大脑语言中枢对语言的普遍性与特异性特征均会产生响应

全球范围内使用的语言超过7000种，但人类大脑会高度特化，以处理个体母语中的语言信息。通过对人类大脑活动的记录发现，大脑颞上回（superior temporal gyrus）中存在共同及语言特异性的神经机制，正是这些机制实现了上述语言处理功能。

研究问题

所有人类口语均通过声道产生，且拥有共同的基本构成单元，例如元音和辅音。然而，在全球约7000种语言中，语言多样性也十分显著。尽管人类具备学习任何一种语言的能力，但大脑中的语言加工会迅速特化为适应个人的母语¹。这引发了一个核心问题：人类语言加工过程中，哪些方面具有普遍性，哪些方面又具有语言特异性？

神经科学家已绘制出语言感知过程中活跃的关键脑区²，但尚不清楚这些脑区活动中，有多少是不同语言共有的，又有多少是受语言经验影响形成的。要解决这一问题，需要能捕捉高时空精度神经活动的大脑记录技术。以往针对单语言使用者的研究，无法区分神经响应的共性与语言特异性；而通过记录具有不同语言背景人群的详细神经活动，能更清晰地揭示经验如何塑造大脑对语言的响应。

研究发现

为解答上述问题，我们直接记录了接受神经外科手术患者的大脑活动。在临床治疗过程中，医生会在患者大脑表面放置临时高密度电极网格，这使我们能以毫秒级精度和毫米级分辨率捕捉神经信号。电极放置好后，参与者会聆听母语及一门陌生语言的语音。这种研究方法提供了罕见的机会，让我们能观察不同语言经验背景下，神经元群体如何实时响应语音信号。

研究发现，对语言感知至关重要的脑区——颞上回（STG）³，对元音、辅音等语音基本构成单元的响应具有一致性，且不受语言种类影响（图1a，上排）。这表明颞上回存在针对声学-语音元素（即语音的物理属性）的通用语言编码。既然如此，为何人们无法将这些元素解读为陌生语言中的词汇呢？进一步研究发现，只有当个体聆听母语时，大脑才会同时追踪所谓的“高阶结构”：包括词汇边界（图1b）、词汇使用频率，以及该语言特有的语音模式（图1a，下排）。在双语参与者中，其大脑对两种熟悉语言的神经响应均呈现出这种更丰富的编码模式，这表明同一神经回路可灵活支持多种语言的加工。综上，研究结果揭示了单一脑区中如何同时存在语言共享与语言特异性加工过程。

 图1 人类大脑颞叶中语言共享与特异性的神经响应

a，上排：当参与者聆听母语（蓝色）和外语（红色）时，相同的神经元群体被激活（HFA，高频活动）。下排：相比陌生语言，个体聆听母语时，神经元群体对词汇层面及语言特异性序列的编码更强。“词汇层面+音素意外值∆R²”用于衡量单个电极（每个散点）对词汇层面及语言特异性序列的响应强度。  

b：通过机器学习算法，从神经响应当中解码词汇边界（词汇层面的显著特征）的能力，在个体聆听母语时比聆听陌生语言时更强（AUC，受试者工作特征曲线下面积）。  

图片来源：巴亚-格罗斯曼（I. Bhaya-Grossman）等人/《自然》（CC BY 4.0，知识共享署名4.0国际许可协议）。

研究意义

本研究表明，人类颞上回通过两个层面加工语言：一个层面捕捉不同语言共有的语音特征，另一个层面则通过经验调整，以适配熟悉语言的特定模式。这意味着，人类学习新语言时，大脑并非从零开始：它先天具备识别元音和辅音的基础能力，随后通过接触与学习，逐步提升对词汇及语音模式的敏感度。

基于现有发现，下一步的重要研究方向包括：厘清这些声学-语音表征与词汇层面表征如何在大脑中与语义建立关联。神经像素探针（Neuropixels probes）等超高分辨率工具，能够在单个神经元水平上测量神经回路活动，这或将揭示局部回路与大规模网络如何支撑人类特有的语言能力。  

——伊琳娜·巴亚-格罗斯曼（Ilina Bhaya-Grossman）与爱德华·F·张（Edward F. Chang），美国加利福尼亚州旧金山市加利福尼亚大学旧金山分校。

专家观点

“这篇论文深化了我们对大脑如何加工母语、陌生语言及第二语言中语言信息的理解。直接大脑记录技术实现了极高的时空分辨率，据我们所知，这是首次通过此类方法探究双语能力如何影响不同层级语言信息的加工过程。”  

——娜莉·戈莱斯坦尼（Narly Golestani），奥地利维也纳大学与瑞士日内瓦大学；奥尔加·凯平斯卡（Olga Kepinska），法国普罗旺斯地区艾克斯市艾克斯-马赛大学与法国国家科学研究中心（CNRS）。

研究背后的故事

我们的研究始于一个疑问：大脑如何在语音共享基础与人类语言多样性之间取得平衡？通过直接记录人类大脑活动解答这一问题颇具挑战，因为这类数据只能从接受临床必要脑部手术的患者身上获取。因此，我们花了十多年时间，从具有不同语言背景的参与者中收集了足够的数据。当我们发现“单个语音信号的神经编码具有跨语言共性”时，研究分析方向随之调整，而这最终成为了研究中最令人振奋的成果之一。双语参与者为我们提供了极为罕见且具有说服力的视角，让我们得以了解大脑如何支持多种语言加工——这一研究方向也与团队中多位双语作者产生了共鸣。从大脑记录数据中观察到这一现象的证据，是整个研究项目中令人难忘的时刻。  

——伊琳娜·巴亚-格罗斯曼（I. Bhaya-Grossman）

 编辑视角

尽管大多数人仅能理解数千种语言中的一两种，但大脑通常能将外语识别为“语言”。本文通过记录单语者与双语者的大脑活动，获取了独特数据，进而识别出不同语言中编码方式相似与不同的语言特征。研究结果深化了我们对两个问题的理解：人类为何能将陌生语音识别为语言？语言知识如何改变神经响应？  

——玛丽·伊丽莎白·萨瑟兰（Mary Elizabeth Sutherland），《自然》期刊副主编