语言感知对神经振荡的相位依赖性：一项跨学科研究报告

背景介绍

在言语感知过程中，神经振荡的相位对于神经表征的分离以及感知决策具有重要作用。然而，具体的相位编码机制仍不明确。本研究旨在揭示相位编码如何基于解释的言语事件的概率进行，特别是语言单元的概率。此外，研究还探讨了这一相位编码的区域特异性。这些结果表明，神经振荡基于神经元群体的兴奋性分离语言神经表征。

论文来源

这篇论文由Sanne Ten Oever、Lorenzo Titone、Noémie Te Rietmolen和Andrea E. Martin完成，主要隶属于Max Planck Institute for Psycholinguistics, Donders Centre for Cognitive Neuroimaging, Radboud University, Maastricht University, 以及Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences。这篇论文发表于2024年《Proceedings of the National Academy of Sciences》 (PNAS)，编辑由Richard Aslin (Haskins Laboratories Inc.) 完成。

研究流程

研究对象和方法

研究分为心理物理学实验、脑磁图（MEG）实验和计算建模三部分，涉及以下步骤：

1. 心理物理学实验：

   • 研究对象为荷兰语母语者。
   • 研究使用了四个荷兰词语：“dat”（那）“gat”（洞）、“gaat”（去）、“daad”（行为），其辅音、元音和词频各不相同。
   • 对应的IPA（国际音标）分别为：/xαt/，/dαt/，/xat/，/dat/。

2. 脑磁图（MEG）实验：

   • 使用MEG技术记录受试者的脑电波活动。
   • 实验中，向受试者随机呈现模糊词语，记录其大脑在上演示频率对应的振荡相位。
   • 主要实验区域包括优势颞上回（STG）和中侧颞回（MTG）。

3. 计算建模：

   • 构建包含语音跟踪和内容表示的计算模型，模拟心理物理实验和MEG实验的结果。
   • 模型中包含两个分析层次：辅音和词汇层次，通过改变神经元群体的敏感性测试不同情景下的表现。

研究结果

1. 心理物理学实验结果:

   • 面对高频词汇（如/dαt/ [cvw] 和/γat/ [cvw]）时，参与者的反应在高兴奋性相位较多。
   • 具体频率相位关系如：在6.25Hz正弦振荡适配实验数据时，能找到显著的拟合曲线。

2. 脑磁图（MEG）实验结果:

   • 优势颞上回（STG）的振荡相位决定了辅音频率感知，而中侧颞回（MTG）的振荡相位决定了词汇频率感知，这表明了双重解离效应。
   • 不同响应选项和其相关词汇的平均相位差异为0.93π（低频辅音），0.87π（低频辅音）和0.002π（高频辅音）。

3. 计算建模结果:

   • 计算模型验证了心理物理实验和MEG实验的结果。高频词汇或辅音在模型中也表现出更强的相位依赖性。
   • 模型生成的相位差异与实验结果一致，但更广泛的验证表明了相位编码不仅涉及低频段，还可能包括高频段（如α频率约10Hz）。

结论

本文的研究阐明了神经振荡中的相位编码基于语言单元概率。使用不同的频率单元和区域特异性，研究展示了语言理解过程中相位如何提供感知类别信息。这不仅有助于解释言语感知中的认知机制，还为进一步调查提供了方向。

研究亮点

1. 重要发现：研究展示了神经振荡的相位如何基于语言单元概率进行相关编码，从而影响词语感知。
2. 独特性：双重解离效应展现了中侧颞回（MTG）和颞上回（STG）的区域特异性。
3. 新方法：结合心理物理学实验和计算建模，提供了全新视角，展示了相位编码在神经活动中的重要性。

研究意义

这项研究丰富了我们对言语感知和神经振荡相位编码的认识，通过揭示复杂语言过程中的相位依赖性，促进了认知神经科学和语言学的跨学科研究。未来的研究可以进一步探讨相位编码在动态上下文和语境中的应用，从而揭示更广泛的认知机制。