Nature | 揭秘人类语言产生的神经元机制：单个神经元如何编码自然语言

引言

语音作为人类最基本的交流方式之一，其复杂性和精细度一直是神经科学研究的重点。近年来，随着科技的进步，特别是高密度神经电极技术如Neuropixels的出现，研究人员开始有机会在单神经元水平上探索语音产生的生理基础。1月31日Nature上的研究“Single-neuronal elements of speech production in humans”揭示了人类大脑如何通过精细调控神经元的活动来产生流畅且富有表达力的语言，进而为理解语音产生的复杂神经机制提供了前所未有的视角。

语音不仅仅是声音的简单产生，它是一种高度复杂的认知功能，涉及到从思维到声音的转换，这一过程需要大脑的多个区域协同工作。语音产生的能力不仅对个人社会交往至关重要，同时也是人类智能的重要标志之一。理解语音如何在大脑中被编码和产生，对于揭示人类认知功能的基本原理，以及开发治疗语言障碍的新方法都有着重要意义。此外，这一领域的研究对于改善人机交互系统，特别是发展能够理解和产生自然语言的人工智能系统也具有启发作用。

人类语音生产的生理基础

语音产生的神经机制

语音产生是一项涉及复杂神经网络的活动，其核心在于大脑的精细调控。在这一过程中，大脑皮层的多个区域协同工作，从语言的构思到声音的发出，每一个环节都是神经元活动的直接反映。语音的每个音素和词汇的选择，都与大脑中特定神经元的活动密切相关。这些神经元通过特定的神经传递路径，将内在的语言意图转化为具体的语音输出。

前额叶皮层在语言编码中的作用

前额叶皮层，尤其是其语言主导区域，对于语音的产生起着至关重要的作用。这一区域的神经元被发现能够编码语言的各个方面，包括但不限于音素的结构、词汇的选择以及句子的构建。具体而言，这些神经元对于语音规划和执行过程中的时间控制、语调的调整以及语言流畅性的维持都有着不可或缺的贡献。其活动模式反映了语言产生过程中的高度组织性和动态性，揭示了复杂语言功能背后的细胞级机制。

单神经元编码的发现

高密度Neuropixels记录技术

近年来，高密度Neuropixels记录技术的发展为我们提供了一种前所未有的手段，以高分辨率观察和分析大脑中单个神经元的活动。这一技术利用微小的电极阵列直接植入大脑相关区域，能够同时记录成百上千个神经元的电活动。与此同时，Neuropixels技术的高时间分辨率确保了对神经元活动动态变化的精确捕捉，为研究人员提供了解析语言产生过程中神经编码模式的强大工具。通过这些详细的记录，科学家能够深入理解语音产生的神经生理基础，从而为相关的临床诊断和治疗提供科学依据。

语言主导前额叶皮层神经元的编码特征

在人类大脑的语言主导前额叶皮层中，研究发现存在一类特殊的神经元，它们在语音产生过程中发挥着核心作用。这些神经元能够编码与语言相关的复杂信息，包括但不限于音素的排列、语调的变化以及句法的构建。更为重要的是，这些神经元的活动模式呈现出高度的特异性和动态性，能够根据语言产出的需要进行快速调整。

音素编码的结构化组织

进一步的研究揭示了音素编码在前额叶皮层神经元中的结构化组织方式。每个特定的音素——无论是元音还是辅音——都能够与特定神经元的活动模式相对应。这种一对一的映射关系表明，大脑中存在着精细的神经网络，专门负责处理和编码语音的基本单元。此外，这些神经元之间的互动和协作进一步增强了语音产生的准确性和流畅性，显示出大脑对于语言处理的高度专业化和优化。

前额叶神经元在自然语音产生过程中的跟踪记录（Credit: Nature）

语音规划与产出过程中的神经元活动

神经元活动与语音规划的关系

语音产生是一个复杂的认知过程，涉及到从思维到发音的一系列步骤。在这个过程中，大脑的神经元活动起到了至关重要的作用。语音规划阶段的神经元活动模式与实际语音产出的质量和效率密切相关。特定的神经网络在语音规划阶段被激活，以准备即将产生的语音。这些神经元的活动不仅涉及音素的选择，还包括语调、节奏和强度的调整，这些都是语音流畅和自然的关键因素。

从规划到产出的神经动态转换

从语音规划到实际产出的过程中，神经元活动呈现出高度的动态变化。这些变化反映了大脑对于语音产出过程的精细控制能力。在语音规划阶段，前额叶皮层等区域的神经元活动增强，准备发起语音。随着语音产出的临近，包括运动皮层在内的其他大脑区域开始参与，以指导口腔和声带的物理运动。这一阶段的神经元活动转换，是语音流畅性和准确性的关键，确保了语音产出与内部规划的一致性。

对比感知过程中的神经编码

语音产出和感知虽然是紧密相关的过程，但在神经元活动层面上存在显著差异。对比语音产出过程中的神经编码，感知过程中的神经元活动更多地涉及到听觉皮层和语言理解相关区域。这种差异反映了大脑处理自身产生的语音与解析外来语言信号的不同机制。通过分析这些差异，研究人员可以更好地理解语音产出与感知之间的相互作用，以及它们是如何在大脑中被不同的神经网络处理的。

语音生产的细胞级过程

辅音和元音声音的细胞追踪

研究人员发现辅音和元音的声音产生不仅涉及复杂的生理机制，而且在细胞级别上展现出惊人的精细度。通过高密度Neuropixels记录技术，研究人员能够追踪到单个神经元对于不同声音的反应。这些神经元如同精密的乐器，能够区分并编码语音中的辅音与元音，展现出大脑处理语音信息的高度专业化和精细化。

语音序列的节奏与形态特征编码

语音序列中的节奏与形态特征是语言交流中不可或缺的一部分，它们对于语音的理解至关重要。单神经元的研究揭示了大脑如何在细胞级别上编码这些复杂的语音特征。神经元活动的模式反映了语音节奏的变化，能够精确地跟踪语速的快慢和停顿的长短。此外，形态特征，如音高和强度的变化，也在神经元的反应中找到了对应的编码机制。这些发现为理解语音的动态过程提供了新的维度，揭示了大脑如何精确控制和处理语音产生中的复杂特征。

神经元在语音感知与产生中的区别

对比语音感知与产生过程中神经元的活动，研究人员发现了明显的区别。在语音产生过程中，神经元的活动模式更为复杂和多变，反映了产生语音需要的高度协调和精细控制。而在语音感知过程中，神经元的反应则更加专注于解码和理解来自外部的语音信息。这种差异不仅揭示了大脑处理输入和输出语音信息的不同机制，也强调了语音产生与感知功能之间的互动和协调，这对于完整理解语言功能的神经基础至关重要。

该研究通过高密度Neuropixels记录技术，在单神经元层面上揭示了人类语音生产的细胞级过程，为理解语音如何在大脑中被编码和产生提供了新的视角。这些发现不仅增强了我们对语音生产复杂神经机制的理解，而且为发展治疗语言障碍的新策略提供了可能。此外，研究的成果也对于改善人机交互系统，尤其是发展能够理解和产生自然语言的人工智能系统具有重要启示。

通过深入探索语音产生的细胞级过程，该研究强调了语音生产不仅是单一神经元活动的总和，更是一个涉及多个脑区和复杂神经网络交互的过程。这种全新的理解方式推动了我们从整体上把握语音生产的神经基础，对于完善语音生产的理论模型具有重要意义。同时，这一研究方向的深入也可能为语音障碍的诊断和治疗提供新的思路和方法。

Q&A

如何理解单神经元在人类语音生产中的作用？

单神经元在语音生产中的作用体现在它们如何响应特定的声音或语音模式，以及它们如何在大脑中网络化以产生连贯的语言输出。这一过程反映了大脑如何将简单的声音元素组合成复杂的语音表达。

Neuropixels技术对神经科学研究的贡献是什么？

Neuropixels技术通过提供高分辨率的神经元活动记录，极大地促进了我们对大脑功能的理解。它允许科学家们在没有显著干扰生理状态的情况下，对成千上万的单个神经元进行实时监测，从而深入探索大脑的工作原理。

研究中发现的神经编码模式有何实际应用？

研究中发现的神经编码模式不仅增进了我们对大脑如何处理语言的理解，还可能对开发更自然的人机交互界面、改善语言障碍治疗方法以及设计能够模拟人类语言处理能力的人工智能系统有着实际应用价值。

责编|探索君

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