INTRODUCTION
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研究介绍
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研究背景
Background
动物的大脑中存在专门处理同类声音的区域，但这些区域是否处理其他物种的声音，特别是人类声音，尚未得到充分研究。
虽然神经成像研究已经在灵长类动物中定位到处理同类声音的区域，但对于异种声音的处理机制仍然模糊，现有方法无法清楚解释这些区域如何响应非同类声音。
研究目的
Objectives
本研究旨在通过fMRI引导的电生理学方法，观察恒河猴大脑前颞区（aTVA）的神经元对包括人类声音在内的复杂声音的反应，以揭示猴子大脑中是否有一群神经元专门处理人类声音，并探究这是先天的还是后天习得的。
METHODS
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研究方法
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研究亮点
1 | 使用功能性磁共振成像（fMRI）确定恒河猴的前颞区（aTVA）的位置。在aTVA植入高密度的慢性电极阵列，以便记录神经元活动。 |
2 | 让猴子执行听觉检测任务，期间播放包括人类和恒河猴的多种声音，并记录神经元的反应。 |
3 | 分析最大相关系数分类器（MCC）的准确性，以评估神经元对不同声音类别的区分能力。通过表示相似性分析比较神经元和fMRI数据的声音表示。 分类器是一种机器学习算法，它被用来基于神经元群体或不同亚群体的放电率来辨别声音类别或子类别。 |
FINDINGS
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研究发现
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1
猴子的aTVA中存在对人类声音敏感的神经元群体组
前颞顶区（ aTVA）猴子大脑中是最重要的声音区，与人类aTVA功能相似，能区分同种的声音和其他声音。研究者在两只恒河猴aTVA进行了电生理记录。
使猴子执行纯音检测任务，以保持对听觉刺激的注意力。实验使用了96个声学刺激，分为4个主要类别：人类声音、恒河猴叫声、狨猴叫声和非声学声音。 记录194个对听觉刺激有响应的神经元。分析神经元在100毫秒时间窗口内对不同声音类别的区分能力。
研究表明aTVA中的神经元对猕猴和人类声音有高度选择性响应，这种选择性有助于理解高层次听觉皮层的功能和信息处理机制。（图1）
图1
2
人类选择性神经元区分人类声音与其他声音
使用机器学习分类器（最大相关系数）并对神经元群体的响应模式进行表征相似性分析。结果显示在人类选择性神经元群体中，分类器对人类声音的分类准确性显著高于对猕猴叫声的分类准确性；而在猕猴选择性神经元群体中，分类器对猕猴叫声的分类准确性高于对人类声音的分类准确性。两种神经元群体对猕猴叫声与其他声音的分类准确性相似，但对人类声音的分类显著不同。人类和猕猴选择性神经元的放电活动能够更好地分类对应类别的声音，并反映出一种将这些声音与其他声音区分开来的表征几何结构。（图2）
图2
3
人类选择性神经元对人类声音子类别的精细表征
训练线性分类并使用表征相似性分析（RDM）探讨人类选择性神经元群体和猕猴选择性神经元群体对人类和猕猴声音子类别的表征差异。
结果显示，在人类选择性神经元群体中，人类声音子类别的分类准确性与猕猴子类别相当，而在猕猴选择性神经元群体中，人类声音子类别的分类准确性显著较低。人类选择性神经元能够更精细地表征人类声音子类别，而猕猴选择性神经元在这方面表现较弱。
研究证明人类选择性神经元不仅能够区分人类声音与其他声音类别，还能精细区分人类声音的不同子类别，反映出其对人类语音信息的高度敏感性和精细表征能力。（图3）
图3
4
人类选择性神经元的声音表征与人类fMRI数据紧密关联
计算并比较神经元RDM（在人类选择性和猕猴选择性神经元的最大关联时间点）与fMRI和声学RDM以及分类模型RDM。并进行相关性分析。结果表明神经元的声音表征与其对应的模型和fMRI数据一致。显示神经元RDM与对应的模型和fMRI RDM紧密聚类，而与声学RDM无显著关联。（图4）
图4
5
人声选择性不由频谱或时间调谐解释
使用96个原始声音刺激以及每个声音的两个声学控制：频谱匹配（SM）和时间匹配（TM）控制。还包括五个带通噪声刺激，以测试单个神经元的频率调谐。并记录38个听觉响应神经元，分析它们对频谱匹配和时间匹配控制刺激的响应，与原始刺激的响应进行比较。
结果显示，尽管一些神经元对带通噪声刺激有不同的调谐，但在总体上没有一致的频率调谐模式。与原始刺激相比，频谱匹配控制刺激的选择性显著降低，时间匹配控制刺激在选择性上也显著降低。
这些结果表明，aTVA神经元对人声和猕猴叫声的选择性并非简单的低级声学特性调谐所能解释。（图5）
图5
DISCUSSION
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研究讨论
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研究创新性
1 | 通过fMRI引导的电生理学方法，研究者揭示了猴子大脑中存在对人类声音有选择性的神经元群体。 |
2 | 这一发现挑战了传统的进化观点，即特定的大脑区域只代表与物种共同进化的生物声音，表明日常生活经验可能在形成神经元对异种声音的敏感性方面起重要作用。 |
3 | 研究结果为理解跨物种交流的神经机制提供了新的见解，比如在野生动物中的捕食者与猎物之间的交流，以及人类与宠物之间的互动。 |
研究局限性
1 | 研究对象仅限于两只雌性恒河猴，样本数量较小，可能限制了结果的普遍性，需要更多动物的研究来验证发现。 |
2 | 虽然此研究发现了一部分神经元对人类声音有选择性，但并未深入探讨这些神经元的功能作用，例如它们在猴子社交行为中的具体角色。 |
3 | 研究没有探讨这种声音选择性是如何随时间发展或改变的，特别是早期经验如何影响猴子对人类声音的处理。 |
参考文献
[1] Margherita Giamundoa, Regis Trapeaua, Etienne Thoret, Luc Renauda, Simon Nougareta , Thomas G. Brochiera, Pascal Belina, A population of neurons selective for human voice in the monkey brain, PNAS, 2024 Jun 18;121(25).
PROFILE
Pascal Belin
艾克斯马赛大学的拉蒂莫内神经科学研究所
主要研究我们感知声音中不同类型信息的大脑基础。结合心理声学（语音变形）、神经成像（fMRI、MEG、EEG）和机器学习技术进行的实验检查了大脑中语音信息处理的功能组织。
END
文案 | 李 蔓
排版 | 李 蔓
审核 | 李 蔓
发布｜姜笑南
世界生命科学大会
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