感覺系統/聽覺系統/音高處理
本節回顧聽覺神經科學中的一個關鍵主題：音高感知。假設讀者對聽覺系統有一定的基本瞭解，因此建議讀者首先閱讀上述關於“聽覺系統的解剖結構”和“聽覺訊號處理”部分。
音高是一種主觀感知，由具有近似週期性的聲音引起。對於許多自然發生的聲音，聲音的週期性是音高的主要決定因素。然而，聲學刺激與音高之間的關係是相當抽象的：特別是，音高對其他聲學引數的變化（如響度或音色）相當穩健，這些引數可能會顯著改變聲波的物理特性。這在沒有共享頻譜成分的聲音可以引起相同音高的情況下尤其明顯。因此，音高相關資訊必須從跨多個頻率通道表示的頻譜和/或時間線索中提取。
對聽覺系統中音高編碼的研究主要集中在識別反映這些提取過程的神經過程，或者找到這種過程的“終點”：一個明確的、穩健的音高表示，正如聽眾感知的那樣。這兩項工作都取得了一些成功，證據表明在推定的“音高區域”中存在“音高選擇性神經元”。然而，這些區域的活動是否真正與音高相關，或者它們只是表現出對音高相關引數的選擇性表示，仍然存在爭議。一方面，證明特定神經元或神經區域對許多引起音高的聲音的反應，這些聲音的物理特徵往往有很大差異，這提供了令人信服的相關證據，表明這些區域確實在編碼音高。另一方面，證明這些神經元代表音高的因果證據是困難的，可能需要結合體內記錄方法來證明這些反應與音高判斷（即心理物理反應，而不僅僅是刺激週期性）的對應關係，以及直接操縱這些細胞的活動以證明音高感知中可預測的偏差或損傷。
由於音高的抽象性質，我們不會立即深入這個尚未解決的活躍研究領域。相反，我們從音高感知的最直接的物理對應物開始討論——即聲音訊率（對於純音）以及更一般地，刺激週期性。具體來說，我們將區分和更具體地定義週期性和音高的概念。接下來，我們將簡要概述聽覺系統可能實施的主要計算機制，以從聲音刺激中提取這些音高相關資訊。隨後，我們將概述在耳蝸、上升皮質下聽覺通路以及最終在初級聽覺皮層以及更深層的爭議性發現中音高參數的表示和處理，並評估這些皮層區域中“音高神經元”或“音高區域”的證據。
音高是一種新興的心理物理特性。音高的顯著性和“高度”取決於幾個因素，但在特定範圍的諧波和基頻（稱為“存在區域”）內，音高的顯著性主要由聲音片段重複的規律性決定；音高高度由重複率決定，也稱為調製頻率。能夠引起音高感知的聲音集是多種多樣的，並且在頻譜上是異質的。許多不同的刺激——包括純音、點選序列、迭代波紋噪聲、幅度調製聲音等等——都可以引起音高感知，而另一種聲學訊號，即使具有與這些刺激非常相似的物理特性，也可能不會引起音高。大多數自然發生的引起音高的聲音是諧波複合體——包含一系列頻率的聲音，這些頻率是基頻 F0 的整數倍。音高研究的一個重要發現是“缺失基頻”現象（見下文）：在一定頻率範圍內，可以從諧波複合體中去除所有 F0 處的頻譜能量，並且仍然可以在人類聽眾中引起與 F0 相關的音高[1]。這一發現似乎可以推廣到許多非人類的聽覺系統[2][3]。
| 演示：缺失基頻的音高
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“缺失基頻”現象之所以重要，有兩個原因。首先，它是一個重要的基準，用於評估特定神經元或大腦區域是否專門用於音高處理，因為這些單位應該預期表現出反映 F0（因此是音高）的活動，無論它是否存在於聲音和其他聲學引數中。更一般地說，“音高神經元”或“音高中心”應該對所有引起特定音高高度感知的刺激表現出一致的活動。正如我們將要討論的那樣，這在識別推定的音高神經元或區域方面一直存在一些分歧。其次，即使在聽覺刺激中不存在 F0，我們也能感知到與 F0 相對應的音高，這為大腦實施了一種“選擇”F0 以直接推斷音高的機制提供了強有力的證據。相反，音高必須從時間或頻譜線索（或兩者）中提取出來[4]。
這兩種線索（頻譜和時間）是兩種主要音高提取模型的基礎[4]。其中第一個是時域方法，它利用時間線索來評估聲音是否包含重複的片段，如果是，則評估重複的速率。一個常用的方法是自相關。自相關函式本質上是尋找兩個取樣點之間的時間延遲，以獲得最大相關性：例如，頻率為 100Hz（或週期，T=10 毫秒）的聲音波，如果樣本間隔 10 毫秒，將具有最大相關性。對於 200Hz 波，產生最大相關性的延遲將是 5 毫秒——但也將在 10 毫秒、15 毫秒等等。因此，如果對具有 F0=100Hz 的諧波複音的所有分量頻率（因此具有 200Hz, 300Hz, 400Hz 等諧波泛音）執行此類函式，並且對產生最大相關性的時間間隔進行累加，它們將共同“投票”支援 10 毫秒——聲音的週期性。第二類音高提取策略是頻域方法，其中透過分析聲音的頻譜來計算 F0 來提取音高。例如，諸如“諧波篩”之類的“模板匹配”過程——提出聲音的頻譜只是與諧波模板相匹配——最佳匹配產生正確的 F0[5]。
兩種解釋方法都有侷限性。頻域方法要求諧波頻率能夠被解析——也就是說，每個諧波被表示為一個不同的頻帶（見圖，右側）。然而，由於更高頻率的生理表徵中具有更寬的頻寬（這是基底膜的音調拓撲組織的對數結果），無法解析的更高階諧波仍然可以喚起與 F0 相對應的音高。時間模型沒有這個問題，因為自相關函式無論是在一個還是多個頻率通道中執行，都應該產生相同的週期性。然而，很難將音高喚起頻率的下限歸因於自相關：心理物理學研究表明，我們可以感知來自具有缺失基音的諧波複音的音高，低至 30Hz；這對應於超過 33 毫秒的取樣延遲——遠長於神經訊號中常見的約 10 毫秒延遲[4]。
確定聽覺系統採用這兩種策略中的哪一種策略的一種方法是使用交替相位諧波：將奇數諧波呈現為正弦相位，將偶數諧波呈現為餘弦相位。由於這不會影響刺激的頻譜內容，因此如果聽眾主要依靠頻譜線索，音高感知不應該發生任何變化。另一方面，時間包絡重複率會加倍。因此，如果採用時間包絡線索，聽眾對交替相位諧波的感知音高將比具有相同頻譜成分的全餘弦諧波感知的音高高一個八度音（即頻率的兩倍）。心理物理學研究已經調查了音高感知對不同 F0 和諧波範圍的這種相移的敏感性，提供了一些證據表明，人類[6]和其他靈長類動物[7]採用雙重策略：頻譜線索用於較低階的已解析諧波，而時間包絡線索用於較高階的未解析諧波。
上升聽覺通路中的音高提取
[edit | edit source]人類音高辨別的韋伯分數據報道低於 1%[8]。鑑於這種對音高變化的高度敏感性，以及頻譜線索和時間線索都用於音高提取的證明，我們可以預測，聽覺系統以高度精確的方式表示聲學刺激的頻譜成分和時間精細結構，直到這些表徵最終被明確地傳遞到週期性或音高選擇性神經元。
電生理實驗已經確定了上升聽覺系統中的神經元反應，這些反應與這種概念一致。從耳蝸水平開始，基底膜（BM）對聽覺刺激的音調對映運動建立了位置編碼，用於沿 BM 軸的頻率組成。這些表徵透過聽覺神經纖維 (ANF) 對其響應的頻率成分的相位鎖定進一步增強。這種用於頻率成分的時間表示機制透過多種方式得到進一步增強，例如毛細胞/螺旋神經節細胞突觸的側向抑制[9]，支援了這種精確的表示對於音高編碼至關重要的概念。
因此，在這個階段，ANF 的相位鎖定時間尖峰模式可能帶有周期性的隱式表示。Cariani 和 Delgutte[10]直接測試了這一點。透過分析貓 ANF 中所有階數的尖峰間間隔 (ISI) 的分佈，他們表明最常見的 ISI 是刺激的週期性，並且這些分佈的峰值與平均值比率對於喚起更明顯音高感知的複雜刺激而言有所增加。基於這些發現，這些作者提出了“主要間隔假說”，其中所有階數 ISI 的彙總編碼“投票”支援週期性——當然，這一發現是 ANF 相位鎖定響應的必然結果。此外，有證據表明頻率成分的位置編碼也很重要。透過將低頻刺激與高頻載波交叉，Oxenham 等人將低頻正弦波的時間精細結構轉置到 BM 沿的高頻區域。[11] 這導致音高辨別能力明顯下降。因此，位置編碼和時間編碼都在 ANF 中表示音高相關資訊。
聽覺神經將資訊傳遞到耳蝸核 (CN)。在這裡，許多細胞型別以不同的方式表示音高相關資訊。例如，許多叢狀細胞似乎在聽覺神經纖維的放電特性方面幾乎沒有差異——資訊可以傳遞到更高階的大腦區域而不會發生重大改變[4]。腹側耳蝸核中的持續斬波細胞特別令人感興趣。根據 Winter 及其同事的說法，這些細胞中的一階尖峰間隔對應於對迭代波紋噪聲刺激 (IRN) 的響應的週期性，以及對餘弦相位和隨機相位諧波複音的響應，並且對聲音水平幾乎保持不變[12]。雖然需要進一步描述這些細胞對不同音高喚起刺激的反應，但因此有一些跡象表明音高提取可能早在 CN 水平就開始了。
在下丘 (IC) 中，有一些證據表明神經元的平均反應速率等於刺激的週期性[13]。隨後的研究比較了 IC 神經元對同相和交替相位諧波複音的反應，表明這些細胞可能對整體能量水平（即包絡）的週期性做出反應，而不是真正的調製頻率，但目前尚不清楚這是否僅適用於未解析的諧波（正如心理物理學實驗所預測的那樣），還是也適用於已解析的諧波[4]。關於 IC 中週期性的表徵，仍存在許多不確定性。
聽覺皮層的音高編碼
[edit | edit source]因此，在整個上升聽覺系統中，存在著增強 F0 表徵的趨勢，儘管這種趨勢的確切性質尚不清楚。然而，在上升聽覺通路這些皮層下階段，沒有證據表明存在一個明確的表徵，能夠始終如一地編碼對應於感知音高資訊。這種表徵可能發生在更高階的聽覺區域，從初級聽覺皮層開始。
事實上，病灶研究表明聽覺皮層對於音高感知的必要性。當然，聽覺皮層病灶後音高檢測能力的損害，可能僅僅反映了皮層在被動傳遞中的作用：皮層下資訊必須“透過”皮層才能影響行為。然而，Whitfield 等人的研究表明，情況可能並非如此：儘管去皮層貓能夠在去除聽覺皮層後重新訓練以識別包含三個頻率成分的複雜音調，但這些動物選擇性地失去了將這些音調概括到具有相同音高的其他複雜音調的能力[14]。換句話說，雖然諧波組成可以影響行為，但諧波關係（即音高線索）卻不能。例如，病灶動物可以正確地對 100Hz 的純音作出反應，但不會對包含其諧波泛音的諧波複合體（200Hz、300Hz 等）作出反應。這強烈地表明聽覺皮層在進一步提取音高相關資訊中起著作用。
早期的 MEG 研究表明初級聽覺皮層 (A1) 包含一個音高圖。這是基於以下發現：純音及其缺失基頻諧波複合體 (MF) 在同一位置引起刺激誘發興奮（稱為 N100m），而 MF 的頻率成分單獨呈現時在不同位置引起興奮[15]。然而，這種觀點被使用更高空間解析度技術的實驗結果所掩蓋：區域性場電位 (LFP) 和 多單元記錄 (MUA) 表明 A1 的對映是音調的——也就是說，基於神經元的最佳頻率 (BF)，而不是最佳“音高”[16]。然而，這些技術確實表明了反映提取時間和頻譜線索的不同編碼機制的出現：在音調圖的較高 BF 區域記錄到時間包絡重複率的相位鎖定表示，而在較低 BF 區域記錄到點選序列的諧波結構[17]。因此，音高提取線索可能在這個階段得到進一步增強。
Kadia 和 Wang 在狨猴的初級聽覺皮層中描述了一種可能促進這種增強的神經基質[18]。這裡約 20% 的神經元可以被歸類為“多峰”單元：這些神經元具有多個頻率響應區域，通常呈諧波關係（見圖，右）。此外，兩個頻譜峰值的激發對神經元的響應具有協同效應。因此，這將促進從聲學刺激中提取諧波相關的音調，使這些神經元充當提取頻譜線索的“諧波模板”。此外，這些作者觀察到，在大多數“單峰”神經元（即在 BF 處具有單個頻譜調諧峰的神經元）中，二次音調可以對神經元對其 BF 的響應產生調節（促進或抑制）作用。同樣，這些調節頻率通常與 BF 呈諧波關係。因此，這些促進機制可以適應提取某些諧波成分，而透過抑制調節拒絕其他頻譜組合可以促進與其他諧波複合體或非諧波複合體（如寬頻噪聲）的區分。
然而，鑑於 F0 增強的趨勢已在整個皮層下聽覺系統中得到證實，我們可能期望在皮層中更接近對音高的更明確的表示。神經影像學實驗已經探索了這個想法，利用了音高的湧現特性：一種減法方法可以識別大腦中的區域，這些區域在響應於引起音高的刺激時顯示出 BOLD 反應，但不會對具有非常相似頻譜特性的其他聲音做出反應，但不會引起音高感知。Patterson、Griffiths 及其同事使用了這種策略：透過從呈現 IRN 時獲得的訊號中減去呈現寬頻噪聲時獲得的 BOLD 訊號，他們發現對後一類引起音高的聲音，外側（以及在某種程度上，內側）海希爾氏回 (HG) 的選擇性啟用[19]。此外，隨著時間的推移，改變 IRN 的重複率以建立旋律導致顳上回 (STG) 和極平面 (PP) 的額外啟用，表明音高透過聽覺皮層的等級處理。與之相符，Krumbholz 等人的 MEG 記錄表明，隨著 IRN 刺激的重複率增加，當重複率超過音高感知的較低閾值時，在 HG 周圍檢測到一個新的 N100m，並且這種“音高起始反應”的幅度隨著音高顯著性而增加[20]。
然而，關於音高選擇性區域的確切位置存在一些爭議。正如 Hall 和 Plack 指出的那樣，僅使用 IRN 刺激來識別音高敏感的皮層區域不足以捕捉能夠誘發音高感知的廣泛刺激範圍：HG 的啟用可能特定於重複的寬頻刺激[21]。事實上，基於對多種引起音高的刺激的 BOLD 訊號的觀察，Hall 和 Plack 認為顳平面 (PT) 與音高處理更相關。
儘管關於音高編碼專門的神經區域存在持續的爭論，但這些證據表明，位於 A1 之前外側的區域可能專門用於音高感知。狨猴聽覺皮層 A1 之前外側邊界處“音高選擇性”神經元的識別為這種觀點提供了進一步的支援。這些神經元對純音和具有相似週期性的缺失 F0 諧波都有選擇性地響應[22]。這些神經元中的許多還對其他引起音高的刺激（如點選序列或 IRN 噪聲）的週期性敏感。這提供了強有力的證據表明，這些神經元不僅僅對聲學訊號的任何特定成分做出反應，而是專門代表音高相關資訊。
週期性編碼還是音高編碼？
[edit | edit source]因此，越來越多的證據表明，存在專門提取 F0 的神經元和神經區域，可能位於 A1 低 BF 區域的正前方外側。然而，仍然難以將這些神經元或區域稱為“音高選擇性”。雖然刺激 F0 確實是音高的關鍵決定因素，但它不一定等同於聽眾感知的音高。
然而，有幾條證據表明這些區域確實在編碼音高，而不僅僅是 F0。例如，Bendor 及其同事對狨猴音高選擇性單元的進一步研究表明，這些神經元的活動與動物的心理物理反應非常吻合[7]。這些作者測試了動物在持續呈現相同相位諧波的情況下檢測交替相位諧波複合體的能力，以區分動物何時更多地依賴時間包絡線索來感知音高，而不是頻譜線索。與人類的心理物理實驗一致，狨猴主要使用時間包絡線索來感知低 F0 的高階、未解析的諧波，而使用頻譜線索來從高 F0 複合體中提取低階諧波的音高。對這些音高選擇性神經元的記錄表明，對於調諧到低 F0 的神經元，交替相位諧波的 F0 調諧向下移了一個八度，而相同相位諧波則沒有。因此，神經元響應的這些模式與心理物理結果一致，表明時間和頻譜線索在這些神經元中被整合以影響音高感知。
然而，這項研究仍然無法明確區分這些音高選擇性神經元是否明確地代表音高，或者僅僅是整合了 F0 資訊，然後被隨後解碼以感知音高。 Bizley 等人採取了一種更直接的方法來解決這個問題，他們分析了在雪貂中聽覺皮層 LFP 和 MUA 測量如何獨立地用於估計刺激 F0 和音高感知[23]。當雪貂參與音高辨別任務（以指示目標人工母音聲音的音高是否高於或低於 2-alternative forced choice paradigm 中的參考）時，receiver operating characteristic (ROC) 分析被用來估計神經活動在預測 F0 變化或實際行為選擇（即感知音高的替代）方面的可辨別性。他們發現，聽覺皮層的神經反應在這兩者方面都具有資訊量。最初，神經活動比動物的選擇更能區分 F0，但關於動物選擇的資訊在整個刺激後間隔內穩步增長，最終比 F0 變化的方向更容易辨別[23]。
比較所研究的皮層區域之間的 ROC 差異表明，後部區域的活動更好地區分了雪貂的選擇。這可以用兩種方式解釋。由於與選擇相關的活動在後部區域（位於 A1 的低 BF 邊界附近）更高，與主要區域相比，這可以被視為 A1 低 BF 邊界附近音高選擇性的進一步證據。另一方面，在初級聽覺區域也觀察到音高相關資訊這一事實可能表明，在這個階段已經建立了足夠多的音高相關資訊，或者多個聽覺區域之間的分散式編碼代表音高。事實上，雖然分佈在整個聽覺皮層上的單個神經元通常對多個聲學引數敏感（因此不是“音高選擇性的”），但資訊理論或神經度量分析（利用神經資料推斷與刺激相關的資訊）表明，音高資訊可以透過 population coding 穩健地表示，甚至可以透過單個神經元透過時間複用（即在不同的時間視窗中表示多個聲音特徵）來表示[24][25]。因此，在沒有對這些推定的音高選擇性神經元或區域進行刺激或失活以證明這種干預會導致音高中的可預測偏差或損害的情況下，音高可能透過聽覺皮層上的空間和時間分散式編碼來表示，而不是依賴於專門的區域性表示。
因此，腦電生理記錄和神經影像學研究都表明，可能存在一個明確的音高神經編碼，位於 A1 的低 BF 邊界附近。當然，對各種音高誘發刺激的一致且選擇性反應表明，這些推定的音高選擇性神經元和區域不僅僅反映了聲學訊號中任何立即可用的物理特徵。此外，有證據表明，這些推定的音高選擇性神經元以與動物相同的方式從頻譜和時間線索中提取資訊。然而，由於音高與聲學訊號之間的抽象關係，刺激與神經反應之間的這種相關證據只能被解釋為證據，表明聽覺系統有能力形成對音高相關引數的增強表示。如果沒有更多關於這些推定的音高選擇性神經元和神經區域決定音高感知的直接因果證據，我們不能得出結論，動物是否確實依靠這種區域性明確編碼來表示音高，或者聽覺皮層中音高的穩健分散式表示是否標誌著聽覺系統中音高的最終編碼。
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