在日常生活中,我们的大脑需要从嘈杂的环境中筛选出重要的声音信息,比如在喧闹的聚会中专注于一个人的谈话,这就是著名的“鸡尾酒会效应”。然而,注意力并非单一的整体,它究竟是以何种方式运作来帮助我们高效处理信息的,一直是神经科学领域的核心问题。在听觉领域,注意力使我们能够优先处理听觉场景中的相关声音,它既可以被场景中的元素以自下而上的方式吸引,也可以被引导至特征、对象或整个场景,即自上而下的方式。这些注意模式如何相互作用?它们的神经基础是否不同?这些问题至今尚不明确。长期以来,争论的焦点在于选择发生在感觉层级的哪个位置,以及它以什么表征单元为目标。一种有影响力的假设主张以对象为中心的观点,即注意力锁定在一个感知对象上,并增强其所有特征。另一种竞争性观点则强调特征选择机制,认为“对象性”只有在被注意的特征被分离后才会出现。调和这些观点需要澄清特征选择和对象选择是可分离的过程,还是共享层级结构中的不同入口点。
为了厘清这些相互竞争的观点,发表在《NeuroImage》上的这项研究采用了相同的、空间动态的“鸡尾酒会”场景,要求参与者在不同的实验区块中采用三种注意模式:监测整个混合声音、注意右侧的任何语音、或追踪男性声音无论其出现在何处。所有参与者聆听的是完全相同的刺激材料,但注意任务不同,这使得任何行为或神经反应的差异都必须源于听者的注意策略,而非刺激结构本身。研究人员通过结合行为学指标、刺激重建解码和脑电图频谱-时间模式,评估了这些竞争性解释。
本研究主要应用了以下关键技术方法:1. 采用空间动态的“鸡尾酒会”听觉范式,使用三位德语说话者的录音构建刺激材料,并通过头相关传递函数模拟三维空间运动;2. 采集了90名参与者的行为学数据和24名参与者的64导脑电图数据;3. 利用刺激包络重建技术解码神经数据,分析不同注意模式下对声学流的编码;4. 应用多路典型相关分析和逻辑回归分类器,对注意模式和目标显著性进行神经分类;5. 通过头皮拓扑图分析和振荡活动分析,考察不同注意模式的神经活动特征。
2.1. 不同注意模式产生不同的行为表现
尽管刺激完全相同,行为反应显示三种注意模式的效果并不等同。对象注意的击中率最高,其次是空间注意,全局注意最低。对象注意的假阳性干扰率也低于空间注意。结果表明,在涉及动态空间配置的场景中,基于对象的注意在感知上比基于空间的注意更有效。
2.2. 不同的神经特征构成不同注意模式的基础
对不同注意模式下正确试次的脑电图反应进行分类,结果显示三种注意状态在神经上是可分离的。两两分类器的准确率均显著高于随机水平,其中全局与空间注意的分类准确率最高,对象与空间注意的分类准确率相对较低,且错误模式不对称,表明这两种注意模式之间存在一定的混淆。
2.3. 头皮拓扑图支持不同注意模式下的不同神经活动模式
平均头皮拓扑图揭示了三种任务下的不同模式。对象注意条件显示出预期的前额和双侧枕叶激活;空间注意则显示出典型的与注意位置对侧的顶-枕叶抑制;而全局模式产生非常强的前额增强和普遍的后顶叶抑制。对不同频率带和通道簇的分析进一步支持了这些差异。
2.4. 不同注意模式遵循受场景动力学影响的独特时间模式
检查行为表现和神经反应随时间变化与场景空间动态的关系发现,在试次早期,所有注意模式的击中率在空间切换后都需要数百毫秒的时间来建立并稳定。而在试次后期,注意已经稳定,进一步的空间变化不再破坏表现。神经分类准确率在早期切换后下降,但在晚期切换后保持稳定,这与行为观察到的模式紧密一致。
2.5. 对象和空间模式下选择性注意复杂听觉环境的独特时间动力学
通过从神经数据解码刺激包络,考察每种选择性注意模式下注意随时间展开的方式。对于对象注意,解码准确率在说话者空间分离度高时表现良好,而当说话者趋同、空间分离度降低时,准确率显著下降。对于空间注意,解码准确率在说话者开始离开被注意侧时下降。这表明场景的空间动态对不同注意模式的时间过程有特异性影响。
2.6. 通过检查不同声音随着场景展开,全局注意采用源采样策略
与选择性注意模式不同,全局注意任务要求受试者注意整个场景。对每个说话者和空间位置的解码器进行分析发现,在全局注意模式下,没有一个解码器能持续占主导地位,而是倾向于在六个解码器之间切换,表明受试者会序列地采样场景中的每个声源,而不是维持对单个流的持续偏好。这支持了全局注意通过序列源采样操作的假设。
2.7. 与选择性模式相比,全局注意从自下而上的注意中获益最多
将目标分为高显著性和低显著性事件后发现,全局注意在检测低显著性目标时表现较差,但对高显著性目标的检测率显著提高。而选择性注意模式对低显著性目标的感知有强烈提升,但对高显著性目标的检测程度在所有模式下相似。神经分类结果与行为数据趋势一致,高、低显著性目标在全局注意下最容易区分。
本研究通过对比对象、特征和全局注意,同时保持听觉输入恒定,直接解决了听觉注意机制的核心问题。实证结果表明,这些注意模式不仅在行为上存在差异,而且调动了可分离的神经机制,支持了听觉注意是由多个功能上可分离的系统实现的观点。对象注意在行为上表现最优,且神经特征独特;全局注意并非被动监控,而是一种主动的、动态的源采样策略。研究还揭示了注意动态受任务目标和自下而上显著性的共同调节,其中自下而上显著性的影响在注意目标被弱指定或分散时最大。这些发现澄清了听觉注意文献中长期存在的模糊之处,并为理解现实世界聆听中注意系统的相互作用提供了一个框架。该研究统一了先前心理声学、影像学和电生理学的发现,表明注意机制根据任务需求和场景统计特性被灵活调动。