表征；左海马体还有少量发音和更少量的声学表征；右脑岛则有较强的发音和声学表征。
3. 言语表征的时间动态变化：在时间动态方面，研究人员分析了不同时间点或时间段内的显著通道。对于发音和声学表征，在言语起始前，尤其是左半球，显著通道数量较多，之后迅速下降。其中，声学表征的峰值比发音表征晚一个时间框架出现，并且在言语起始前约 50 毫秒，声学表征变得比发音表征更突出。语义表征的显著通道数量在言语试验中期达到最多，且通道在时间、位置和半球之间都有波动，在左半球呈现从后向前的变化模式。

研究结论与讨论

综合来看，该研究揭示了发音、声学和语义言语表征在全脑的空间分布和时间动态变化。结果表明，言语产生过程中，左半球的贡献比右半球更广泛且更具时间动态性，但右半球在某些区域也有重要作用，这与以往关于言语产生中左半球优势以及双侧参与的观点相符。

从言语表征的关系上看，发音和声学表征的神经分布相似，主要集中在外侧裂周围；语义表征则有广泛且独特的神经网络，与发音 - 声学网络不同，但在右半球尤其是听觉皮层，它们之间的重叠更多。这意味着语义处理可能在不同的网络中进行，并且与其他两种表征存在一定联系。

在具体脑区方面，研究对多个脑区在言语产生中的作用有了新的认识。例如，布洛卡区主要与语义表征有微弱关联，可能更多参与语义知识的高阶执行控制；颞上回在言语产生中的作用尚不明确，其对言语表征的选择性较低；右脑岛在言语产生过程中参与度较高，但由于其活动主要集中在言语起始时，可能不太适合作为言语预测的区域；海马体在研究中贡献不明显，可能与实验任务和参与者的癫痫情况有关；缘上回在左半球参与度较高，可能是多功能神经假体的潜在区域。

此外，研究还发现大量显著通道位于白质中，这为直接利用这些深层通信通路提供了可能。该研究成果为言语产生的神经过程提供了更深入的理解，有助于开发基于不同言语表征的言语神经假体，为因各种原因失去言语能力的患者带来新的希望，在言语康复和神经科学领域具有重要的意义。