Neural theo dõi SL thính giác. (A) Mô tả sơ đồ của nhiệm vụ SL thính giác. Luồng có cấu trúc (bên trái) chứa 12 âm tiết [250-ms khởi phát kích thích không đồng bộ (SOA), 4 Hz] trong đó các TP tạo thành bốn từ (được mã hóa màu để hình dung, 750-ms SOA, 1,33 Hz). Dòng ngẫu nhiên (bên phải) chứa 12 âm tiết giống nhau theo thứ tự ngẫu nhiên. Phản ứng thần kinh dự đoán được hiển thị bên dưới mỗi luồng âm tiết: Theo dõi âm tiết (trên cùng) được mong đợi trong cả hai điều kiện, trong khi theo dõi từ (dưới cùng) chỉ được mong đợi trong điều kiện có cấu trúc. (B) Phổ liên kết pha trong dữ liệu thần kinh cho các điều kiện có cấu trúc (trái, đen) và ngẫu nhiên (phải, xám) từ 1898 điện cực ở 17 bệnh nhân. Mỗi điện cực quan trọng được mô tả bằng một đường mảnh và giá trị trung bình được mô tả bằng một đường dày. (C) Phổ liên kết pha trong điều kiện có cấu trúc cho các điện cực hiển thị phản hồi theo dõi từ, trong hai nhóm: điện cực chỉ hiển thị phản hồi theo dõi ở tốc độ từ (trên cùng, màu xanh lam) và điện cực hiển thị phản hồi theo dõi ở cả tốc độ từ và âm tiết (dưới cùng, màu cam). (D) Bản địa hóa các điện cực chỉ từ (trên cùng, xanh lam) và từ + âm tiết (dưới, cam) thể hiện sự kết hợp pha đáng kể trong điện thế trường (FP; xanh lam nhạt, cam nhạt) hoặc dải gamma cao (HGB; tối xanh lam, cam đậm). Credited: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abc4530

Con người trải nghiệm đầu vào giác quan liên tục dưới dạng các đơn vị từ và sự kiện được phân đoạn. Khả năng bộ não khám phá các quy luật được gọi là học thống kê. Khái niệm này có thể được biểu diễn ở nhiều cấp độ bao gồm xác suất chuyển tiếp và danh tính của các đơn vị. Trong một báo cáo mới được công bố trên Science Advances, Simon Henin và một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Y khoa New York, Đại học Yale và Viện Max Planck ở Mỹ và Đức đã ghi lại mã hóa trình tự trong vỏ não và hồi hải mã của các đối tượng người bị phơi nhiễm. Đến trình tự thính giác và thị giác với các quy luật về thời gian (dựa trên thời gian). Sử dụng quy trình xử lý ban đầu, họ đã theo dõi các tính năng cấp thấp hơn như âm tiết và các đơn vị đã học bao gồm cả từ, trong khi xử lý sau đó chỉ có thể theo dõi các đơn vị học tập. Các phát hiện cho thấy sự tồn tại của nhiều hệ thống tính toán song song ở người để hỗ trợ việc học trên các đơn vị cortico-hippocampal có tổ chức.

Hiểu mã lời nói

Chúng tôi nhận và trải nghiệm thông tin đầu vào liên tục từ thế giới dưới dạng các đoạn có thể tiêu hóa được. Ví dụ, với ngôn ngữ, con người có thể thu nhận và trích xuất các chuỗi có ý nghĩa bao gồm câu, từ và cụm từ từ một luồng âm thanh liên tục mà không có ranh giới âm thanh rõ ràng hoặc khoảng dừng giữa các yếu tố ngôn ngữ. Sự phân đoạn này diễn ra ngẫu nhiên và dễ dàng như một khối xây dựng cốt lõi trong quá trình phát triển. Hành vi học xác suất chuyển tiếp giữa các âm tiết hoặc hình dạng ở trẻ sơ sinh hoặc người lớn được gọi là “học thống kê”. Tuy nhiên, cơ chế của não hỗ trợ các chức năng nhận thức như vậy vẫn chưa được hiểu rõ. Nó được biết đến nhiều với các vùng não như hồi hải mã và con quay hồi chuyển phía trước dưới (IFG) để hỗ trợ việc học thống kê thị giác và thính giác. Để hiểu quá trình này, Henin et al. đã tiến hành ghi âm nội sọ từ 23 bệnh nhân động kinh để cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ học về quá trình học tập cơ bản của con người liên quan đến các khu vực vỏ não phản ứng với cấu trúc của thế giới. Các phát hiện đã nhấn mạnh việc gắn thẻ tần số thần kinh (NFT) như một công cụ linh hoạt để điều tra việc học tập tình cờ trong các quần thể bệnh nhân nói trước và không nói lời.

Kết quả tương tự mẫu trong SL thính giác. Tỷ lệ đa chiều (MDS) của khoảng cách giữa các phản ứng âm tiết trên các điện cực cho thấy (A) phản hồi từ + âm tiết quan trọng và (B) phản hồi chỉ từ, cũng như (C) trên các điện cực từ đồi hải mã. Các từ riêng lẻ được mã hóa bằng màu sắc; các chỉ số dưới đại diện cho vị trí thứ tự (ví dụ: “tu1pi2ro3”). Dấu chấm lửng có dấu chấm cho biết nhóm theo TP, đường viền hình elip đặc biểu thị nhóm theo vị trí thứ tự và dấu chấm đứt nét biểu thị nhóm ở cấp độ của các từ riêng lẻ (được mã hóa màu). (D) Định lượng độ tương đồng đa biến của các âm tiết trong nhiệm vụ SL thính giác. Còn lại: Tương tự do TP. Mức độ tương đồng lớn hơn trong lớp cho thấy sự phân nhóm các âm tiết có TP thấp (0,33) mạnh hơn so với các âm tiết có TP cao (1,0). Một thử nghiệm Friedman chỉ ra ảnh hưởng chính của loại điện cực đến độ tương tự TP (χ2 = 22,03, P <0,001). Giữa: Trong vòng so với giữa tương tự cho vị trí thứ tự. Mức độ tương đồng lớn hơn trong lớp biểu thị việc nhóm các âm tiết có cùng vị trí thứ nhất, thứ hai hoặc thứ ba trong một từ mạnh hơn. Một thử nghiệm Friedman chỉ ra ảnh hưởng chính đáng kể của loại điện cực (χ2 = 790,35, P <0,001). Đúng: Trong vòng so với giữa sự giống nhau đối với danh tính từ. Sự giống nhau lớn hơn trong lớp biểu thị việc nhóm các âm tiết thành các từ riêng lẻ. Một thử nghiệm Friedman chỉ ra ảnh hưởng chính đáng kể của loại điện cực (χ2 = 265,29, P <0,001). *** P <0,001 và ** P <0,01, kiểm tra tổng xếp hạng Wilcoxon hiệu chỉnh bằng Bonferroni; thanh lỗi biểu thị SEM tổng thể. Nguồn: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abc4530

Bằng chứng hành vi của học thống kê thính giác

Henin et al. đã nghiên cứu các mạch thần kinh và tính toán cơ bản của quá trình học tĩnh bằng cách trình bày cho 17 người tham gia các luồng âm tiết thính giác sau khi thao tác với cấu trúc của trình tự. Nhóm nghiên cứu đã đặt mỗi âm tiết vào vị trí đầu tiên, thứ hai và thứ ba của một từ ba âm tiết hoặc một từ ba trong các luồng có cấu trúc như vậy. Các xác suất chuyển tiếp kết quả là thấp và đồng nhất mà không có mức độ phân đoạn từ ngữ. Trong các nhiệm vụ thính giác, họ đã tạo ra 12 âm tiết phụ âm-nguyên âm bằng MacTalk và ghép chúng lại bằng phần mềm MATLABđể tạo ra hai chuỗi: chuỗi từ có cấu trúc và chuỗi từ ngẫu nhiên. Trong trình tự có cấu trúc, Henin et al. đã thao tác các xác suất chuyển tiếp giữa các âm tiết để bốn từ ẩn có thể được nhúng vào chuỗi để tạo ra một dòng ngôn ngữ nhân tạo liên tục. Họ đại diện cho tốc độ trình bày âm tiết cơ bản ở 4 Hz và tốc độ từ ở 1,33 Hz. Nhóm nghiên cứu đã không thông báo cho những người tham gia về cấu trúc mà thay vào đó yêu cầu họ thực hiện nhiệm vụ cover, trong đó họ chỉ ra các âm tiết lặp lại một cách ngẫu nhiên trong các luồng thính giác.

Theo dõi thần kinh của SL thị giác. (A) Mô tả sơ đồ của nhiệm vụ SL trực quan. Luồng có cấu trúc (bên trái) bao gồm một luồng hình ảnh liên tục gồm tám phân đoạn (375-ms SOA, 2,66 Hz). Các TP đã được điều chỉnh để tạo thành bốn cặp fractal (750-ms SOA, 1,33 Hz). Lưu ý rằng SOA của các dấu phân vị đã được kéo dài ra so với các âm tiết để phù hợp với tần suất của các đơn vị đã học (các cặp và từ), vì có hai dấu phân vị trên mỗi đơn vị và ba âm tiết. Luồng ngẫu nhiên (bên phải) chứa cùng một Fractal nhưng theo thứ tự ngẫu nhiên. Các phản hồi thần kinh dự đoán được hiển thị trong mỗi luồng: Theo dõi Fractal được mong đợi cho cả hai luồng, trong khi theo dõi cặp chỉ được mong đợi cho luồng có cấu trúc. (B) Phổ liên kết pha trong dữ liệu thần kinh cho các điều kiện có cấu trúc (trái, đen) và ngẫu nhiên (phải, xám) từ 1606 điện cực ở 12 bệnh nhân. Mỗi điện cực quan trọng được mô tả bằng một đường mảnh và giá trị trung bình trên toàn bộ quần thể được mô tả bằng một đường dày. (C) Phổ kết hợp pha trong điều kiện có cấu trúc cho các điện cực hiển thị phản ứng theo dõi cặp, trong hai bộ: điện cực chỉ theo dõi cặp (trái, xanh lam) và điện cực theo dõi cặp và fractal (phải, cam). (D) Bản địa hóa của các điện cực chỉ cặp (trên cùng, xanh lam) và cặp + fractal (dưới cùng, cam) thể hiện sự kết hợp pha đáng kể trong FP (xanh lam nhạt, cam nhạt) hoặc HGB (xanh lam đậm, cam đậm). Credited: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abc4530

Theo dõi thần kinh của học thống kê thính giác

Henin et al. thu được các tín hiệu sinh lý thần kinh trực tiếp từ 1898 điện cực nội sọ ở 17 người tham gia để bao phủ toàn diện thùy trán, thùy chẩm và thùy thái dương cũng như hồi hải mã ở cả hai bán cầu. Những người tham gia thực hiện một bắt buộc lựa chọn hai thay thế nhiệm vụ(2AFC), trong đó họ nghe hai đoạn âm thanh được trình bày lần lượt để chọn luồng có chứa một trong những từ bị ẩn. Các nhà khoa học ghi nhận các phản ứng chủ yếu bắt nguồn từ các giác quan / vận động và cortices thái dương. Trung bình, họ ghi nhận sự gắn kết tỷ lệ từ tăng lên đáng kể trong luồng có cấu trúc nhưng không phải trong luồng ngẫu nhiên, để hỗ trợ các ứng dụng nhạy cảm và mạnh mẽ của NFT (gắn thẻ tần số thần kinh) để đánh giá việc học thống kê trực tuyến. Sử dụng NFT, họ đã theo dõi sự biểu diễn của các đơn vị được phân đoạn ở hai mức phân cấp của luồng và sau đó kiểm tra tính nhất quán của pha bên trong điện cực trong điện thế trường và dải gamma trong các luồng ngẫu nhiên và có cấu trúc tương ứng. Sử dụng electrocorticography, họ đã thể hiện vị trí của cả hai từ và sự gắn kết âm tiết đã xảy ra chủ yếu ở các nếp cuộn dương trên (STG) với cụm nhỏ trong vỏ động cơ và parsopercularis. Song song, cấu hình điều chỉnh khác phản xạ các điện cực với sự kết hợp đáng kể chỉ ở tốc độ từ chỉ với các vị trí trong con quay hồi chuyển trán dưới và thùy thái dương trước (ATL). Việc phân nhóm giải phẫu đã làm nổi bật cấu trúc thần kinh của hệ thống phân cấp xử lý thính giác.

Phân tích học thống kê thính giác và kiểm tra học thống kê trực quan.

Để hiểu kết quả của gắn thẻ tần số thần kinh (NFT), Henin et al. đã kiểm tra phân đoạn dẫn đến kết quả và dựa trên ba dấu hiệu thống kê trong luồng; bao gồm (1) xác suất chuyển tiếp, (2) vị trí thứ tự hoặc (3) nhận dạng từ để tạo điều kiện cho các chức năng nhận thức duy nhất. Như với các nhiệm vụ học thống kê thính giác, nhóm thực hiện các nhiệm vụ học thống kê trực quan với các nhóm bệnh nhân, trong đó nhóm hình thành các fractal bằng cách sử dụng các bộ hình ảnh tương tự như những hình ảnh được sử dụng trong công việc trước đó. Như trước đây, những người tham gia không được thông báo về cấu trúc, nhưng họ thực hiện nhiệm vụ che đậy. Henin và cộng sự. Sau đó sử dụng NFT để xác định các vùng não có biểu hiện học thống kê trong các bản ghi sinh lý thần kinh từ 1606 điện cực nội sọ ở 12 bệnh nhân để bao phủ vỏ não trán, thái dương và chẩm. Cũng giống như học thống kê thính giác, họ quan sát thấy sự phân biệt về mặt giải phẫu và thứ bậc giữa hai cấu hình điều chỉnh thời gian của các điện cực, trong đó một điện cực cho thấy sự cuốn hút đáng kể ở tỷ lệ fractal và cặp — chủ yếu tập trung ở vỏ chẩm và đỉnh, trong khi cấu hình kia chỉ cho thấy sự cuốn hút đáng kể của cặp tỷ lệ, ở vỏ não trán, đỉnh và thái dương.

Kết quả tương tự mẫu trong SL trực quan. MDS của khoảng cách giữa các phản ứng với các fractal riêng lẻ trên các điện cực chỉ cặp (A), (B) + fractal và (C) hồi hải mã. Các cặp được mã hóa theo màu sắc; số lẻ đề cập đến vị trí đầu tiên, và số chẵn đề cập đến vị trí thứ hai. Hình elip có dấu chấm chấm phân nhóm theo TP / vị trí thứ tự trong điện cực cặp + fractal. Hình elip đặc phác thảo phân nhóm theo TP / vị trí thứ tự trong các điện cực chỉ có cặp. Dấu chấm lửng cho biết phân nhóm theo cặp trong điện cực chỉ cặp và điện cực hồi hải mã. (D) So sánh độ giống nhau của mẫu đa biến cho các Fractal trong nhiệm vụ SL trực quan. Trái: Trong vòng so với giữa tương tự cho TP thấp và cao. Mức độ tương đồng lớn hơn trong cùng lớp cho thấy sự phân nhóm mạnh hơn các Fractal có TP thấp (0,33) so với các Fractal có TP cao (1,0). Một thử nghiệm Friedman chỉ ra ảnh hưởng chính của loại điện cực đến độ giống TP (χ2 = 19,3, P <0,001). Giữa: Trong vòng so với giữa tương tự cho vị trí thứ tự. Mức độ tương đồng lớn hơn trong cùng lớp cho biết nhóm các fractal giữ cùng vị trí thứ nhất hoặc thứ hai trong một cặp. Một thử nghiệm Friedman chỉ ra ảnh hưởng chính của loại điện cực (χ2 = 122,2, P <0,001). Đúng: Trong vòng so với giữa sự giống nhau cho nhận dạng cặp. Mức độ giống nhau lớn hơn trong lớp cho thấy việc nhóm các fractal thành từng cặp. Một thử nghiệm Friedman chỉ ra hiệu ứng chính của loại điện cực (χ2 = 40,04, P <0,001). *** P <001 và * P <0,05, kiểm định tổng xếp hạng Wilcoxon; thanh lỗi biểu thị SEM tổng thể. Credited: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abc4530

Kết luận

Theo cách này, Simon Henin và các đồng nghiệp đã sử dụng các bản ghi âm nội sọ ở người để mô tả cách não bộ theo dõi và học hỏi cấu trúc bên trong thông tin giác quan. Quá trình học tập thống kê đi kèm với những thay đổi nhanh chóng trong các đại diện thần kinh được phản ánh trong hai phản ứng khác biệt về chức năng và giải phẫu của não. Những phản ứng riêng biệt này cho thấy một hệ thống phân cấp giải phẫu, chúng được lập bản đồ thành các giai đoạn xử lý cảm giác ban đầu ở con quay thái dương trên và vỏ não chẩm. Nhóm nghiên cứu cũng lập các bản đồ xử lý amodal muộn giai đoạntrong con quay hồi chuyển trán dưới và thùy thái dương trước. Các bệnh nhân đã trích xuất và trình bày các cấu trúc lồng nhau trong các luồng cảm giác trong não trong vòng ít nhất là hai phút, ngay cả khi họ không nhận thức được quá trình này.

Bao phủ điện cực ECoG cho những người tham gia nhiệm vụ SL thính giác (Trên cùng) và nhiệm vụ SL thị giác (Dưới cùng) từ bán cầu trái (LH) và bán cầu phải (RH). Độ phủ điện cực của mỗi người tham gia được hiển thị với một màu khác nhau. Nguồn: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abc4530

Công trình đã thống nhất với các nghiên cứu trước đây để chứng minh cách hệ thống phân cấp vỏ não tích hợp thông tin qua các cửa sổ thời gian dường như dài hơn. Kỹ thuật gắn thẻ tần số thần kinh (NFT) đã cung cấp một cơ hội thú vị để mô tả các quỹ đạo học tập trên các quần thể lâm sàng và khỏe mạnh trên các phương thức cảm giác, để theo dõi việc thu nhận kiến thức trong suốt thời gian sống từ trẻ sơ sinh đến người già. Bằng cách kết hợp NFT với phân tích độ tương đồng đại diện (RSA), nhóm đã cung cấp một bộ công cụ mạnh mẽ để tiết lộ cách bộ não tham gia vào việc học thống kê qua nhiều cấp độ tổ chức trong não người.

(Nguồn Medicalxpress.com)