大脑语音加工机制

  发布时间:2015-06-16   浏览次数:374次 返回上一级


语音的大脑感知与发声的大脑控制机制是语言学、心理学、神经科学等领域研究的热点。语音神经肌肉系统的研究手段和脑功能成像技术正在言语语言病理学及其相关领域的前沿研究中发挥作用。语音脑功能的认识源于脑损伤所致的语言功能障碍的研究。脑电(lelctroencephalogram,EEG)、正电子断层成像(phsitron  emission 
tomography,PET)
、功能磁共振(functional magnetic
resonance imaging fMRI)
、脑磁图(magnetoen cephalogram,MEG)、及电阻层析成像(electrical impedance tomography,EIT)、等功能测量技术问世以来,对健康人群在语音任务下大脑活动进行观察和分析成为可能。



本章从脑功能的角度介绍语音听觉与发声的大脑控制,主要内容包括以下三个方面:大脑功能影像研究的实验设计、数据采集与数据分析方法;语音听觉与发声大脑控制环路,包括语音听觉脑区功能定位及语音表达大脑功能控制;以失语症、听觉异常、构音障碍及喉癌为代表的语言功能障碍。



一、语音加工脑功能研究方法



语音信号与思想之间的转换涉及多阶段、多水平的处理流程,语音神经科学的研究多集中于不同语音编码水平相关的语音神经环路的脑区定位及各功能脑区的关系。



功能成像技术出现之前,语言脑功能研究的对象主要是脑损伤患者或语言功能不全患者,采用术中刺激并记录响应的研究方法。19世纪至20世纪中叶,典型的语言神经控制模型多基于BrocaWernickeLichtheim
Geschwind
等的研究,这些模型主要围绕Broca区、Wernicke区的功能对语言的认知及产生的脑区控制机制进行描述。1988年,Petersen等首次报道了使用PET研究单词听觉和视觉任务下脑区激活状态,从而开启了应用功能成像技术进行语言脑功能研究的先河,Petersen等还在语言脑功能的PET研究中提出了一种新的语言脑功能模型。随着脑功能技术的发展,尤其是fMRI的出现,健康被试脑功能的研究成为可能,更多的语言相关的脑区被发现,语言脑功能模型不断更新。



二、语音加工脑功能模型



大脑在处理语音信号过程中包含腹侧信息流及背侧信息流两个信息处理流程。腹侧信息流自接受语音信号的听觉脑区流向双侧大脑腹侧,主要实现语音理解,涉及的脑区包括双侧颞上沟中后部、双侧颞上回背侧面、双侧颞中回后部、双侧颞下回后部、左脑颞叶前部。背侧信息流自接受到语音信号的听觉区流向左脑背侧,凸显左侧半球优势,主要实现语音感知及其与发声运动控制的综合调节,涉及的脑区包括STS中后部,STG背侧面、左脑SPT区、运动前区、BA45/44/6



1、腹侧信息流



语言优势半球问题一直是神经科学流域研究的热点,在腹侧信息流讲语音信号解码成为可理解的语义信息过程中并未见明显的半球优势,但是也存在一定的两侧半球非对称性。从语音识别到语音理解的大脑加工呈现出两侧半球并行处理的特点,大量临床病理研究及神经影像研究结果支持这种观点。单侧半球损伤患者仍保持语音识别能力,说明对侧大脑半球至少存在一个语音识别功能的通路实现语音到词义转换的功能。功能影像学发现,语音刺激可激活双侧STSSTG背侧。大量研究表明,STS在音韵水平上进行语音信号的处理,词义的识别脑区主要集中于颞中脑区的后部,ATL脑区在更高水平的句法、组合词汇语义的理解中扮演重要角度



2、背侧信息流



背侧信息流主要负责处理空间定位及语音识别与发声运动交互功能。语言习得过程直接说明了语音感知与发声运动之间存在交互作用。左脑STG背侧在语音感知过程中起重要作用,该脑区的损伤也会引起发声运动功能障碍,说明语音感知功能脑区是发声运动控制环路中的重要节点。功能神经影像学的研究结果发现,大脑中存在着语音听觉与发声运动的交互作用。无论是语音感知任务还是发声任务,双侧STS后部、SPT脑区、左脑额叶后部均被激活,SPT区在语音感知和发声运动控制(尤其是声带运动控制)过程中起着关键作用。背侧信息流功能脑区的分布特点体现了显著的左侧半球优势



近二十年以来,语言脑功能成像研究拓展了人们对语言脑功能模型的认识。在图7.1所示主要脑功能区以外,还存在着众多脑区可被语言任务激活。除了语音任务外,视觉语言任务在语言脑功能研究中也占有重要地位,视觉刺激激活脑区主要集中在枕叶皮层,包括视觉刺激在内的语言任务激活脑区及脑区的主要功能见表7.1,脑区分布如图7.2所示。



7.1  语言任务激活的脑区及其主要功能





 


 

英文缩写    英文全称            中文全称                  主要功能


 


AC-a   Anterior cingulate anterior       前扣带回-前部   抑制无意识单词发声运动

AC-p    Anterior cingulate posterior     前扣带回-后部    发声运动执行

AG     Anterior gyrus                角回                 语义整合及预测

CB(IV/V)   Cerebellum(lobules IVandV)    小脑第IVV小叶   沉默发声运动计划

CB(VI/VIIB)   Cerebellum(lobules VIandVIIB) 小脑第VIVIIB小叶  发声过程中单词

                                             联想            CB(VI)   Cerebellum(lobules VI)        小脑第VI小叶       发声运动时间判断

CB(VIII)      Cerebellum(lobules VIII)  小脑第VII小叶   听觉时间判断、发声运动 

Ins-a    Insula-anterior part          岛叶-前部          发声过程中呼吸控制

ITG-p   Inferior temporal gyrus-posterior 颞下回-后部      单词发声任务中语义访问

ITG-a    Inferior temporal gyrus-anterior 颞下回-前部       语义关联

MFG       Middle frontal gyrus         额中回        发声过程中单词检测

MTG-p        Middle frontal gyrus-posterior 额中回-后部       语义提取

MFG-a        Middle frontal gyrus-anterior  额中回-前部       语义关联

PM-d         Premotor cortex-dorsal       运动前区皮层-背侧  一般运动选择

PM-v         Premotor cortex-ventral      运动前区皮层-腹侧   口面部运动计划

pOP          Pars opercularis    额下回岛盖部       短期记忆及输入、预测、

                                              意义整合

pOp-d        Pars opercularis-dorsal        额下回岛盖部-背侧   运动时序       

pOp-v        Pars opercularis-ventral       额下回岛盖部-腹侧    口面部运动计划

pOrb         Pars orbitalis          额下回眶部  语义、概念或单词选择或检索

PreC/Poc      Precentral and postcentral     中央前和中央后      口面部运动

Pre-SMA      Anterior to supplementary     辅助运动区前区      运动

            Motor cortex            

PT           planum temporale            颞平面              听觉声学处理

pTri          Pars triangularis            额下回三角部  语义确定

PUT          Putamen                   壳核           运动执行时间判断

SFG          Suprior frontal gyrus          额上回    根据语境选择语义或单词

SMA          Supplementary motor cortex   辅助运动区     运动执行时序

SMG-v        Supramarginal gyrus-ventral   缘上回-腹侧          听觉预测

STG-a    Superior temporal gyrus-anterior  颞上回-前部     复杂声音的听觉前期处理

STG-p   Superior temporal gyrus-posterior颞上回-后部        听觉处理、单词检索

STS-a         Superior temporal sulcus-anterior颞上沟-前部        语义关联

STS-p  Superior temporal sulcus-posterior颞上沟-后部   相近声音、关节运动意义的整合

TH-vl         Thalamus-ventral lateral      丘脑腹部外侧核 发声过程中呼吸的控制

TPJ    Temporo-parietal junction        颞顶联合区      听觉短期记忆、语义检索

vOT     Ventral occipito-temporal cortex 腹侧枕颞皮层 视觉格式与语义系统的关联

vOT-a   Ventral occipito-temporal-anterior   腹侧枕颞皮层-前部 视觉格式的语义提取

vOT-p   Ventral occipito-temporal-posterior  腹侧枕颞皮层-后部 次语义格式的视觉前期




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