麻省理工学院的神经科学家发现了对歌唱有反应的神秘神经元

2022-03-27新闻资讯

唱歌的大脑

麻省理工学院的神经科学家首次确定了人类大脑中的一组神经元,当你听到歌声时会亮起,但其他类型的音乐不会亮起。图片来源:iStockphoto,由麻省理工学院新闻编辑

麻省理工学院的神经科学家已经确定了人类大脑中的一组神经元,它们对唱歌有反应,但对其他类型的音乐没有反应。

麻省理工学院的神经科学家首次发现了人类大脑中的一组神经元,当我们听到歌声时会亮起,但其他类型的音乐不会亮起。

这些在听觉皮层中发现的神经元似乎对声音和音乐的特定组合有反应,但对常规语音或器乐都没有反应。研究人员说,他们到底在做什么是未知的,需要更多的工作才能发现。

“这项工作为听觉皮层内相对细粒度的功能分离提供了证据,其方式与音乐中的直观区别相一致,”前麻省理工学院博士后、现任神经科学助理教授 Sam Norman-Haignere 说。罗切斯特大学医学中心。

这项工作建立在 2015 年的一项研究之上,在该研究中,同一个研究小组使用功能性磁共振成像 (fMRI) 来识别大脑听觉皮层中对音乐有特异性反应的一组神经元。在这项新工作中,研究人员使用了大脑表面的电活动记录,这为他们提供了比 fMRI 更精确的信息。

“有一个神经元群对唱歌有反应,然后很近的另一个神经元群对很多音乐有广泛的反应。在功能磁共振成像的规模上,它们非常接近,以至于你无法解开它们,但通过颅内记录,我们可以获得额外的分辨率,这就是我们认为让我们能够将它们分开的原因,”Norman-Haignere 说。

Norman-Haignere 是该研究的主要作者,该研究于 2022 年 2 月 22 日发表在《当代生物学》杂志上。脑与认知科学副教授 Josh McDermott 和认知神经科学 Walter A. Rosenblith 教授 Nancy Kanwisher 都是麻省理工学院麦戈文脑研究所和脑、心智与机器中心 (CBMM) 的成员。该研究的作者。

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神经记录

在他们2015 年的研究中,研究人员使用 fMRI 扫描参与者的大脑,因为他们听到了 165 种声音,包括不同类型的语音和音乐,以及手指敲击或狗吠等日常声音。在这项研究中,研究人员设计了一种分析 fMRI 数据的新方法,这使他们能够识别出六个具有不同反应模式的神经群体,包括音乐选择性群体和另一个对语音有选择性反应的群体。

在这项新研究中,研究人员希望使用称为皮层脑电图 (ECoG) 的技术获得更高分辨率的数据,该技术允许通过放置在颅骨内的电极记录电活动。与 fMRI 相比,这提供了更精确的大脑电活动图像,fMRI 测量大脑中的血流作为神经元活动的代表。

使用人类认知神经科学中的大多数方法,你看不到神经表征,”Kanwisher 说。“我们可以收集的大多数数据都可以告诉我们,这是一块可以做某事的大脑,但这非常有限。我们想知道那里代表了什么。”

皮层电图通常不能在人体中进行,因为它是一种侵入性手术,但它通常用于监测即将接受手术治疗癫痫发作的癫痫患者。几天内对患者进行监测,以便医生在手术前确定癫痫发作的起源。在此期间,如果患者同意,他们可以参与涉及在执行某些任务时测量他们的大脑活动的研究。对于这项研究,麻省理工学院团队能够在几年内从 15 名参与者那里收集数据。

对于这些参与者,研究人员播放了他们在早期 fMRI 研究中使用的相同的 165 种声音。每个患者电极的位置由他们的外科医生确定,因此有些人没有对听觉输入做出任何反应,但许多人做到了。使用他们开发的一种新颖的统计分析,研究人员能够推断出产生每个电极记录的数据的神经群体的类型。

“当我们将这种方法应用于这个数据集时,这种只对唱歌有反应的神经反应模式突然出现,”Norman-Haignere 说。“这是一个我们真的没想到的发现,所以它非常证明了这种方法的全部意义,即揭示你可能不想寻找的潜在新事物。”

这种特定于歌曲的神经元群体对语音或器乐的反应非常弱,因此与他们在 2015 年研究中确定的音乐和语音选择性群体不同。

大脑中的音乐

在他们研究的第二部分,研究人员设计了一种数学方法,将颅内记录的数据与他们 2015 年研究的 fMRI 数据结合起来。因为 fMRI 可以覆盖大脑的更大部分,这使他们能够更准确地确定对唱歌有反应的神经群的位置。

BA310Met金相显微镜
BA310Met金相显微镜

“这种将 ECoG 和 fMRI 相结合的方法是一项重大的方法学进步,”McDermott 说。“在过去的 10 或 15 年里,很多人一直在做 ECoG,但一直受到录音稀疏性问题的限制。Sam 确实是第一个想出如何将电极记录的改进分辨率与 fMRI 数据相结合以更好地定位整体反应的人。”

他们发现的特定歌曲热点位于颞叶顶部,靠近对语言和音乐有选择性的区域。研究人员说,该位置表明,特定歌曲的人群可能会对感知音高或单词与感知音高之间的相互作用等特征做出反应,然后再将信息发送到大脑的其他部分进行进一步处理。

研究人员现在希望更多地了解唱歌的哪些方面驱动这些神经元的反应。他们还与麻省理工学院教授 Rebecca Saxe 的实验室合作,研究婴儿是否有音乐选择性区域,希望更多地了解这些大脑区域何时以及如何发育。

参考:

Sam V. Norman-Haignere、Jenelle Feather、Dana Boebinger、Peter Brunner 撰写的“人类听觉皮层中对歌曲有选择性的神经群体”。Anthony Ritaccio、Josh H. McDermott、Gerwin Schalk 和 Nancy Kanwisher,2022 年 2 月 22 日,《当代生物学》 。
DOI: 10.1016/j.cub.2022.01.069

该研究由美国国立卫生研究院、美国陆军研究办公室、美国国家科学基金会、美国国家科学基金会大脑、思想和机器科学技术中心、神经元基金会和霍华德休斯医学研究所资助。

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