语言解码：窥探数百万神经元节律性波动的背后

语言理解是一个复杂的过程，分析这一过程涉及到多个维度，包括语音、形态、语义，语法和语篇等方面。为了正确理解说话人的话语，听者需要在毫秒内识别、检索和整合话语信息。尽管这项复杂的任务需要在极短时间内完成，但是儿童就很容易理解各种复杂的语言。

我们对这种能力及其运作系统是如何发展的了解还很少。目前神经振荡是了解语言解码过程的最有效的方式，虽然这一技术在语言学中还很少运用，但是研究结果已经可以反映大脑处理语音和语义的过程。

图源：https://www.slideshare.net

神经振荡

什么是神经振荡？1920年德国神经病学家Hans Berger通过EEG观察到第一个大脑模式就是振荡。简单地说就是当数以百万计的神经元有节律性波动时，它们会改变周围的电磁场。这种电磁场的变化和所涉及的神经元的数量以及有节律性的波动的协调程度成正比。这些节奏变化称为电磁场的神经振荡，并且可以进行测量。神经振荡是由EEG测量的，分为五个频带：δ（0-4 Hz），θ（4-8 Hz），α（8-12 Hz），β（12-30 Hz）和γ（>30 Hz）。这些频率范围反映了不同神经活动和各种认知功能。

研究发现，神经振荡与声音振幅、音素、音节和语调短语的速度同步。大脑皮层的兴奋和抑制体现了语音、语法解析和语义的处理。神经振荡与语音流节奏同步是一种功能机制，可以使神经兴奋与语言信息内容保持一致。

语言层级性

语音具有层级性，语音的处理是对声谱中的语音进行从低级到高级或者从高级到低级的层级处理：音素 ↔音节 ↔语调短语 ↔话语。

神经振荡与语言处理

在语音处理过程中，神经振荡同步跟踪具有语言学意义的声学特征，通过调整相位到音素、音节和语调短语上或偏移期间发生的声学振幅极值来辅助语音处理。

语音处理中的神经振荡（图片来源：Meyer, Lars. The neural oscillations of speech processing and language comprehension: state of the art and emerging mechanisms.2018）

神经振荡在三个时间尺度上对具有语言意义的语音单位进行分段和识别，以使γ波振荡（绿线）与音素同步，θ波振荡（蓝线）与音节同步，而δ波振荡（红线）与语调短语边界同步。这三个频段形成了层次关系，所以低频振荡可以自上而下对齐高频振荡，并建立感知。当大脑处理完语音音节信号后，再从语音感知中解码语义。

心理语言学和神经语言学达成了一个共识，在理解语言过程中有两个并行的过程：

一条路径是，句子的处理是从单词开始的，再逐步处理语调词组和复杂的句子整体。

另一条路径是，句子的处理是根据已经听到的单词来预测即将出现的单词。

单词是以使用频率和之间的语义关系存储在长时记忆中，所以，大脑对即将听到的单词的预测并不是从语音方面，而是从语义知识方面进行预测的。

神经振荡与语法的处理

如果我们在说话时不用语法，输出的就是无序排列的单词，那么听者需就要记忆一串混乱的单词，这些单词可能会超过大脑记忆的容量，所以听者很可能不知道对方在讲什么。语法帮助随机出现的单词组成有规则排列的短语，听者只需记忆其中部分信息就可以快速理解。所以，语法有助于听者快速、准确地理解说话人的语言信息。

语言理解中的神经振荡（图片来源：Meyer, Lars. The neural oscillations of speech processing and language comprehension: state of the art and emerging mechanisms.2018）在主语（der Bau leiter /建筑经理）和宾语（den Architekten /建筑师）存储期间，α波幅度会增加，直到和动词（verspottet /取笑）联系起来为止，α波段幅度会减小；θ波振荡体现从工作记忆和长时记忆中检索存储的信息，在从长期记忆中检索单个单词时，θ波振幅瞬时增加，这可能表明工作记忆促进了动词和主语、宾语进行结合；β波振荡体现了根据存储的语义知识预测即将出现的单词；预测（句子结尾）越强，β波振幅就越高；γ波振荡有助于判断输入单词的词义，传入单词的拟合度越好，γ波振幅就越高。

语言理解要求将单个单词分组为句法短语，因为句子中的单词太多，一个个地记忆句中的单词需要大量的工作记忆。语音是语言的物质外壳，承载语法和语义信息。语音韵律通过声音提示（例如音调变化、停顿和拉长音节时长），在声学上标记了语法短语的边界，从而可以自下而上地识别短语边界，并促进短语的形成和记忆。

一般来说，韵律边界有助于音调、数字和单词的感知和区分，虽然韵律边界在识别短语边界方面发挥了作用，但这并不一定能够识别短语的语义。所以，韵律边界有助于划分语调短语。α波振荡可以在语音处理过程中与语音和语法结构同步，当α波振荡与语音流同步时，神经兴奋与语法信息对齐，根据存储的语音信息，从而预测将要出现的语义信息。

结语

在交流过程中，为了全面、准确地理解对方的话语，大脑需要对话语信息——语音信息、语法信息和语义信息进行解码。本篇文章主要概述神经振荡在语言信息解码过程中的运用。α波振荡与声学信息、语法结构的加工过程同步，从而可以反映大脑加工语音、语法和语义过程。神经振荡既支持语音处理的低级功能又支持语言理解的高级功能。

参考文献：

https://www.britannica.com/science/brain-wave-physiology

[1]Gougelet, Robert J. Neural Oscillation Dynamics of Emerging Interest in Neuroergonomics. Neuroergonomics. Academic Press, 2019. 87-91. 

[2]Maguire, Mandy J., and Alyson D. Abel. "What changes in neural oscillations can reveal about developmental cognitive neuroscience: Language development as a case in point." Developmental cognitive neuroscience 6 (2013): 125-136.

[3]Meyer, Lars. "The neural oscillations of speech processing and language comprehension: state of the art and emerging mechanisms." European Journal of Neuroscience 48.7 (2018): 2609-2621.

[4]Meyer, Lars, et al. "Linguistic bias modulates interpretation of speech via neural delta-band oscillations." Cerebral Cortex 27.9 (2017): 4293-4302.

[5]Meyer, Lars, and Matthias Gumbert. "Synchronization of electrophysiological responses with speech benefits syntactic information processing." Journal of cognitive neuroscience 30.8 (2018): 1066-1074.

作者信息

 

作者： Tianjiao（brainnews创作团队）

校审： Simon（brainnews编辑部）

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