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脑科学 | 发现听觉皮层全新的编码模式
来源:澳门威利斯人官方网站 时间: 2017-11-16???? 作者:

在上一周,我们为大家介绍了胎儿和新生儿听觉通路的发育过程。这一周,我们继续为大家介绍与听觉有关的脑科学研究。

我们听到的声音会经由耳蜗、脑干和丘脑传递到初级听觉皮层(primary auditory cortex, A1),那么,声音是如何在A1中编码的呢?实验发现,在声音刺激开始后的10ms至几百毫秒的时间内(初始期),A1中会有大量神经元放电,表现为密集编码,然后,随着声音刺激的持续(持续期),A1中的放电神经元数量减少,表现为稀疏编码。

传统的观点对此现象的解释是,在密集编码阶段,我们的大脑只是知道“有声音来了”,这时神经元的选择性是比较低的;而在稀疏编码阶段,我们的大脑会对听到的声音进行识别,这时神经元的选择性是比较高的。

然而,近期来自美国圣路易斯华盛顿大学的研究者对传统观点提出了质疑,他们发现,密集编码阶段的神经元并非简单的“传话筒”,而是已经可以通过集群编码的形式对听到的声音进行识别。接下来,就让我们一起看看,他们是如何设计实验、分析数据来得出这样的结论的。

研究者记录了在6段不同频率的纯音刺激时(每段刺激时长为500ms)狨猴A1中171个神经元的电活动,与前人的实验结果一致,他们发现在初始期,这些神经元的平均放电率很高,然后迅速降低。而且,在刺激初始阶段,神经元的选择性也比较低。

 

 

通过分析不同时间神经元的编码信息量,研究者发现,初始期神经元的编码信息量较高,且利用单神经元的电活动对听到声音的解码准确率也高于持续期。

 

 

大脑中的神经元经常采用群体编码(population coding)的方式,仅靠单个神经元的活动是很难解码出正确的信息的。因此,研究者又利用群体神经元的放电信息对听到的声音进行解码,他们利用主成分分析的方法将群体神经元活动分成3个成分,并发现不同频率的声音刺激在刺激开始后的30ms就可以被区分开来。接下来,研究者又利用三种常用的解码方法(linear discriminant, LDA; template matching based on an angular distance metric, TMPCOS; template matching based on a Euclidean distance metric, TMPEUC)对听到的声音进行解码,他们发现,初始期50ms的群体神经元活动就可以达到近100%的解码率,甚至有高于持续期解码率的趋势。

 

 

那么,到底多长时间的群体神经元活动就可以解码声音信息了呢?为了解答这个问题,研究者们计算了初始期(声音刺激开始后20ms)和持续期(声音刺激开始后200ms)不同时长的群体神经元活动的解码能力,他们发现,为了达到相同的解码正确率,初始期需要的神经元活动时间更短(下图中红色曲线)。

 

 

综上,该研究发现了A1中神经元全新的编码方式,即用放电率而非选择性进行编码,这对理解大脑听觉系统的信息加工有非常重要的意义。然而,该研究采用的声音刺激仅仅是单一频率且单一强度的,而语言和音乐都包含多个强度和多个频率,因此,A1在这些复杂的声音中是否也遵循类似的编码模式?我们期待神经科学家的进一步探索。

 

参考文献:

Sun W, Barbour DL (2017) Rate, not selectivity, determines neuronal population coding accuracy in auditory cortex. PLoS Biol 15(11): e2002459

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