Curr Biol：听觉皮层的时间“尺子”是固定的，不会随语速改变

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基本信息

Title:Neurons in auditory cortex integrate information within a constrained and context-invariant temporal window

发表时间：2025.12.4

发表期刊:Current Biology

影响因子：7.5

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研究背景

我们的大脑是如何追踪并理解流动的声音的？

想象一下你在听一场语速极快的脱口秀，或者一首节奏舒缓的大提琴曲。声音信号在物理上是连续变化的声波，其中蕴含的信息跨越了极大的时间尺度：从毫秒级的音素变化，到秒级的乐句或语义结构。听觉系统面临着一个巨大的计算挑战：它必须将这些瞬息万变的细节“整合”成有意义的听觉对象 。

这就引出了一个经典的神经科学谜题：大脑的听觉皮层在处理这些信息时，它的 “采样窗口” 究竟是固定的，还是灵活可变的？

一种直观的假设是“橡皮筋假说”（Rate-yoked hypothesis）：神经元极其灵活，当外界语速变快时，它的整合窗口会压缩；当语速变慢时，窗口会拉长，以适应外界的信息速率 。这一假设在很多自适应的人工神经网络模型中非常流行。

另一种则是“尺子假说”（Time-yoked hypothesis）：神经元是固执的，它们各自拥有固定的整合时间窗口（有的负责短时窗，有的负责长时窗），无论外界声音多快多慢，它们只管按自己的节奏处理 。大脑通过通过调动不同时间尺度的神经元群体来共同完成多尺度整合。

长期以来，由于缺乏能够准确测量非线性神经系统整合窗口的方法，这一争论始终未有定论。传统的线性模型（如STRF）无法捕捉皮层中普遍存在的非线性动态 。本研究利用一种创新的“时间语境不变性”（Temporal Context Invariance, TCI）范式，直接在清醒的雪貂听觉皮层中测量了神经元的整合窗口，为我们揭示了听觉系统处理时间的底层逻辑。

研究核心总结

本研究由巴黎高等师范学院（ENS）和罗切斯特大学的研究团队合作完成，2025年12月4日发表于 Current Biology。研究团队利用多电极阵列和层流探针记录了雪貂听觉皮层神经元对自然声（语音、动物叫声、音乐）的反应，通过TCI方法系统地刻画了神经整合窗口的特性 。

Figure 1. Neurons in the auditory cortex show context-invariant responses

核心发现一：听觉神经元具有严格受限且“语境不变”的整合窗口

研究发现，绝大多数听觉皮层神经元都表现出一个明确的、时间受限的整合窗口（Integration Window），范围约为 15ms 到 150ms 。

TCI方法的逻辑在于：如果一个声音片段的持续时间长于神经元的整合窗口，那么无论该片段前后的“语境”（Context）如何变化，神经元对该片段的反应应当是恒定不变的（Context Invariant）。实验结果惊人地吻合这一预测：一旦声音片段长度超过某个阈值（即整合窗口宽度），神经反应与噪声上限（Noise Ceiling）之间的互相关（CCC）便达到饱和 。这意味着，虽然大脑是一个高度非线性的系统，但听觉皮层神经元在时间整合上表现出了极强的“紧凑性”，只在其特定的时间窗口内收集信息，对窗口之外的刺激几乎“视而不见” 。

Figure 2. Diverse, hierarchically organized temporal integration windows across the neural population

核心发现二：整合窗口呈层级化分布，主要由脑区而非皮层层级决定

整合窗口的宽度在神经元群体中表现出巨大的多样性（跨度约3个倍频程），并呈现出清晰的空间组织结构：

1. 区域层级性（Regional Hierarchy）： 从初级听觉皮层（MEG）到非初级听觉皮层（PEG），神经元的整合窗口显著变宽 。非初级皮层神经元需要更长的声音片段才能达到语境不变性，表明它们在更长的时间尺度上整合信息。

2. 皮层层级性（Laminar Organization）： 与区域间的显著差异不同，同一脑区内，不同皮层深度（颗粒上层、颗粒层、颗粒下层）之间的整合窗口差异微乎其微 。

这表明，听觉系统多尺度处理的主要组织原则是脑区间的层级传递，而非皮层列内部的层级处理 。

Figure 3. Integration windows show hierarchical organization across regions but not layers

核心发现三：整合窗口锚定于“绝对时间”，不随信息速率改变

这是本研究最具颠覆性的发现。研究人员通过算法将自然声音进行拉伸（变慢）和压缩（变快），改变了声音的信息速率，但保持音高不变 。

• 如果神经元是“速率锚定”（Rate-yoked）的，那么当声音被拉伸两倍时，整合窗口也应相应拉长。

• 如果神经元是“时间锚定”（Time-yoked）的，那么整合窗口应保持绝对时间长度不变。

实验结果强有力地支持了“时间锚定”假说：无论声音是快是慢，神经元的整合窗口（以毫秒计）几乎完全保持不变 。即便是在更高级的非初级皮层（PEG），这种对绝对时间的“固执”依然存在 。

Figure 4. Temporal integration is invariant to information rate

总而言之，该研究通过严格的实证数据表明，听觉皮层并非通过单个神经元的“弹性”来适应多变的声音环境。相反，大脑采用了一种“分工明确、层级组织”的群体编码策略：通过构建一个包含多种固定时间常数神经元的庞大“滤波器组”，并在解剖上按层级排列，从而实现对自然界复杂多尺度声音信息的灵活解码 。这一发现对构建类脑听觉模型（如DNN）提供了关键的生物学约束，提示我们人工神经网络中的时间尺度设计应更关注群体多样性而非单元的可变性。

Figure 5. Integration windows estimated using natural context

Abstract

Much remains unknown about the computations that allow animals to flexibly integrate across multiple timescales in natural sounds. One key question is whether multiscale integration is accomplished by diverse populations of neurons, each of which integrates information within a constrained temporal window, or whether individual units effectively integrate across many different temporal scales depending on the information rate. Here, we show that responses from neurons throughout the ferret auditory cortex are nearly completely unaffected by sounds falling beyond a time-limited “integration window.” This window varies substantially across cells within the auditory cortex (∼15 to ∼150 ms), increasing substantially from the primary to non-primary auditory cortex across all cortical layers, but is unaffected by the information rate of sound. These results indicate that multiscale computation is predominantly accomplished by diverse and hierarchically organized neural populations, each of which integrates information within a highly constrained temporal window.

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分享人：饭哥

审核：PsyBrain 脑心前沿编辑部