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将鸟类的大脑信号解码为歌曲的音节

一项来自加利福尼亚大学圣地亚哥分校的最新研究报告显示,研究人员可以预测一只鸟会唱什么音节,当它通过阅读大脑中的电信号来演唱时。

能够从鸟类的大脑活动预测鸟类的声音行为,是为丧失说话能力的人类建造声音假肢的早期步骤。

“我们的工作为这个更大的目标奠定了基础,”电气和计算机工程博士DarilBrown说。加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的学生,该研究的第一作者,该研究于2009年9月23日发表PLoS计算生物学. “我们正在研究鸟鸣,这将有助于我们更进一步地设计发声和交流的脑机接口。”

这项研究探索了鸣禽(如斑胸草雀)的大脑活动如何被用来预测鸟的鸣叫行为。鸣禽的发声特别引起研究人员的兴趣,因为它们与人类语言相似;它们都是复杂的习得行为。

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一只雄性斑胸草雀的声音记录(上)和相应的神经活动(下)。图片由PLoS计算生物学提供

在这项研究中,研究人员将硅电极植入雄性成年斑胸草雀的大脑,并记录它们唱歌时的神经活动。研究人员研究了一组被称为局部场电位的特殊电信号。这些信号被记录在大脑中学习和制作歌曲所必需的部分。

局部场势的特殊之处在于它们被用来预测人类的声音行为。迄今为止,这些信号在人类大脑中得到了大量研究,但在鸣禽的大脑中还没有。

加州大学圣地亚哥分校的研究人员想要填补这一空白,看看斑胸草雀的这些信号是否可以同样用于预测声音行为。该项目是加州大学圣地亚哥分校的工程师和神经科学家之间的交叉合作,由维卡什·吉尔贾(Vikash Gilja)和蒂莫西·根特纳(Timothy Gentner)领导,前者是电子和计算机工程教授,后者是心理学和神经生物学教授。

Gilja说:“我们探索局部领域潜力的动机是,大多数用于语言修复的补充性人类工作都集中在这些类型的信号上。”“在这篇论文中,我们展示了斑胸草雀和人类以及其他灵长类动物之间的这种信号有许多相似之处。有了这些信号,我们就可以开始解码大脑产生语言的意图。”

Gentner说:“从长远来看,我们希望利用我们从鸣禽大脑中获得的详细知识来开发一种通讯假肢,它可以改善患有各种疾病和紊乱的人类的生活质量。”。

研究人员发现,局部场势的不同特征可以转化为鸟叫声的特定音节,以及这些音节何时出现。

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实验工作流程说明。当一只雄性斑胸草雀唱歌时,它会想它要唱的下一个音节(“4”)。记录鸟类的神经活动,提取局部场电位。然后,研究人员分析这些信号的特征,以预测它下一步想唱的是哪个音节。

布朗说:“利用这个系统,我们能够高保真地预测鸣禽发声行为的开始,即鸣禽将要唱的顺序,以及鸣禽将要唱的时间。”。

研究人员甚至可以预测歌曲序列的变化,直到音节。例如,假设鸟儿的歌声是建立在一组重复的音节“1,2,3,4”上的,那么这个序列不时会变成“1,2,3,4,5”或“1,2,3”。研究人员发现,局部场电位的特征揭示了这些变化。

吉尔贾说:“这些变体形式对我们测试假设性语言假肢很重要,因为人类不会一遍又一遍地重复一个句子。”“令人兴奋的是,我们发现在人类生理学研究中记录和记录的大脑信号与我们对鸣禽的研究相似。”

论文:“前运动区域的局部场电位预测习得的发声序列。”共同作者包括Jairo I. Chavez, Derek H. Nguyen, Adam Kadwory, Bradley Voytek和Ezequiel M. Arneodo,加州大学圣地亚哥分校。

本研究得到了美国国立卫生研究院(R01DC008358, R01DC018055, R01GM134363)、美国国家科学基金会(BCS-1736028)、美国卡维里大脑与思维研究所(IRG #2016-004)、美国海军研究办公室(MURI N00014-13-1-0205)、美国国家科学基金会(BCS-1736028)、美国海军研究中心(MURI N00014-13-1-0205)、美国海军研究中心(MURI N00014-13-1-0205)、美国海军研究中心(vca)和美国海军研究中心(vca)的支持。以及加州大学历史上的黑人学院和大学倡议。


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