揭開大腦如何編碼語音的奧秘

像已故的斯蒂芬·霍金 這樣的人可以考慮他們自己想說什麼，但是由於肌肉癱瘓，他們無法說話。為了能夠交流，他們可以使用能夠感知一個人的眼睛或臉頰活動的設備，一次拼出一個字母。然而這個過程是緩慢且不自然的。

圖片來源：metamorworks / Fotolia

科學家希望通過研發一種腦機介面可以解碼大腦發送給舌頭、上顎、嘴唇和喉頭(發音器)的指令，來幫助完全癱瘓或「被鎖住」的個體更直觀地交流。

這個人只需試著簡單地說話，腦機介面(BMI)就會翻譯成語音。

西北大學醫學院和溫伯格文理學院（Weinberg College of Arts and Sciences）的新研究通過解鎖大腦如何編碼語音的新信息，使創建語音-腦機介面的科學更進一步。

科學家發現，大腦控制語音產生的方式與控制手臂和手運動的方式類似。為此，研究人員記錄了來自大腦兩個部分的信號，並破譯了這些信號所表達的信息。科學家發現，大腦既控制我們想要表達的目標(比如發「pa」和「ba」的音)，也控制我們用來實現這些目標的各種運動(我們如何移動嘴唇、上顎、舌頭和喉頭)。不同的控制行為發生在大腦的兩個不同部位。

西北大學范伯格醫學院（Northwestern University Feinberg School of Medicine）神經學和生理學的副教授，同時又是西北大學醫學院神經學家的論文主要作者馬克·斯盧茨基(Marc Slutzky)博士說：「這可以幫我們為腦機介面建立更好的語音解碼器，也使我們更接近幫助那些』被鎖住』的人再次說話的目標。」

這項研究將於9月26號發表在《神經科學雜誌（Journal of Neuroscience）》上。

這一發現還可能幫助那些患有其他語言障礙的人，例如兒童以及成人中風後出現的言語失語症（apraxia of speech）。在言語失語症中，一個人很難將大腦中的語音信息轉化成口語。

大腦的話是如何轉換成語音的

語音是由被稱為音位（phoneme）的單個聲音組成，這些聲音由嘴唇、舌頭、上顎和喉的協調運動產生。然而，科學家並不清楚大腦是如何規劃這些被稱為發音姿勢（articulatory gesture）的動作的。尤其是，我們還沒有完全理解大腦皮層是如何控制語音產生的，也沒發現大腦控制發音姿勢的證據。

斯盧茨基(Slutzky)說：「我們假設大腦的語言運動區和大腦的手臂運動區有相似的組織。中央前皮層表達嘴唇、舌頭、上顎和喉頭的運動(姿勢) ，並且較高級皮層區更大程度上表達音位。」

那正是他們所發現的。

斯盧茨基(Slutzky)說：「我們研究了大腦中有助於產生語音的兩個部分，相對於音位，中央前皮層更大程度上表達運動。下額葉皮層是一個更高級別的語言區，同時表達了音位和運動。」

和接受腦部手術的病人聊天來解碼他們的大腦信號

西北大學的科學家在接受大腦腫瘤切除手術的病人腦中放置電極來記錄大腦皮層表面的腦信號。病人在手術過程中必須保持清醒，以便於研究人員要求他們讀取屏幕上的字。

手術後，科學家們標記了病人發出音位和姿勢的時間。然後，他們利用記錄下來的每個皮層區的腦信號來解碼產生了哪些音位和姿勢，並測量了解碼的精確度。前中央皮層的腦信號在解碼姿勢時比音位更精確，而額下皮層的腦信號在解碼音位和姿勢上同樣出色。這些信息有助於支持語音產生的語言模型，還有助於指導工程師設計腦機介面來解碼這些腦區的語音。

下一步研究是開發一種腦機介面演算法，該演算法不僅可以解碼姿勢，還可以將這些解碼的姿勢組合成詞。

本文來自：環球科學

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