語言是如何把信息塞進大腦里的？

通過研究行為而不僅僅是神經元活動，科學家們正在探索大腦是如何理解語言的。

JOHN RENNIE

封面：Chris Maynard

每當談及神經科學和神經心理學研究的現狀，紐約大學的教授大衛·珀佩爾（David Poeppel）從不避諱他的批評。

今年二月，他在座無虛席的美國科學促進會年會上說：「我們在數據的海洋里狂歡，但是卻對真正的理論幾乎毫無理解。」

他公開反對目前「瘟疫般泛濫但內容貧瘠」的實驗：研究員們在毫無行為學和心理學現象的理論支持的情況下，像記件工作一樣碎片化地測量大腦的結構。他表示，如果只單純累積這種碎片化的研究，我們根本不可能完整理解思維繫統。

他舉了秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）的例子。這是一種得到充分研究的圓蟲（一種非寄生性線蟲，身體透明，常見於分子生物學和發育生物學研究）。我們已經徹底研究了秀麗隱桿線蟲——它的302個神經元、所有神經元連接和全部的基因組。「但是我們仍然沒有令人滿意的行為模型，」他說，「我們還是缺了些什麼。」

秀麗隱桿線蟲

珀佩爾並不是在攻擊現狀。最近他的實驗室完成一項基於自然行為（real-world behavior）設計的腦活動研究，在語言神經學領域發現了一些超出預期的結果。

和珀佩爾的批評類似的觀點可以回溯到數十年前。在70年代，頗具影響力的計算神經科學家大衛·馬爾（David Marr）表示，要想了解行為產生的原因，我們需要研究大腦和其他信息處理系統面臨的具體問題和產生的具體解決方案。他稱其為計算層分析（computational level of analysis）。

如果只研究這個系統做什麼（演算法層面），或是系統怎樣在物理層面實現這個目的（應用層面）是遠遠不夠的。在馬爾去世之後出版的《視覺計算理論》（Vision： A Computational Investigation into the Human Representation and Processing of Visual Information）里，他寫道：「企圖通過研究神經元來研究知覺，就像試圖通過研究鳥的羽毛來研究其飛行一樣：這不可能。」

在去年發表於《神經元》（Neuron）的一篇論文里，珀佩爾和論文的共同作者沿襲了計算層分析的傳統。他們在文中探討了那些看似「難以抗拒」，但是如果過分依賴，可能會讓科研誤入歧途的操控和測量大腦的工具。

很多研究試圖通過定位在具體活動中放電頻繁的腦區，來映射出特定神經活動和行為之間的聯繫。例如，研究大鼠走迷宮時如何選擇時，大腦的哪些區域亮了。問題在於，只關注頻繁放電的腦區的研究員們很容易忽視行為發生時其他腦區的活動，而這些活動可能跟被研究的活動一樣重要。他們也可能無視這個神經活動和大鼠感到緊張的時候的神經活動一樣，所以此時放電的腦區也許並非負責做選擇的腦區（而是負責生成或是感受緊張的腦區）。

最糟糕的情況是，如果實驗室研究不具備對自然活動的代表性，這種實驗很可能毫無意義。例如，在人造迷宮裡大鼠的神經活動可能和在野生狀態下完全不同。所以，將試驗結果外推是有風險的。就算是優秀的實驗設計也只能對這樣的狀況做有限的修正。

大衛·珀佩爾，紐約大學的心理學和神經科學教授，認為神經生理學研究應該更加註重對自然行為的理解和該行為試圖解決的具體問題。

然而，珀佩爾的反對者認為，神經科學有重大進步的原因，正是來自於他所批評的那類研究。珀佩爾認可這些基礎研究的重要性，但他堅持認為，如果更多研究始於對相關行為動機的系統分析，而非直接操控產生行為的神經活動的話，神經科學可以對複雜的認知和情緒現象，而不是神經和基因的細枝末節，有更加充分的研究。畢竟，注重複雜目的性的分析可以幫助研究員們設計更有效的研究。

正是這樣的理由驅使著珀佩爾和佛羅倫西亞·阿薩尼爾（ M. Florencia Assaneo），一位在珀佩爾實驗室工作的博士後，完成一篇近期發表在《科學》雜誌子刊《科學進展》（Science Advances）上的論文。他們的實驗室主要研究語言處理，即 「聲波如何把信息塞入你的腦子」。

當我們聽人講話的時候，耳朵將聲波轉化為神經信號，這些信號會被不同的腦區處理和翻譯，最先處理的腦區是聽覺皮層。多年的神經生理學研究結果顯示，聽覺皮層的腦電波會對應聲波的強弱變化的頻率，將聽覺信號分節並鎖定。基本上就是說， 「腦電波像衝浪者般在聲波里起伏。」大腦很可能是通過聲波的強弱變化來區分音節，辨識語義，從而將長串的語言信息「分節裝載」，轉化為便於處理的小塊信息。

人腦里的聽覺和語言運動皮層。儘管語言主要發生在左半球，某些處理會發生在兩個半球。

更有趣的是，一些研究發現，當人們聽口語的時候，一些被「分節裝載」的信號同樣會出現在控制語言的運動皮層里。這樣的現象幾乎就像聽者在無聲地重複念出他們聽到的話。這樣的活動也許可以幫助理解語言。

然而阿薩尼爾強調，任何類似的解讀都富有爭議。由於在運動皮層的神經活動並不總是會發生，科學家們只能猜測而不能定論。研究員們也不知道，到底是聽覺皮層直接造成運動皮層的神經活動，還是其他區域的活動同時影響聽覺和運動皮層的活動。

阿薩尼爾和珀佩爾的研究方式十分新穎：他們將自然環境中的語言活動和神經生理學理論聯繫在一起。他們注意到，在聽覺皮層里，被分節裝載的信號大約是4.5赫茲，正好也是在自然環境下人們說話時念出音節的頻率。

阿薩尼爾讓被試者聽從2到7赫茲的無意義的音節串，並測量他們的聽覺和語言皮層的神經活動。使用無意義音節串是為了避免大腦產生語義解讀，因為這可能會間接影響運動皮層。

她解釋道：「當我們聽到可以理解的聲音時，神經網路會以更加複雜的方式被激活。」如果是聽覺皮層的信號導致了運動皮層的活動，那麼在整個實驗過程中兩處的信號會和彼此同步，然而如果運動皮層的神經活動獨立於聽覺皮層，那麼前者的活動將不會隨著音節的頻率變化而變化。

佛羅倫西亞·阿薩尼爾是珀佩爾實驗室的博士後，她運用已被理論研究證實的語言特點，尋找兩個不同的大腦皮層如何共同完成解讀語言的任務。

阿薩尼爾觀察到的結果十分有趣，而且出乎意料。珀佩爾說，聽覺和運動皮層確實保持了一定程度上的同步，但是僅僅到5赫茲的頻率為止。一旦聲音變化的頻率超出正常口語變化的頻率，運動皮層便不再與之同步。一個計算神經科學的模型之後證實，由於運動皮層本身的振蕩頻率通常處於4到5赫茲之間，阿薩尼爾的神經生理學的結論符合計算神經科學的模型。

珀佩爾和阿薩尼爾認為，這個複雜的結論再次證明聯繫行為學研究和神經科學研究的重要性。他們的實驗設備有160個測量頻道，而且可以將取樣頻率提升到1赫茲。這樣的設備產生極多的神經生理學數據，而如果他們僅僅尋找數據之間的關聯的話，無疑會發現一些本不存在的關聯。

只有從語言學和語言行為研究的信息出發，研究人員才能夠將他們尋找的數據保持在可控的範圍內。在這個例子里，研究人員們需要明白4到5赫茲的頻率有值得特別關注的地方。聽覺和運動皮層的相互作用是如此的微妙，沒有現存的理論支持的話，研究員們是不可能想到去尋找這樣的規律的。

阿薩尼爾表示，他們會繼續探索腦電波和語言是如何相互作用的。目前，他們期望知道類似自然語言的音節串是否會提升同步頻率的上限。她說，「可理解性或注意力，很有可能會提升聽覺皮層和運動皮層同步頻率的上限。」

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翻譯：胡文嘉

編輯：EON

原文：https://www.quantamagazine.org/neuroscience-critics-learn-how-brain-waves-link-to-speech-20180522/

John Rennie

《量子雜誌》副主編，紐約大學科學寫作兼職教授，曾任《科學美國人》主編，製作並支持電視節目《Hacking the Planet》。

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