Hearing Sounds, Understanding Actions: Action Representation in Mirror Neurons
听到声音,理解动作:镜像神经元中的动作表征
艾维琳娜·柯勒 (EVELYNE KOHLER)、克里斯蒂安·基瑟斯 (CHRISTIAN KEYSERS)、M.亚历山德拉·乌米尔塔 (M. ALESSANDRA UMILTÀ)、列奥纳多·福加西 (LEONARDO FOGASSI)、维托里奥·加雷塞 (VITTORIO GALLESE) 和贾科莫·里佐拉蒂 (GIACOMO RIZZOLATTI)
Abstract 摘要
许多与物体相关的动作可以通过它们的声音来识别。我们发现猴子运动前皮层中的神经元,当动物执行特定动作并听到相关声音时会放电。大多数神经元在猴子观察同一动作时也会放电。这些视听镜像神经元独立于动作是执行、听到还是看到而编码动作。在布罗卡区的猴类同源区的这一发现可能有助于阐明语言的起源:视听镜像神经元编码抽象内容——动作的含义——并且具有人类语言中典型的听觉通路来获取这些内容。
在猴子腹侧运动前皮质(F5 区,图 1A)中,存在一些神经元,不仅在猴子执行某一特定动作时会放电,而且在观察另一个个体执行相似动作时也会放电(镜像神经元)(1-3)。我们调查了 F5 区是否存在某些神经元,当猴子执行某一特定的手部动作时会放电,同时也会在听到相应的动作相关声音时放电。

图 1 (A)猕猴大脑的侧视图,灰色区域为 F5 区域的位置。主要脑沟:a,弧状沟;c,中央沟;ip,顶内沟;s,sylvian 沟。(B)两个对行为声音产生反应的神经元的例子。提示图和激发密度函数同时展示。每个提示图上方的文字描述了用于测试该神经元的声音或行为。垂直线表示声音发生的时间。S 和 CS 条件下激发密度函数下方的波形图显示了用于测试神经元的声音。只展示了 10 个不同实例声音中的 1 个。
该实验于三只清醒的猕猴(Macaca nemestrina)中进行(4)。共记录了 497 个神经元,并评估了其运动和视觉属性(1-3)。在一组初始神经元(n=211)中,我们利用实验员动作产生的声音和非动作相关声音研究了听觉属性;在另一组(n=286)中,我们使用了数字化的动作相关声音(4)。
在猴子执行手部动作并听到与动作相关的声音时,有六十三个神经元(13%)都会放电(5)。图 1B(神经元 1)示出了这样一个神经元的例子。这个神经元对撕纸的视觉和声音都有反应(V+S)。即使在猴子看不见的情况下,同样的动作发出的声音也能引发有效反应(S)。与动作无关的声音(白噪声、猴子叫声)则不会引起任何兴奋性反应(对照声音:CS1、CS2)。事实上,正如在 F5 神经元强烈兴奋时经常发生的那样,还观察到了放电率的降低。
另一个例子如图 1B 所示(神经元 2)。这个神经元对手掉落棍子的视觉和声音有反应(V+S)。当猴子听到棍子打到地板的声音时,也会出现反应(S)。与行动无关的刺激性声音没有产生任何一致的兴奋(CS1、CS2)。
在 32 个神经元中评估了非动作相关声音的作用,这些神经元经受了各种唤醒和情绪声音的测试,如大声噪音和动物叫声(4)。除了 5 个神经元对非动作相关声音的反应较弱外,其他神经元对这些刺激没有显著反应(P>0.05)。
虽然猴子可以执行各种产生声音的手部动作,但打破和撕裂动作无疑是最常见的。神经行为反映了这一事实。物体破裂的声音和纸张撕裂的声音是大多数测试神经元最有效的刺激。表 1 说明了有效的动作相关声音类型以及最佳响应于它们的神经元数量。
Action 行动 | Number of neurons 神经元数量 |
---|---|
Peanut breaking 花生破壳 | 27 |
Paper ripping 撕纸 | 21 |
Plastic crumpling 塑料折叠 | 5 |
Metal hitting metal 金属撞击金属 | 3 |
Paper shaking 纸抖动 | 3 |
Dry food manipulating 操作干燥食品 | 2 |
Stick dropping 掉杆 | 2 |
Total 总计 | 63 |
表 1 有效在声学上触发 F5 神经元的操作类型。
在确定区域 F5 包含对动作相关听觉刺激做出特异性反应的神经元之后,我们研究了它们区分基于听觉和视觉特征的动作的能力(4)。为此,我们研究了一组神经元(n = 33),实验设计包括两种手部动作在视觉-声音、仅声音、仅视觉和运动条件下(猴子执行面向对象的动作)随机呈现。二十九个神经元显示出听觉选择性(表 2)。其中,22 个也对相同的动作具有视觉选择性(双模镜像神经元)。三个神经元没有视觉选择性,四个没有显著的视觉反应。图 2A 展示了两个显示听觉选择性的神经元的例子。
Visual response 视觉响应 | Auditory response 听觉反应 | ||
---|---|---|---|
Selective 选择性 | Unselective 非选择性的 | Total 总计 | |
Selective 选择性 | 22 | 3 | 25 |
Unselective 非选择性的 | 3 | 1 | 4 |
None 没有文本 | 4 | − | 4 |
Total 总计 | 29 | 4 | 33 |
表 2 根据视觉和听觉特性分类的神经元。分类基于视觉×声音×动作多变量方差分析(MANOVA)的结果(4)。所有显著性均取 P<0.05。

图 2 (A) 两个神经元对动作相关声音的选择性激活响应。每个神经元对两种不同动作的响应均显示,最佳动作用黑色表示。垂直线表示发声时间(V+S, S)。在只有视觉的条件下(V),垂直线表示未经修改的自然刺激下发声的时间(4)。在运动条件下(M),垂直线表示猴子接触到物体的时刻。在只有声音的条件下,响应密度函数下的踪迹为播放测试神经元的声音的振幅包络图。只显示了 10 种不同声音实例中的 1 种。对于神经元 3,方差分析显示了听觉、视觉和运动选择性。对于神经元 4,也发现了相同的选择性。对于开榛果,视觉刺激的有效性通过 V+S 条件下显著(P<0.05)大于 V 和 S 条件下的响应得到证明。其他约定与图 1B 相同。(B)测试神经元群体在视听、只视觉、只声音和运动条件下的响应(从上到下,如左侧缩写所示)。对最有效刺激的响应以黑色显示,对效果较差刺激的响应以灰色显示。垂直线表示群体的听觉响应起始时间。x 轴与(A)相同,y 轴为标准化单位。
神经元 3 在观察到猴子实验员打碎花生(V+S 和 V)时以及猴子听到花生被打碎但看不到动作(S)时会放电。当猴子做出同样的动作(M)时,该神经元也会放电。握住环和这一动作产生的声音(4)引发了较小的反应。统计标准(4)产生了该神经元对听觉和视觉的选择性。通过单独分析视觉条件和声音条件(Newman–Keuls 检验,P < 0.05),可以看出在这两种情况下都存在选择性。
神经元 4 是另一个选择性视觉听觉镜像神经元的例子。这个神经元在猴子咬开花生时反应强烈,而在撕纸时反应要小得多(M)。当猴子看到并听到实验者咬开花生时,也观察到了这种选择性(V+S)。仅仅听到花生被咬开的声音也会产生显著但较小的反应(S),这表明视觉通路对这个神经元很重要。然而,在没有自然声音的情况下,看到花生被咬开也不会引起任何反应。实际上,花生被咬开的声音是一个重要信号,表明这个动作已经成功完成。神经元 4 的行为反映了这一现象。撕纸在所有条件下都会产生较小的反应。
对于 16 个神经元来说,视觉、声音单独及视听双重条件下的放电强度没有显著差异(Newman-Keuls 检验,P>0.05,与神经元 3 相同)。在其余 10 个神经元中,V+S 条件下的响应显著大于 S 条件(Newman-Keuls 检验,P<0.05,与神经元 4 相同)。后者的神经元需要两种感觉通路来描述行为事件,这反映了自然界中正常存在的情况,在社会环境中,手部动作的视觉和声音信息通常是耦合的。最后,在剩余的 3 个神经元中,仅声音刺激引起的响应最强。
根据对所分析的 33 个神经元进行的群体分析(图 2B,最右侧列),确认了在单个神经元中观察到的数据(4)。神经元群体对动作声音做出响应,并能区分不同动作的声音。偏好的动作声音也是产生最强视觉和电机响应的动作。
总之,F5 区域包含一群神经元——视听镜像神经元——不仅会在执行或观察某个特定动作时放电,而且在只能听到这个动作时也会放电。多感觉神经元已经在几个皮层区域和皮下中心被描述,包括上颞沟区域(6-8)、腹侧运动前区(9-14)和上丘(15)。但是,这些神经元只对特定的刺激位置或运动方向做出反应。与本文描述的神经元不同的是,它们不编码空间或某些刺激的空间特征,而是只有在听到动作时才会反应。
另一个不同之处在于,视听镜像神经元在执行特定的运动动作时也会放电。因此,它们是之前在 F5 区域描述的动作词汇表的一部分。这个词汇表不仅包含了如何执行动作的模式(例如,选择握持方式),还包含了动作概念,即以其目标来表达动作(例如,抓取、握持或破坏)。因此,视听镜像神经元可以用于计划/执行动作(像我们的运动条件)以及识别他人的动作(像我们的感知条件),即使只是通过听到也能唤起运动概念。
镜像神经元可能是手势交流的关键(17)。我大脑中丢弃神经元的活动会导致我(在合适的情况下)撕扯一张纸。这个明显的动作会激活你 F5 撕扯镜像神经元。这个动作成为了信息。这一信息可以借助你的镜像神经元的匹配特性在你的大脑中得以解码。令人着迷的是,发现视听镜像神经元的区域似乎是人类布罗卡区(44 区)的同源区(18)。最近在大型类人猿腹侧运动前皮层中发现左右不对称(19)表明,人类语音运动区域是一个漫长进化过程的结果,早已经开始出现在非人类灵长类动物中。在这一区域发现视听镜像神经元的发现可能会为语言演化提供线索,主要有两个原因:首先,这些神经元具有表征行动内容的能力;其次,它们能访问这些与人类语言特征相似的内容。
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REFERENCES AND NOTES 参考文献和注释
伽列塞 V.、法迪加 L.、福加索 L.、里佐拉蒂 G.,大脑 119,593 (1996)。
李泽民, 法迪加 L., 卡莱塞 V., 福加莱 L., 认知大脑研究 3, 131 (1996)。
乌米尔蒂 M. A.等, 《神经元》31, 155 (2001)。
材料和方法可以在 Science Online 上获得。
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2 August 2002
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- Evelyne Kohler et al.
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