Ο εγκέφαλος επεξεργάζεται την ομιλία παράλληλα με άλλους ήχους

Η ακοή είναι τόσο αβίαστη για τους περισσότερους από εμάς που είναι συχνά δύσκολο να κατανοήσουμε πόσες πληροφορίες χρειάζεται το ακουστικό σύστημα του εγκεφάλου για να επεξεργαστεί και να ξεμπερδέψει. Πρέπει να λαμβάνει εισερχόμενους ήχους και να τους μεταμορφώνει στα ακουστικά αντικείμενα που αντιλαμβανόμαστε:τη φωνή ενός φίλου, ενός σκύλου που γαβγίζει, το τρεμόπαιγμα της βροχής. Πρέπει να εξάγει τους σχετικούς ήχους από το θόρυβο του περιβάλλοντος. Πρέπει να προσδιορίσει ότι μια λέξη που λέγεται από δύο διαφορετικά άτομα έχει την ίδια γλωσσική σημασία, ενώ ταυτόχρονα κάνει διάκριση μεταξύ αυτών των φωνών και αξιολογεί την ένταση, τον τόνο και άλλες ιδιότητες.

Σύμφωνα με τα παραδοσιακά μοντέλα νευρωνικής επεξεργασίας, όταν ακούμε ήχους, το ακουστικό μας σύστημα εξάγει απλά χαρακτηριστικά από αυτούς που στη συνέχεια συνδυάζονται σε όλο και πιο περίπλοκες και αφηρημένες αναπαραστάσεις. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει στον εγκέφαλο να μετατρέψει τον ήχο κάποιου που μιλάει, για παράδειγμα, σε φωνήματα, μετά σε συλλαβές και τελικά σε λέξεις.

Αλλά σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Cell Τον Αύγουστο, μια ομάδα ερευνητών αμφισβήτησε αυτό το μοντέλο, αναφέροντας ότι το ακουστικό σύστημα επεξεργάζεται συχνά τον ήχο και την ομιλία ταυτόχρονα και παράλληλα. Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι ο τρόπος με τον οποίο ο εγκέφαλος δίνει νόημα στην ομιλία αποκλίνει δραματικά από τις προσδοκίες των επιστημόνων, με τα σήματα από το αυτί να διακλαδίζονται σε ξεχωριστές εγκεφαλικές οδούς σε ένα εκπληκτικά πρώιμο στάδιο επεξεργασίας - μερικές φορές ακόμη και παρακάμπτοντας μια περιοχή του εγκεφάλου που πιστεύεται ότι είναι ένα κρίσιμο βήμα- πέτρα σε οικοδομικές παραστάσεις σύνθετων ήχων.

Το έργο προσφέρει υπαινιγμούς μιας νέας εξήγησης για το πώς ο εγκέφαλος μπορεί να ξεμπλέξει επικαλυπτόμενα ρεύματα ακουστικών ερεθισμάτων τόσο γρήγορα και αποτελεσματικά. Ωστόσο, κάνοντας αυτό, η ανακάλυψη δεν θέτει απλώς υπό αμφισβήτηση πιο καθιερωμένες θεωρίες σχετικά με την επεξεργασία του λόγου. αμφισβητεί επίσης ιδέες για το πώς λειτουργεί ολόκληρο το ακουστικό σύστημα. Μεγάλο μέρος της επικρατούσας σοφίας σχετικά με την αντίληψή μας για τους ήχους βασίζεται σε αναλογίες με αυτά που γνωρίζουμε για τους υπολογισμούς που εκτελούνται στο οπτικό σύστημα. Ωστόσο, όλο και περισσότερα στοιχεία, συμπεριλαμβανομένης της πρόσφατης μελέτης για την ομιλία, υποδηλώνουν ότι η ακουστική επεξεργασία λειτουργεί πολύ διαφορετικά — τόσο πολύ που οι επιστήμονες αρχίζουν να ξανασκέφτονται τι κάνουν τα διάφορα μέρη του ακουστικού συστήματος και τι σημαίνει αυτό για τον τρόπο με τον οποίο αποκρυπτογραφούμε πλούσια ηχητικά τοπία. /P>

«Αυτή η μελέτη είναι ένα μνημειώδες εγχείρημα», είπε η Dana Boebinger, γνωστική νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που δεν συμμετείχε στην εργασία. Αν και δεν είναι έτοιμη να εγκαταλείψει πιο συμβατικές θεωρίες σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος επεξεργάζεται περίπλοκες ακουστικές πληροφορίες, βρίσκει τα αποτελέσματα «προκλητικά» επειδή υπαινίσσονται ότι «ίσως δεν έχουμε πολύ καλή ιδέα για το τι συμβαίνει». P>

Αναστροφή μιας Ιεραρχίας στο κεφάλι της

Τα πρώτα βήματα στην αντίληψή μας για τον ήχο είναι πολύ καλά κατανοητά. Όταν ακούμε κάποιον να μιλάει, ο κοχλίας στο αυτί μας διαχωρίζει τον πολύπλοκο ήχο σε διαφορετικές συχνότητες και στέλνει αυτή την αναπαράσταση μέσω πολλών σταδίων επεξεργασίας στον ακουστικό φλοιό. Αρχικά, εξάγονται πληροφορίες από αυτά τα σήματα σχετικά με τη θέση ενός ήχου στο διάστημα, το ύψος του και το πόσο αλλάζει. Αυτό που θα συμβεί στη συνέχεια είναι πιο δύσκολο να αποτυπωθεί:Οι υψηλότερες περιοχές του φλοιού πιστεύεται ότι πειράζουν χαρακτηριστικά που σχετίζονται ειδικά με την ομιλία - από φωνήματα έως προσωδία - σε μια ιεραρχική ακολουθία. Τα χαρακτηριστικά άλλων σύνθετων τύπων ήχων, όπως η μουσική, θα αντιμετωπίζονται με παρόμοιο τρόπο.

Αυτή η διάταξη απηχεί μοντέλα του τρόπου λειτουργίας του οπτικού συστήματος:Ερμηνεύει τα μοτίβα φωτός που πέφτει στα κύτταρα στον αμφιβληστροειδή πρώτα ως γραμμές και άκρες και μετά ως πιο περίπλοκα χαρακτηριστικά και σχέδια, δημιουργώντας τελικά μια αναπαράσταση ενός προσώπου ή ενός αντικειμένου. /P>

Αλλά η ανατομή των λεπτομερειών της ροής ακουστικών πληροφοριών ήταν δύσκολη. Οι μελέτες του λόγου δεν μπορούν να φτάσουν μακριά χρησιμοποιώντας ζώα, επειδή η ομιλία είναι ένα μοναδικό ανθρώπινο χαρακτηριστικό. Και στους ανθρώπους, οι περισσότερες έρευνες πρέπει να χρησιμοποιούν έμμεσες μεθόδους για τη μέτρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Η λήψη άμεσων ηχογραφήσεων είναι πολύ πιο δύσκολη γιατί είναι επεμβατική:Οι επιστήμονες πρέπει να επικεντρωθούν στις ιατρικές διαδικασίες, συλλέγοντας δεδομένα από ηλεκτρόδια που εμφυτεύονται στον εγκέφαλο ασθενών που υποβάλλονται σε χειρουργική επέμβαση για επιληψία. Ωστόσο, πολλές ακουστικές περιοχές ενδιαφέροντος βρίσκονται βαθιά μέσα στον εγκέφαλο μεταξύ του μετωπιαίου και του κροταφικού λοβού - μια περιοχή όπου οι χειρουργοί συνήθως δεν αναζητούν καταγραφές.

Ωστόσο, πολλές από αυτές τις άμεσες και έμμεσες μελέτες βρήκαν στοιχεία για το παραδοσιακό ιεραρχικό μοντέλο επεξεργασίας ακουστικής και ομιλίας:Μία από τις πρώτες στάσεις στη διαδικασία, ο κύριος ακουστικός φλοιός, φαίνεται να είναι συντονισμένος για να κωδικοποιεί απλά χαρακτηριστικά των ήχων, όπως η συχνότητα. . Καθώς τα σήματα απομακρύνονται από τον κύριο ακουστικό φλοιό, άλλες περιοχές του εγκεφάλου φαίνεται να ανταποκρίνονται περισσότερο σε όλο και πιο περίπλοκα χαρακτηριστικά ήχου, συμπεριλαμβανομένων χαρακτηριστικών μοναδικών στην ομιλία, όπως τα φωνήματα. Μέχρι στιγμής, όλα καλά.

Αλλά οι επιστήμονες συνήγαγαν αυτό το ιεραρχικό πλαίσιο «βασισμένοι σε πειράματα που δεν προσπαθούσαν απαραίτητα να δουν πώς συνδέονται αυτές οι περιοχές» ή τις αλληλουχίες στις οποίες δραστηριοποιήθηκαν, δήλωσε ο Liberty Hamilton, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Austin.

Και έτσι, το 2014, ξεκίνησε να δημιουργήσει έναν πιο ολοκληρωμένο χάρτη των αναπαραστάσεων του ήχου της ομιλίας σε όλο τον ακουστικό φλοιό, για να μάθει τι είδους πληροφορίες αποστάζονται από έναν ήχο σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου και πώς αυτές οι πληροφορίες ενσωματώνονται από μια περιοχή σε το επόμενο.

Είχε μια σπάνια ευκαιρία να διερευνήσει αυτό το ερώτημα, πρώτα ως μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο εργαστήριο του Έντουαρντ Τσανγκ, νευροχειρουργού στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Σαν Φρανσίσκο, και μετά στο δικό της εργαστήριο στο Όστιν. Οι Chang, Hamilton και οι συνάδελφοί τους κατάφεραν να συγκεντρώσουν αρκετούς ασθενείς των οποίων η θεραπεία απαιτούσε την τοποθέτηση πλέγματος ηλεκτροδίων σε διάφορες ακουστικές θέσεις.

Επειδή οι ευκαιρίες παρακολούθησης αυτών των περιοχών είναι τόσο δύσκολο να βρεθούν, οι ηχογραφήσεις τους ήταν «υπερπολύτιμα δεδομένα και συναρπαστικές», είπε ο Boebinger. Οι ερευνητές ήλπιζαν ότι θα μπορούσαν να συμπληρώσουν λεπτομέρειες σχετικά με το πώς ο εγκέφαλος μετατρέπει τις ηχητικές αναπαραστάσεις χαμηλού επιπέδου στον πρωτεύοντα ακουστικό φλοιό σε πιο σύνθετες αναπαραστάσεις ήχων ομιλίας σε μια περιοχή πιο ψηλά στην ιεραρχία, την ανώτερη κροταφική έλικα. P>

Αντίθετα, αυτό που βρήκαν «κάπως ανέτρεψε την ιδέα», είπε ο Hamilton.

Μονοπάτια που αποκλίνουν νωρίς

Η πρώτη υπόδειξη ότι τα πράγματα δεν προχωρούσαν όπως αναμενόταν έφτασε γρήγορα. Η ομάδα Chang ανέλυσε τις απαντήσεις διαφορετικών ακουστικών περιοχών σε χαρακτηριστικά καθαρών τόνων και προφορικών λέξεων και προτάσεων. Κατάφεραν να επιβεβαιώσουν προηγούμενα ευρήματα και να συμπληρώσουν λεπτομέρειες του χάρτη που έλειπαν.

Παρατήρησαν όμως και κάτι περίεργο. Εάν οι πληροφορίες έρεαν ιεραρχικά από τις «κατώτερες» στις «υψηλότερες» περιοχές όπως πίστευαν, τότε ο πρωτεύων ακουστικός φλοιός θα πρέπει να ανταποκριθεί σε μια είσοδο πριν το κάνει η άνω κροταφική έλικα. Ωστόσο, ορισμένες περιοχές της άνω κροταφικής έλικας φαινόταν να ανταποκρίνονται στην έναρξη της ομιλίας το ίδιο γρήγορα όπως ο κύριος ακουστικός φλοιός ανταποκρίθηκε σε απλά χαρακτηριστικά ήχου, όπως η συχνότητα.

Η παρατήρηση προκάλεσε μια δελεαστική υπόθεση:ότι οι δύο περιοχές του εγκεφάλου επεξεργάζονταν παράλληλα διαφορετικές πτυχές της ίδιας εισόδου και ότι «αυτή η παράλληλη οδός για την αντίληψη της ομιλίας μπορεί να παρακάμψει τον πρωτεύοντα ακουστικό φλοιό - όπου πιστεύαμε ότι υποτίθεται ότι όλες οι πληροφορίες να φύγω», είπε ο Χάμιλτον. Αυτό θα σήμαινε ότι ορισμένες αναπαραστάσεις ήχων ομιλίας δεν χρειαζόταν να δημιουργηθούν από χαρακτηριστικά χαμηλότερου επιπέδου που εξάγονται στον πρωτεύοντα ακουστικό φλοιό. «Σε ένα ιεραρχικό μοντέλο, αναμένετε ότι ο πρωτεύων ακουστικός φλοιός είναι ο πρώτος σταθμός που πρέπει να περάσετε πριν φτάσετε στις περιοχές ομιλίας του φλοιού», είπε ο Χάμιλτον. Αλλά τα αποτελέσματά της υποδηλώνουν ότι αυτό δεν είναι απαραίτητα αλήθεια.

Ο Chang, ο Hamilton και οι συνάδελφοί τους αποφάσισαν να δοκιμάσουν περαιτέρω αυτή την ιδέα. Όταν διέγειραν τον πρωτεύοντα ακουστικό φλοιό των ασθενών για να διαταράξει τη λειτουργία του, οι ασθενείς δεν είχαν ακόμη πρόβλημα στην αντίληψη της ομιλίας. Αντίθετα, ανέφεραν ακουστικές παραισθήσεις:ήχους πάνω από τις λέξεις ή τις προτάσεις που άκουγαν, που κυμαίνονταν από βουητό και χτύπημα μέχρι τρεχούμενο νερό και μετατόπιση χαλίκι.

Όταν οι ερευνητές διέγειραν μια υποπεριοχή της άνω κροταφικής έλικας, είδαν το αντίθετο:οι ασθενείς δεν μπορούσαν να καταλάβουν την ομιλία, αλλά προφανώς μπορούσαν να ακούσουν ήχους κανονικά. «Σε άκουγα να μιλάς αλλά δεν μπορώ να ξεχωρίσω τις λέξεις», ανέφερε ένα θέμα.

Για άλλη μια φορά, «ήταν σαν να υπήρχαν μόνο δύο ξεχωριστές διαδικασίες», είπε ο Χάμιλτον — ανεξάρτητα μονοπάτια για την επεξεργασία των ήχων και υποτιθέμενα χαρακτηριστικά υψηλότερου επιπέδου που σχετίζονται με την ομιλία.

Η εύρεση παράλληλης επεξεργασίας στον ακουστικό φλοιό δεν αποτελεί έκπληξη. «Οι ιεραρχίες είναι ωραίες και καθαρές όταν μιλάς για αντιληπτικά συστήματα, γιατί ξέρεις ότι σε κάποιο επίπεδο, πηγαίνεις από ένα θορυβώδες σήμα σε κάτι υψηλότερης τάξης και πιο αφηρημένο», είπε η Sophie Scott, νευροεπιστήμονας στο University College του Λονδίνου. που δεν συμμετείχαν στη μελέτη. "Αλλά κανείς δεν είπε ποτέ στη φύση ότι αυτός έπρεπε να είναι ο πιο εύκολος ή καθαρός τρόπος να το κάνεις."

Είναι λογικό μόνο ότι σε κάποιο σημείο, χωριστά κυκλώματα του εγκεφάλου πρέπει να χειρίζονται διαφορετικούς τύπους ακουστικών πληροφοριών ταυτόχρονα. Στην πραγματικότητα, οι ερευνητές έχουν ήδη αναφέρει παράλληλες λειτουργίες σε μεταγενέστερα στάδια της ακουστικής επεξεργασίας:Πολύπλοκα μουσικά στοιχεία και στοιχεία ομιλίας επεξεργάζονται χωριστά, με τις αναπαραστάσεις τους να σχηματίζονται τουλάχιστον εν μέρει παράλληλα.

Αλλά αυτές οι διασπάσεις στην επεξεργασία της ομιλίας και του ήχου συμβαίνουν μόνο αφού τα σήματα έχουν περάσει από τον πρωτεύοντα ακουστικό φλοιό. Η εργασία των Hamilton και Chang αποκάλυψε ένα τέτοιο σημείο διακλάδωσης πολύ νωρίς στη διαδικασία - τόσο νωρίς που μπορεί να σημαίνει ότι οι πληροφορίες ενσωματώνονται για να αναπαραστήσουν ήχους ομιλίας στο υποφλοιώδες επίπεδο, και όχι μόνο στον φλοιό. Και αν η υποφλοιώδης επεξεργασία παίζει τόσο μεγάλο ρόλο στην ομιλία, οι ερευνητές μπορεί επίσης να έχουν παραβλέψει άλλους σημαντικούς τρόπους με τους οποίους ο εγκέφαλος αντιλαμβάνεται τους πολύπλοκους ήχους.

«Έχουμε μάθει ξανά και ξανά όλα αυτά τα χρόνια ότι πολλά από τα πράγματα που πιστεύαμε ότι είναι φλοιώδη στην πραγματικότητα, τουλάχιστον σε κάποιο βαθμό, ήταν επίσης υποφλοιώδη», δήλωσε ο Israel Nelken, νευροβιολόγος και διευθυντής του Edmond and Lily Safra. Κέντρο Επιστημών Εγκεφάλου στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ.

Στην πραγματικότητα, τα νέα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι τα «χαμηλότερα» επίπεδα του φλοιού μπορεί επίσης να κρύβουν μεγαλύτερη πολυπλοκότητα. Ο Scott, για παράδειγμα, θεώρησε ενδιαφέρον ότι η διέγερση του πρωτογενούς ακουστικού φλοιού οδήγησε σε ένα τόσο πλούσιο σύνολο ακουστικών παραισθήσεων στους ασθενείς της ομάδας Chang. Σύμφωνα με αυτήν, τέτοιες παραισθήσεις συνήθως συνδέονται με φλοιώδεις περιοχές υψηλότερης τάξης.

Έτσι, ο πρωτογενής ακουστικός φλοιός μπορεί να κάνει περισσότερα από αυτά που του δίνονται συνήθως. Άλλες πρόσφατες εργασίες έχουν επισημάνει το ίδιο συμπέρασμα:Σε αντίθεση με τον πρωτογενή οπτικό φλοιό, ο πρωτογενής ακουστικός φλοιός λαμβάνει σήματα που έχουν ήδη υποστεί πολύ περισσότερη επεξεργασία και αναπαριστά πληροφορίες με έναν πολύ πιο ευαίσθητο στο πλαίσιο τρόπο. Είναι "λειτουργικά πολύ πιο κατάντη από ό,τι είναι ο πρωτογενής οπτικός φλοιός", δήλωσε ο David Poeppel, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης.

"Περισσότερο σαν αστραπή"

Ακόμα κι έτσι, «δεν νομίζω ότι θέλουμε να πετάξουμε εντελώς το ιεραρχικό μωρό με το νερό του μπάνιου», είπε ο Πόπελ. Υπάρχουν ακόμη ιεραρχίες σε αυτό το σύστημα και είναι σημαντικές για την κατασκευή όλο και πιο αφηρημένης νοητικής αναπαράστασης.

Αλλά η απομάκρυνση από αυτή την ιεραρχία για την παράλληλη επεξεργασία της ομιλίας και άλλων ήχων πολύ νωρίς μπορεί να προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα. Πρώτον, θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση της ταχύτητας του ακουστικού συστήματος, το οποίο απαιτεί ακρίβεια μικροδευτερόλεπτου λόγω της παροδικής φύσης των ήχων. «Έχοντας λοιπόν αυτό το είδος παράλληλης οργάνωσης μπορεί να σας επιτρέψει να αναλύσετε πιο γρήγορα πληροφορίες σχετικά με την ομιλία ή άλλους σύνθετους ήχους», είπε ο Boebinger. Επιπλέον, τα ακουστικά σήματα είναι εγγενώς ακατάστατα:τα άτομα ρίχνουν φωνήματα ή παραλείπουν λέξεις με ασυνέπεια και μπορεί να μιλούν διαφορετικά σε διαφορετικά κοινωνικά πλαίσια. Ένα σύστημα παράλληλης επεξεργασίας μπορεί να είναι καλύτερο στην αντιμετώπιση τέτοιων χαοτικών εισροών.

Μπορεί επίσης να βοηθήσει το ακουστικό σύστημα να διαχωρίσει τους πολύπλοκους, επικαλυπτόμενους ήχους πιο αποτελεσματικά και να επιτρέψει στον εγκέφαλο να εναλλάσσει γρήγορα την προσοχή μεταξύ αυτών των ακουστικών ροών. "Πρέπει να υπάρχουν πολλαπλές ροές διαφορετικών ειδών πληροφοριών που υποβάλλονται σε επεξεργασία, όλα ταυτόχρονα, με πολύ πλαστικό τρόπο, επειδή το ακουστικό περιβάλλον μπορεί να αλλάξει με την πτώση ενός καπέλου", είπε ο Scott. Δεδομένης της σημασίας των ήχων ομιλίας για τους ανθρώπους, είναι λογικό ότι ο εγκέφαλός μας θα τους επεξεργάζεται γρήγορα και με τρόπο που να τους κρατά διακριτούς από τους ήχους φόντου ή περιβάλλοντος.

Και αν η ομιλία και οι ήχοι που τους παράγουν επεξεργάζονται ανεξάρτητα πολύ νωρίς, τότε ίσως και άλλοι τύποι ήχων να το κάνουν. Για να το ανακαλύψουν, ο Hamilton και άλλοι ελπίζουν να κάνουν πειράματα με ένα ευρύτερο φάσμα ακουστικών εισόδων - περιβαλλοντικούς ήχους, μουσική, προτάσεις που εκφωνούνται εν μέσω θορύβου παρασκηνίου και όχι στη σιωπή - για να εξετάσουν πότε και πού μπορεί να συμβούν διαφορετικά είδη παράλληλης επεξεργασίας.

«Μόλις αρχίζουμε να μπορούμε να ανατέμνουμε τα συστατικά αυτής της επεξεργασίας», δήλωσε ο Robert Shannon, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια. Ίσως αποδειχθεί ότι οι αναπαραστάσεις θα σχηματιστούν όχι μόνο σε ανοδικές ιεραρχίες ή σε τακτοποιημένα παράλληλα μονοπάτια, αλλά με τόσο παραλληλισμό και πολυπλοκότητα που «μοιάζουν περισσότερο με καταιγίδα κεραυνού», πρόσθεσε.

Και αυτή "είναι μια πολύ διαφορετική εικόνα του πώς λειτουργούν τα αισθητήρια συστήματα", είπε ο Nelken.

QuantaQuanta