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大脑拥有先天的“降噪”回路
日期:2018年10月11日     

    我们都知道,声音可能来自环境,也可能来自我们自己,比如说话或者做某些动作。对于小鼠而言,它们需要确保听到猫靠近的脚步声比自己的脚步声更加清楚,而这正是运用大脑中一种固有的降噪回路。该神经回路将大脑的运动皮层和听觉皮层直接连接,听觉皮层就像是在说:“我们正在逃命,不要在意自己的脚步声。”
    美国杜克大学神经生物学教授Richard Mooney说:“这种噪声消除过程的特别之处在于,大脑能够学会关闭可预测性和自己产生声音的反应。这些反应会随着时间推移和经历的丰富而逐渐消失。”这项研究结果来自一系列复杂的实验,包括“小鼠虚拟现实”的体验。论文已发表在近日的《Nature》杂志上。

    大脑回路的工作方式与降噪耳机不同,但结果相似。耳机监听周围的环境噪声,然后产生这些声波的镜像来消除噪声。类似的,大脑的听觉皮层直接从运动皮层接收信号,该信号告诉听觉皮层的抑制神经元选择性地消除学习过的声音。
    Mooney说:“为了使这个系统正常运转,不能只依赖于来自耳朵的输入,因为大脑在处理来自耳朵的听觉信号时,这些信号已经过时了。”
    事实上,运动皮层在指导一个动作的时候,同时向听觉皮层发送噪声清除信号,该过程如此之快以至于听觉皮层中的取消实际上是可预测的。研究第一作者David Schneider(前杜克大学博士后、现纽约大学助理教授)说:“第一个脚步的声音并没有被听到。”
    Mooney说:“如果无法预测周围的感知结果,那么我们在现实世界中生存是非常困难的。”Mooney还曾研究过鸟儿学习唱歌时听觉皮层和运动皮层之间的联系。
    为了监测该神经回路,Schneider和杜克大学的研究生Janani Sundararajan训练小鼠将一种人工音调与其脚步联系起来。在这项“虚拟现实”实验中,当小鼠在跑步机上行走或奔跑时,这种音调的节奏会与小鼠的脚步匹配。

    Schneider说:“我们使测试用的声音尽可能地像是人造声音,这样可以不受小鼠大脑进化的影响。”
    他们观察到小鼠的大脑是运动皮层在听觉皮层中产生突触,因为它学会了取消可预测的并与运动相关的噪音。这些突触能够识别对人工声音产生响应的抑制神经元,从而忽略这些神经元信号,就如同降噪一样。
    为了证实他们所观察到的现象,Sundararajan随后进行了一系列行为实验,在这些实验中,小鼠们被教会在听到两种不同的声音后寻找奖励。然后她像以前一样对小鼠进行行走或跑步训练,使它们能将其中一种声音与行走关联。训练之后,这些小鼠在行走的时候能够更好地检测到行走以外的声音,即使它们在静止站立时也能同时检测到这两种声音。
    Sundararajan说:“除了我们自己制造的声音外,大脑对噪声更加敏感。如果小鼠的附近有猫,这就涉及到生死问题了。”