2025年3月3日
概要
新たな研究により、かつては音のみを処理すると考えられていたヘシュル回が、実際には音声のメロディー、つまり韻律を解釈する上で重要な役割を果たしていることが明らかになりました。研究者らは、電極を埋め込んだてんかん患者の脳の活動を追跡し、この領域が単語の音とは別に、ピッチアクセントを意味のある言語信号としてエンコードしていることを発見しました。
この発見は、韻律処理は脳内で後から行われるという長年の仮説に疑問を投げかけ、人間は音程の変化から独自に意味を抽出していることを示唆している。この発見は、言語療法、AI 音声認識、言語障害に対する理解を向上させる可能性がある。
重要な事実
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初期の韻律処理:ヘシュル回は、高次の言語中枢が意味を処理する前にピッチアクセントをエンコードします。
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人間特有の能力:人間以外の霊長類とは異なり、人間はピッチの変化を意味のある言語の手がかりとして抽象化します。
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現実世界での応用:これらの洞察は、言語療法、AI 音声認識、言語研究を進歩させる可能性があります。
出典:ノースウェスタン大学
「重要なのは何を言うかではなく、どのように言うかだ」というフレーズを聞いたことがあるでしょう。そして今、科学がそれを裏付けています。ノースウェスタン大学コミュニケーション学部、ピッツバーグ大学、ウィスコンシン大学マディソン校による初めての研究により、長い間初期の聴覚処理で知られていた脳の領域が、これまで考えられていたよりもはるかに大きな役割を果たして会話を解釈していることが明らかになりました。
3月3日月曜日にネイチャー・コミュニケーションズ 誌に掲載された学際的研究 によると、ヘシュル回と呼ばれる脳の領域は音を処理するだけではなく、韻律と呼ばれる微妙な音程の変化を、会話における強調、意図、焦点を人間が理解する方法を導く意味のある言語情報に変換することがわかった。
脳は、単語を構成する音とは別にピッチアクセントをコード化した。クレジット: Neuroscience News
科学者たちは長年、韻律のあらゆる側面は主に、言語知覚で知られる脳の領域である上側頭回で処理されると信じてきた。ノースウェスタン大学ロクセリン・リチャード・ペッパー・コミュニケーション科学・障害学部の教授兼学部長で、この研究の共同主任研究者であるバラス・チャンドラセカラン氏は、この研究結果は、韻律が脳内でどのように、どこで、どのくらいの速さで処理されるかという長年の仮説に疑問を投げかけるものだと語った。
「この研究結果は、音声知覚の構造に関する私たちの理解を再定義するものだ」とチャンドラセカラン氏は語った。
「私たちは数十年にわたって、脳内で音声が抽象化される微妙なニュアンスを研究してきましたが、意味を伝えるピッチの微妙な変化が脳内でどのように処理されるかを調べた研究はこれが初めてです。」
研究参加者の珍しい集団
チャンドラセカラン氏は、ピッツバーグ大学医学部の小児脳神経外科主任、テイラー・アベル博士と協力し、重度のてんかんの脳神経外科治療を受けている11人の青年患者の聴覚情報処理を研究した。患者全員の脳の皮質深部には、主要な言語機能に不可欠な電極が埋め込まれていた。
「通常、コミュニケーションと言語学の研究は、皮膚表面からの非侵襲的な記録に依存しており、アクセスしやすいものの、あまり正確ではありません」とアベル氏は語った。
「私たちのような脳神経外科医と神経科学者の協力により、他の方法では不可能だった脳活動の高品質な記録を収集し、まったく新しい方法で脳の処理メカニズムについて学ぶことができました。」
脳が音声の旋律を解読する仕組みを探るため、研究者らはてんかん治療の一環として脳に電極を埋め込んだ稀な患者群を対象に研究を行った。これらの患者が「不思議の国のアリス」のオーディオブックを積極的に聴いている間、科学者らは複数の脳領域の活動をリアルタイムで追跡した。
研究者が発見したこと
研究者らは、患者の脳の奥深くに埋め込まれた電極から脳内記録を取り、ヘシュル回部分が声の高さの微妙な変化を、単なる音としてではなく意味のある言語単位として処理していることを発見した。脳は、単語を構成する音とは別に、高さのアクセントをコード化していた。
「私たちの研究は、脳が会話の自然なメロディー、つまり意味や意図を伝えるのに役立つ微妙なピッチの変化をどこでどのように捉えるかという長年の仮説に疑問を投げかけるものです」とウィスコンシン大学マディソン校コミュニケーション科学・障害学部のG・ナイキ・グナナタヤ氏（研究の共同筆頭著者）は述べた。
「これらのピッチパターンは話すたびに変化しますが、私たちの脳はそれを理解するために安定した表現を作成します。」
グナナタヤ氏は、この研究によって、韻律的輪郭（音声の高低）によって伝えられる意味の隠れた層が、これまで考えられていたよりもずっと早い段階で聴覚処理にコード化されていることも明らかになったと述べている。
同様の研究が人間以外の霊長類でも行われたが、研究者らは、同じ音響信号を処理しているにもかかわらず、それらの脳にはこの抽象化が欠けていることを発見した。
なぜそれが重要なのか
チャンドラセカラン氏と彼のチームは、音声の隠れた層を解明することで、脳がピッチアクセントを処理する仕組みを発見し、さまざまな分野に深い意味をもたらすことを明らかにした。
「私たちの研究結果は、言語リハビリテーション、AI搭載の音声アシスタント、そして人間のコミュニケーションの独自性についての理解に変化をもたらす可能性がある」と彼は語った。
早期の韻律処理を理解することで、自閉症、脳卒中患者の韻律障害、言語に基づく学習障害などの言語障害に対する新たな介入につながる可能性があります。
この研究はまた、人間以外の霊長類にはピッチアクセントを抽象的なカテゴリーとして処理する能力が欠けていることから、人間のコミュニケーションにおける言語経験の独特な役割を浮き彫りにしている。
さらに、これらの発見により、AI 駆動型音声認識システムが韻律をより適切に処理できるようになり、自然言語処理が人間の音声知覚をより模倣できるようになり、大幅に強化される可能性があります。
資金提供
この研究は、国立衛生研究所から授与されたNIH助成金5R01DC13315-11によってサポートされており、「周波数追従応答の生成と調整に対する皮質の寄与」と題する進行中の研究プロジェクトの成果であり、共同主任研究者はBharath Chandrasekaran、Taylor Abel、Srivatsun Sadagopan、Tobias Teichertです。
この研究は、テイラー・エイベル氏に授与されたNIH助成金R21DC019217-01A1、およびG.ナイキ・ニャナテヤ氏に授与されたウィスコンシン大学マディソン校研究・大学院教育副学長および文学・自然科学部基金によっても支援されました。
この言語と神経科学の研究ニュースについて
著者:スティーブン・ルイス
出典:ノースウェスタン大学
連絡先:スティーブン・ルイス – ノースウェスタン大学
画像:この画像は Neuroscience News より提供
オリジナル研究:オープンアクセス。
「連続音声における離散韻律パターンの皮質処理」Bharath Chandrasekaran 他著。Nature Communications
リンク先はアメリカのNeuroscience Newsというサイトの記事になります。（原文：英語）