高音还是低音？难分辨处最“烧脑”！科学家揭示听觉皮层编码听觉认知新机制

“五色令人盲，五音令人耳聋”，外界信息太过丰富，人的大脑是如何将它们分类抽提，进行归类，并为我所用的？上海科学家最近发现了大脑听觉皮层分辨高低音范畴中的一点奥妙：在经过训练之后，小鼠能够准确将不同频率的单音分类为高频音和低频音。不过，它们听到临近分界线的音频信号时，会投入大量脑细胞去提高分辨能力。而且，有趣的是，只有当它们在执行分类任务的时候，大脑内的这些神经元才会激活。

今天23点，《神经元》期刊在线发表了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室徐宁龙研究组的这一发现，博士研究生辛宇为该论文第一作者。

该研究通过在头部固定小鼠中建立一套听觉相关的抉择行为任务，同时使用双光子成像技术记录清醒小鼠的听觉皮层第2/3层群体神经元的反应，解析了对感觉信息进行范畴化的皮层神经元群体运算机制。

研究人员对皮层大量神经元活动进行记录和统计分析，发现在听觉皮层中存在范畴抉择相关的单细胞反应，而且听觉皮层神经元的信息编码会根据任务需要发生动态变化。

为什么需要对感觉信息进行分类或范畴化？这是由于我们大脑接收到的来自客观世界的感觉信息纷繁复杂，而我们能够形成的概念和采取的行动则数目有限，为了形成有意义的认知来指导我们的行为，我们的大脑需要对这些信息进行高效的组织管理，而其中最基本的过程就是范畴化（categorization），简单来讲，就是对外来刺激进行分类与定位，从而可以从外部信息中高效的抽提出最相关的信息，形成感知判断。

例如，当接收到丰富多样的语音信息，我们的大脑会把这些语音归类到属于不同的熟悉的人，或属于陌生人。当你接到一个电话时，即使因为环境干扰和电话通话噪声等因素而导致语音物理参数发生变化或扭曲，你仍然可以轻而易举识别出电话里的语音是否属于某一个熟人，或属于陌生人。这个过程就涉及到对声音信息的类别判断。

我们的大脑如何将复杂而又连续的刺激信息范畴化呢？这里面的神经生物学机制是什么？

为了探索这个问题，中科院脑智卓越中心的研究人员在小鼠中建立了一个基于听觉的分类抉择行为范式，经过训练，小鼠可以将不同频率的纯音归类到“高音”或“低音”范畴。

同时，研究人员结合活体双光子成像技术，在动物执行任务的同时对听觉皮层群体神经元活动进行大规模记录，并结合进一步的定量分析，从而研究了大脑皮层的神经元如何通过动态编码将感觉信息转化为类别信息的机制。

他们的研究发现，在单细胞水平，除了编码声音频率信息的神经元活动之外，在小鼠执行声音分类任务中，出现了两种与分类相关的神经活动。其中一类的神经元表现出对声音类别的特异性反应，类似于前人在前额叶和后顶叶等下游脑区发现的类别相关的神经元。

例如图D中的神经元只对于低频类别声音有反应，而对于高频类别几乎没有反应。另外一类神经元则表现出对于类别边界频率声音的选择性反应（图E），而这种声音选择性反应在被动听声音的情况下并不存在， 因此是一种任务依赖的动态调整。

在群体神经元水平上，他们发现，相对于静息状态的被动刺激，任务态下听皮层对于相同声音的编码发生了群体构成上出现了动态调整（图F）。进一步通过对群体神经元活动的解码，发现这种动态调整使得听皮层神经元活动能够准确可靠的预测动物的行为任务（图G - H）。

因此，该项工作揭示听觉皮层神经元群体可以根据分类任务的需要，动态调整信息编码特性，形成利于提高分类边界分辨能力的群体编码结构，从而提出了感知分类的一个新的神经运算机制。这一成果对于感觉皮层在认知过程中的信息处理机制提出了新的理解和预期，并且可能有助于启发人工智能算法设计的新思路。

作者：许琦敏
编辑：储舒婷
责任编辑：许琦敏

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