Speaker–Listener Neural Coupling Reveals an Adaptive Mechanism for Speech Comprehension in a Noisy environment

 清華大學心理學系張丹課題組利用慧創近紅外腦功能成像技術（fNIRS）開展噪聲下言語理解神經機制的腦際認知研究，研究成果《Speaker–Listener Neural Coupling Reveals an Adaptive Mechanism for Speech Comprehension in a Noisy Environment》被《Cerebral Cortex》國際期刊（影響因子5.043，JCR Q1）正式錄用并在線發表。研究使用fNIRS技術測量了人在傾聽自然言時兩個系統的神經活動，并通過計算聽者和講者的神經耦合及其行為學相關的方式探索人在噪聲條件下理解言語的神經機制。

▲實驗范式、流程和測量腦區

研究背景

       日常生活中的言語溝通環境總是存在噪聲干擾。已有研究發現，人腦中存在兩個不同的系統來應對噪聲。第一個系統是聽覺系統，它通過選擇性地加工目標語音和抑制環境噪聲來實現對噪聲的過濾處理；第二個系統是感覺運動系統，它通過模擬發聲動作或主動預測即將出現的信息來補全缺失的語音信息。然而，已有研究大多討論的是人在理解簡單的言語材料（如音素）時應對噪聲的神經機制，缺乏對自然語言和真實語境的關注，并缺少對兩種機制的直接對比。

▲聽者和講者的神經耦合結果。(A) 顯著的神經頻帶，(B/C) 聽者和講者表現出顯著神經耦合的腦區，(D) 聽者的感覺運動系統（左側額下回，CH17）和聽覺系統（右側顳中回和角回CH35-36）和講者在不同條件下的神經耦合。

研究方法

本研究使用慧創近紅外腦成像技術測量了人在傾聽自然語料時兩個系統的神經活動，并通過計算聽者和講者的神經耦合及其行為學相關的方式探索人在噪聲條件下理解言語的神經機制。

研究結論

研究發現，聽者的左側額下回（感覺運動系統）和右側顳中回、角回（聽覺系統）的神經活動和講者的神經活動表現出了顯著耦合。其中，聽者在感覺運動系統和講者的神經耦合在噪聲較強時和通過言語理解題目測量的理解程度的正相關更高，在聽覺系統和講者的神經耦合在噪聲較弱時和理解程度的相關較高。這一結果提示，兩個系統可能通過不同的機制來應對噪聲干擾。在噪聲較強時，基于運動模擬或預測的感覺運動系統比聽覺系統具有更強的適應性和穩健性。本研究從腦際視角出發，為探索噪聲條件下自然言語理解中兩個神經系統的功能差異提供了新的實驗證據。

▲神經耦合的行為學相關結果。(A/C) 聽者在感覺運動系統和聽覺系統的神經耦合的行為學相關結果。(B/D) 代表性腦區配對的神經耦合的行為學相關結果。

該研究需要在自然生活場景下了解大腦認知信息，對于近紅外腦成像系統的信號靈敏度、精準度提出了重要要求?；蹌撫t療作為一家專注于近紅外腦功能成像技術研發和應用的領軍企業，研發了世界首款超過100通道的近紅外腦功能成像NMPA注冊產品NirScan，實現支持全腦同步探測，在頂葉、枕葉等難檢測腦區亦可獲得優異的圖像質量。除移動落地式產品NirScan外，慧創醫療還推出了便攜式產品NirSmart，依托在移動落地式產品的技術積淀，便攜式產品NirSmart將大型設備濃縮到約一個iPAD大小，便攜輕盈，但依然保留高靈敏度、高通道的性能。同時，便攜式產品NirSmart通過無線連接，實現超過20米工作距離的無線成像，特別適合于行走等移動應用?；蹌摫銛y式產品NirSmart憑借獨有的優勢，有效支持了本次研究順利的展開和完成。