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语言指挥大脑?声波处理实验验证真实性

作者:admin    文章来源:未知    点击数:    更新时间:2018-10-02 13:15

  来源:知社学术圈

  在不久前,知社关于图灵奖得主Pearl的报导《图灵奖得主Pearl:若求大智慧,当知真因果 | 人工智能批判》中,Pearl提到目前人工智能的困境主要在于陷入了数据的拟合,而未实现真正的因果推论。如今,神经学领域似乎也陷入了对数据的执迷。

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  纽约大学的David Poeppel针对自己研究的神经科学与神经心理学领域,毫不掩饰地说:“我们太执迷于数据,却欠缺对数据的理解。” 他谴责当前实验的“认识论不足”,这些实验在实验室中进行大脑布线的计件测量,但与任何有关自然界行为和心理现象的指导理论都脱节。他说,如果认为简单地将这些结果加起来就能会产生如人脑中一般,有意义的复杂思想,简直是痴心妄想。

  Poeppel表示:“从秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)来说,我们对它了解已经十分通透,科学上已经确定了它302个神经元,包括这些神经元所有的连接方式和它的全基因组。但是我们还是没有做出这种线虫令人满意的仿生模型。我们一定是遗漏了什么重要的东西。”

  这不是Poeppel对现状的无脑控诉,近期,他的实验室关于用现实世界的行为引导脑活动研究的设计取得了重大突破。

  Poeppel不是第一个提出这种批评的人。早在二十世纪七十年代,著名计算神经科学家David Marr认为,要研究大脑和其他信息处理系统在面对问题与找到处理方案(他称之为计算分析水平)背后的深度关联性,仅仅关注系统的功能(算法分析)或者他们在物理上如何运作(实施分析)是不够的。正如Marr在他的书A Computational Investigation into the Human Representation and Processing of Visual Information 中写的,“。。。。。。通过分析神经元来理解认知就像试图通过只认识羽毛来理解一只鸟的飞行,是不可能做到的。“

  Poeppel在去年发表于Neuron的一篇论文中,回顾了一些科学家们过度依赖所谓有说服力的工具来测控大脑,导致研究陷入困境的例子。很多类型的实验试图将具体的神经模式映射到特定的行为。比如小鼠在迷宫中选择哪条路线的时候大脑中哪些区域的神经元会被激活。但是这个时候,大脑中其它区域的运作情况很可能会被忽视,而它们的重要性也许不容忽视。而且说不定这些激活的神经元是因为小鼠面临压力,跟路线选择完全无关。而且,毕竟小鼠在实验室里走迷宫与在野外钻洞心理状态完全不同,得到的实验结果是很难具有说服力的。如果一个实验无法准确反应自然条件下发生的结果,那么实验数据可能最终毫无意义。

  对于他的想法,科学界存在很多反对的声音,毕竟科学就是一个不断试错的过程。Poeppel同意这一点,但始终认为如果研究能在开始时更多地关注系统分析行为与其潜在的目标之间的关系,神经科学领域对复杂的认知与情绪表现(而非神经元与基因细节)的了解将远比现在多,因此研究人员需要在神经元和行为产出之间注入更多精力。

  Poepple和他的博士后M。 Florencia Assaneo近期发表于Science Advances上文章正是基于这个原理。他们的实验研究的是语言处理,或者用Poepple的话说,叫“声波是如何将想法带入你的脑海的” 。

  人们听到声音的时候,耳朵会将声音转换为神经信号,然后由听觉皮层开始,由大脑的各个部分进行破译。神经学领域发现,听觉皮层中的神经活动波锁定在音频信号的“包络” - 本质上,是响度变化的频率。(正如Poeppel所说的,“就像脑波在声波上冲浪。”)以这种方式产生的音频信号,大脑可能会将语音进行模块化处理。

  更令人惊奇的是,一些研究发现,人们在聆听的时候,大脑控制语言的运动皮层也会产生信号,就好像人们在聆听的同时也在默默说话。Assaneo说这可能是助于理解的方式,但是目前任何对此的解释都尚存争议。部分原因在于运动皮层的信号不总是出现,所以目前科学家们也只能停留在猜想阶段。听觉皮层能否直接驱动运动皮层或是与大脑中其它的活动相关目前还是个谜团。

  Assaneo和Poeppel采用了一种新的方法,将语言的真实世界与观察到的神经学现象相关联,他们发现,听觉皮层产生的信号的频率通常约4.5赫兹 —— 恰好等于世界各地语言使用的平均音速。

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  在Assaneo的实验中,她让人们听以2到7赫兹的速率播放的无意义的音节串,同时测量他们听觉和语言运动皮质中的活动。使用无意义的音节的作用在于可以避免大脑对语音产生语义反应,避免了对运动皮层的间接影响。她解释说:“如果我们听到语义清晰的句子,大脑皮层被激活的区域会更广,神经网络更加复杂。”如果运动皮层的信号是由听觉皮层驱动的,那么测试过程中它们就会相互牵引。如果运动皮层信号是独立的,那么它就不会产生变化。

  然而,Assaneo观察到了更有意思的现象,听觉皮层和运动皮层依然出现了相互牵引的情况,但只有频率达到约5赫兹的时候才会出现这个现象。一旦音频变化高于这个频率,运动皮层就失去了同步。后期的计算模型证明,运动皮层内确实有自己的振荡器,这些振荡器在频率4~5赫兹内工作。

  Assaneo和Poeppel用低于1赫兹的采样率检测大脑中160个通道,得到了大量的数据。如果强行在这些数据中寻找关联性,无疑只会找到虚假的结果。他们从语言学和语言行为中的信息开始,观察4~5赫兹信号范围内信号的特殊之处,依此缩小了数据的搜索范围。Assaneo说她们在此基础上,将进一步研究大脑与语言节奏之间的关系,以及在自然聆听的环境下,目前观察到的关联的限制性能否被消除,用Assaneo的话说:“比如有可能聆听者理解力和注意力会影响这个牵引的频率”。

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