How Selective Hearing Works In the Brain

人はどのようにして、混雑して騒がしい周囲の音を遮断しながら、ひとつのスピーカーに同調できるのかという長年の謎が、今週、カリフォルニア大学サンフランシスコ校 (UCSF) の 2 人の科学者によって『Nature』誌で解き明かされました。

心理学者たちは、いわゆる「カクテルパーティー効果」について何十年も前から知っていました。 これは、教室、スポーツイベント、コーヒーバーなど、事実上あらゆる環境において、たとえその人の声が雑談にかき消されているように見えても、1人のスピーカーに集中する人間の驚くべき能力のことです。

選択的聴覚が脳内でどのように機能するかを理解するため、UCSF神経外科部門およびKeck Center for Integrative Neuroscienceの教員であるEdward Chang医学博士とUCSF博士研究員のNima Mesgarani博士は、重度のてんかんのために脳手術を受けた患者3人と共同研究を行いました。

この手術の一部には、発作を無効にする脳の部分をピンポイントで特定することが含まれています。 UCSF のてんかんチームは、最大 256 個の電極の薄いシートを頭蓋骨の下の脳の外側の表面または皮質に置き、1 週間にわたって脳の活動をマッピングすることによって、それらの場所を見つけます。

UCSFは、このような高度な頭蓋内記録が行われている数少ない学術的なてんかんセンターのひとつであり、脳そのものから安全に記録する能力は、脳の働きに関する基本的な知識を前進させるユニークな機会を提供すると、Chang氏は述べました。

実験では、患者は、異なる話者によって異なるフレーズが話された2つの音声サンプルを同時に再生して聞きました。

患者は、2人の話者のうち1人が話すのを聞いた単語を特定するよう求められました。

その後、著者らは新しいデコーディング方法を適用し、被験者の脳活動パターンを分析することで、被験者が聞いたものを「再構築」しました。 驚くべきことに、著者らは聴覚皮質における神経反応は、対象となる話者のものだけを反映していることを発見しました。 そして、その神経パターンから、被験者がどの話者、さらにはどの単語を聞いているのかまで予測できることを発見した。

「このアルゴリズムは非常にうまく機能したので、正しい反応だけでなく、間違った単語に注意を向けたときでさえも予測できました」と、Chang氏は述べました。

人間の脳と機械による音声認識

新しい発見は、大脳皮質における音声の表現が、外部の音響環境全体を反映しているのではなく、私たちが本当に聞きたい、あるいは必要とするものだけを反映していることを示しています。

この発見は、人間の脳の言語処理方法の理解に大きな前進をもたらし、老化時の障害、注意欠陥障害、自閉症および言語学習障害の研究に直ちに影響を及ぼします。

さらに、カリフォルニア大学バークレー校およびカリフォルニア大学サンフランシスコ校の神経工学・人工器官センターの共同ディレクターでもあるチャン氏は、いつの日か、この技術を、意思疎通ができない麻痺患者からの意図や考えを解読する神経補綴装置に利用できるかもしれないと述べています。

私たちの脳が、ある聴覚的な手がかりを他のものよりも好むようにできていることを明らかにすることは、音声起動型電子インターフェースが言葉のコマンドを適切に検出するために音をフィルターする方法を自動化および改善する新しいアプローチを生み出すきっかけにもなるかもしれません。

普通の人は、騒がしい部屋に入っても、まるでその部屋の他のすべての声を消したかのように、比較的簡単に内輪の会話をすることができます。

普通の人は、騒がしい部屋に入っても、まるでその部屋の他のすべての声を消してしまったかのように、比較的簡単に私的な会話をすることができるのです。実際、自動音声認識研究のバックグラウンドを持つエンジニアである Mesgarani は、多数のスピーカーやバックグラウンドノイズから、理解できる単一の声を分離するために必要なエンジニアリングは、驚くほど難しい問題だと言います。

音声認識は、「人間が驚くほど得意とするものですが、この人間の能力を機械でエミュレートするのは非常に難しいことがわかります」と彼は述べています。

ニマ・メスガラニとエドワード F. チャンによる論文「Selective cortical representation of attended speaker in multi-talker speech perception」は、学術誌ネイチャーの2012年4月19日号で発表されました。

この研究は、米国国立衛生研究所およびEster A. and Joseph Klingenstein Foundationから資金提供を受けました。

UCSFは、先進の生物医学研究、生命科学と医療専門職の大学院レベルの教育、優れた患者ケアを通じて、世界中の健康を促進することを目的とした一流大学です

。