杜忆：脑活动的捕捉者

杜忆：脑活动的捕捉者

本刊记者 汲晓奇

杜忆在办公室

“我是谁？我从哪里来？要到什么地方去？”人类总会对自身产生无穷无尽的好奇心。小的时候孩子会问妈妈：“我是怎么出生的？”稍大一点又会对身体构造产生兴趣。好奇心，是人类与生俱来的存在。居里夫人曾经说过：“好奇心是学习者的第一美德。”

对于中国科学院心理研究所研究员杜忆来说，人脑如何加工声音信息以及如何感知和理解言语是她倍感兴趣的所在，也是她近年来研究的方向和重点。

跨越专业，追踪兴趣

一直以来，杜忆对人体的构造都有着无穷的好奇心，因此她考取了北京大学医学部。拿到学士学位后，杜忆的兴趣更多地转移到了心理学。“人的大脑是最复杂的人体器官，对脑的研究要比对人体生理学的研究更有挑战性。这种强烈的好奇心促使我选择在北京大学心理系（现在为心理与认知科学学院）攻读直博。”

专业的跨越对杜忆还是造成了一定的影响，所幸医学方面的很多技能与心理学是相通的，这才使得杜忆的专业跨越平稳渡过。“博士期间，我的导师是李量教授，他的专业是生理心理学，需要做大量的动物实验，这与我的医学背景也相契合。”杜忆说。

博士研究生期间，她使用大鼠模型揭示了对听感觉运动门控的注意调节的神经机制。“感觉运动门控，就是指面对海量信息的时候，大脑通过系统性的门控作用（即前注意阶段的信息过滤）和选择性注意来实现对目标信号的筛选和识别，以及对干扰信号的抑制。”杜忆说，感觉门控的缺损导致无关刺激超载，最终可导致与认知、注意有关的各种精神障碍，如精神分裂症、抑郁症等。“在精神分裂症病人的身上都存在这种门控机制认知调节缺失，并且这种缺失的程度是跟精神分裂症的严重程度密切相关的。”

杜忆以对听感觉运动门控的注意调节作为核心科学问题，在动物行为模型、神经环路功能连接、神经核团电生理这三个层次上开展了系统性的研究，并通过早期社会隔离饲养建立精神分裂症大鼠模型，首次建立了感觉运动门控的空间注意调节缺失与该严重精神疾病的关联。其研究成果对理解听觉认知、注意过程与运动控制之间的机能整合，认识脑在复杂场景中的跨通道信息加工机制，并建立精神分裂症的动物认知模型具有重要的学术价值和现实意义。

基于此项研究，杜忆发表了近十篇高质量学术论文，其博士论文《对听感觉运动门控自上而下调节的动物模型和神经机制》获得了“2013年全国优秀博士学位论文”。

动物与人，殊途同归

拿到博士学位之后，杜忆已经积累了大量的实践经验，于是开始将研究对象从动物实验转为人类被试。

“对人最重要的声音是言语，我最感兴趣的是言语感知和理解过程中的大脑运作机制。”杜忆说，“在日常生活中，我们需要识别的目标语音常常与干扰声一起出现，但听力正常的人却仍然能在相当的程度上听懂所关注的语音。‘听者如何从多个声源中听懂目标言语的呢？’这就是困扰心理学、认知神经科学和信息科学领域研究人员的‘鸡尾酒会问题’。”在多伦多大学Rotman研究所Claude Alain教授实验室从事博士后研究期间，杜忆围绕着人脑如何在“鸡尾酒会”场景下感知和理解言语做了大量开创性的工作。

首先，杜忆采用一种同时具有高时间分辨率和高空间分辨率的脑功能成像技术——脑磁图，首次揭示了在多说话人情景下分离和识别言语时，注意作用对两种重要的语音知觉线索，语音的空间差异以及嗓音差异，在行为和脑活动（听觉皮层脑磁诱发反应）上的整合模式。随后，进一步研究发现，语音的空间和嗓音频率特征具有相对独立的大脑皮层加工通路，这两条神经通路可灵活、快速地受到知觉学习和选择性注意的特异性调节。

杜忆这两项工作成果先后发表于认知神经科学的一流期刊Cerebral Cortex，共同揭示了在“鸡尾酒会”场景中不同听觉注意成分的加工独立性和整合机制，而认识听者对不同线索的特征整合和注意调节机制是认识“鸡尾酒会问题”的关键。

除此之外，杜忆认为：“我们在嘈杂环境中听别人说话的时候，其实不仅是依赖我们的听觉通道，还会从其他的感官通道获取一些信息，如听者对说话人口唇运动的发音预期对言语感知和识别具有重要的辅助作用。”她使用功能性磁共振成像技术，在年轻人身上揭示了位于大脑额叶的发音相关脑区对噪音干扰下言语分辨的贡献机制。该工作首次在语音神经表征层面上证实了在噪音干扰下，发音相关脑区比听觉皮层能更特异性地编码语音。这项研究发表于一流的综合性学术期刊《美国科学院院报》。

进一步地，杜忆把研究领域扩展到老年化对言语加工的影响。即当听觉外周和听觉中枢系统出现功能衰退时，老年人的大脑是如何进行言语加工的？杜忆运用功能性磁共振成像技术在国际上首次证实了发音相关脑区对老年人在噪音环境下的语音分辨和识别具有重要的代偿作用。

该工作发现，在噪音干扰下进行语音分辨时，老年人的发音相关脑区比年轻人的发音相关脑区激活程度更高。而且，老年人发音相关脑区的激活程度可以预测其语音分辨的正确率。同时，老年人发音相关脑区在噪音干扰下对语音信号的神经编码特异性明显强于听觉皮层。这项研究揭示，老年人在噪音环境下理解他人的言语时会更多地依赖与发音相关的脑区并采用一种预测性加工策略，即充分利用较少受到老年化和噪音影响的对言语的发音知识和预期以代偿受损的听觉加工。

该研究具有重要的应用价值，为帮助听力受损的老年人设计和开展言语康复训练方案提供了新的视角和启发。该研究近期发表于一流的综合性学术期刊《自然·通讯》。

杜忆对于言语理解的好奇心并未被满足。“我们知道，长期接受音乐训练的人在噪音干扰下具有更强的言语识别能力，但音乐训练促进嘈杂环境下言语识别的神经机制目前还非常不清楚。”因此，杜忆前往McGill大学研究音乐和言语的世界知名学者Robert Zatorre教授实验室，开展了关于音乐训练对言语理解的促进作用的博士后研究。

“音乐训练（弹奏乐器或唱歌）像说话一样需要运动系统和听觉系统的协同配合以达到实时反馈调整，听觉和运动信息的整合对加工音乐和语音都至关重要。”鉴于音乐和语音在声学结构上的诸多相似之处以及可能存在共享的脑环路基础，杜忆创造性地推测，或许音乐家在嘈杂环境中分辨语音时，不仅对语音的听觉加工增强，还能生成更精确的发音预期以及更有效地整合发音预期和听觉输入来促进言语识别。随后，杜忆使用功能性磁共振成像技术证实了这一点。音乐训练使音乐家的发音脑区的激活程度比普通人高，在噪音干扰下对语音具有更特异性的编码能力。

这项研究成果从一个全新的角度探讨了音乐训练对言语加工的作用机制，目前国际国内都尚无相似的报道。“这项工作提供了以音乐训练作为老年人和多种人群（如听力受损的儿童和成人等）言语康复治疗方案的神经生物学依据。这是最新的工作，研究成果还没有发表。”杜忆补充道。

全职回国，整装待发

对于杜忆来说，2016年初入选中组部“千人计划”青年人才，全职回国进入中国科学院心理研究所担任研究员是顺其自然的事情。“尽管已在国外开展了多年的研究，但我的初衷就是出国深造学习，回国是一定的，也算不忘初心，得偿所愿！”杜忆说，“回国以后，在组建实验室、指导学生等事务上都需要花费精力，我现在的难点在于如何更高效地管理时间。作为一名女性科研工作者，更大的挑战来自如何平衡工作和家庭生活。”

或许是自身专业的原因，杜忆对于研究人员的专业限制并不严格。用她的话说，这是一门交叉学科，心理学、医学、生物学、信息科学等都可以发挥自己的作用。她在招收学生上面也是如此要求：只要是上述相关专业背景的学生都可以被考虑。杜忆笑言自己属于“空降”的PI，没有带领团队的经验。所幸因为与学生们年龄接近，彼此之间更容易交流，她希望可以慢慢摸索出一种合适的组织模式，创造出更多的灵感。

“未来肯定还要拓展研究方向，比如说现在我们涉及到老龄化了，那么以后希望可以从发展的角度研究儿童听觉和言语加工能力的习得和发展过程。另外就是要研究大脑各种精神疾病和功能障碍，如失语症、阅读障碍等对听觉和言语能力的影响机制，以及学习和训练，特别是音乐训练，是如何增强我们的听觉加工能力的。”谈到未来的规划，杜忆侃侃而谈。