子宫内早期的声音暴露会塑造听觉系统
在子宫内，胎儿可以在怀孕20周左右开始听到一些声音。然而，由于羊水和周围组织的消音作用，它们所接触到的输入仅限于低频声音。
麻省理工学院领导的一项新研究表明，这种退化的感觉输入对听觉发育是有益的，也许是必要的。研究人员使用人类听觉处理的简单计算机模型，证明了在模型学习执行某些任务时，最初限制输入低频声音实际上提高了它们的表现。
该团队的一项早期研究表明，早期接触模糊的人脸可以提高计算机模型随后识别人脸的泛化能力，这些研究结果表明，接收低质量的感官输入可能是大脑发育某些方面的关键。
视觉与视觉学教授帕万·辛哈(Pawan Sinha)说:“与其认为输入质量差是生物学强加给我们的限制，这项工作的立场是，也许大自然是聪明的，它给了我们发展这种机制的正确动力，这些机制后来被证明是非常有益的，当我们被要求处理具有挑战性的识别任务时。计算神经科学麻省理工学院大脑与认知科学系的教授，他领导了这个研究团队。
在这项新的研究中，研究人员表明，从一开始就将人类听觉系统的计算模型暴露在全范围的频率下，会导致在需要较长时间吸收信息的任务上的泛化表现较差，例如，从语音片段中识别情绪。研究人员说，从应用的角度来看，研究结果表明，早产儿可能受益于接触低频声音，而不是他们现在在新生儿重症监护病房听到的全频谱声音。
Marin Vogelsang和Lukas Vogelsang目前都是洛桑EPFL的学生，他们是这项研究的主要作者，该研究发表在杂志上发展科学．退休神经学家西德尼·戴蒙德(Sidney Diamond)现在是麻省理工学院的研究人员，也是这篇论文的作者之一。
低质量的输入
几年前，Sinha和他的同事开始对研究低质量的感官输入如何影响大脑的后续发育产生兴趣。这个问题的出现部分是因为研究人员有机会见到并研究了一个小男孩，他出生时就患有白内障，直到四岁才被切除。
这个男孩出生在中国，后来被一个美国家庭收养，10岁时被送到辛哈的实验室。研究显示，他的视力几乎正常，但有一个明显的例外:他在人脸识别方面表现很差。其他关于先天失明儿童的研究也显示，在他们恢复视力后，他们在面部识别方面存在缺陷。
研究人员假设，这种损伤可能是由于婴儿和幼儿错过了一些低质量的视觉输入。婴儿出生时，他们的视力很差——大约是20/800，是正常视力20/20的1/40。这部分是因为新生视网膜中感光细胞的密度较低。随着婴儿的成长，这些感受器变得更加密集，视力也提高了。
“我们提出的理论是，视觉模糊或退化的初始阶段非常重要。因为一切都很模糊，大脑需要整合更大的视野区域，”辛哈说。
为了探索这一理论，研究人员使用了一种被称为卷积神经网络的视觉计算模型。他们训练模型识别人脸，要么给它模糊的输入，然后再给它清晰的输入，要么一开始就给它清晰的输入。他们发现，早期接受模糊输入的模型在面部识别任务中表现出优越的泛化性能。此外，神经网络的接受域——它们覆盖的视觉区域的大小——比一开始就接受清晰输入训练的模型中的接受域要大。
这项研究于2018年发表后，研究人员想要探索这种现象是否也能在其他类型的感觉系统中看到。在听觉方面，发育的时间线略有不同，足月婴儿出生时在音谱上的听力几乎正常。然而，在产前期间，当听觉系统仍在发育时，婴儿在子宫内就暴露在退化的音质中。
为了检验这种退化输入的影响，研究人员训练了一个人类听觉的计算模型来执行一项需要长时间整合信息的任务——从语音片段中识别情绪。在模型学习任务的过程中，研究人员为它们提供了四种不同类型的听觉输入之一:仅低频，仅全频率，低频后全频率，全频率后低频。
低频和全频率最接近地模拟了发育中的婴儿所接触到的情况，研究人员发现，暴露在这种情况下的计算机模型在情绪识别任务中表现出最普遍的表现。这些模型还产生了更大的时间接受域，这意味着他们能够分析在更长的时间内发生的声音。
这表明，就像视觉研究一样，发育早期的输入退化实际上会促进生命后期更好的感觉统合能力。
“它支持这样一种观点，即从非常有限的信息开始，然后随着时间的推移变得越来越好，实际上可能是系统的一个功能，而不是一个错误，”卢卡斯·沃格尔桑说。
早产的影响
其他实验室之前的研究发现，早产婴儿在处理低频声音方面确实表现出障碍。在以后的生活中，他们在情绪分类测试中的表现比足月婴儿差。麻省理工学院团队的计算结果表明，这些损伤可能是由于错过了一些低质量的结果感觉输入他们通常在子宫里接受。
“如果你从一开始就提供全频率输入，那么你就剥夺了大脑试图发现长范围或扩展时间结构的动力。它可以通过局部的时间结构来解决，”辛哈说。“大概这就是立即沉浸在全频率音景中对早产儿大脑的影响。”
研究人员建议，对于早产的婴儿来说，让他们主要接触这种物质可能是有益的低频的声音出生后，为了模仿她们错过的子宫般的环境。
研究小组目前正在探索这种退化的输入可能有益于大脑发育的其他领域。这包括视觉方面，如颜色感知，以及质量上不同的领域，如语言发展。
辛哈说:“我们对实验结果的叙述和假设的一致性感到惊讶，这一想法的初始退化是为了发育目的而适应的。”“我觉得这项工作说明了科学给我们带来的令人欣慰的惊喜。我们没有预料到，从我们对先天盲童的研究中产生的想法会对我们对听觉的思考产生很大影响。但事实上，这两个领域之间似乎存在着一个美丽的概念共同点。也许这个共同的线索甚至超越了这两种感觉模式。显然，在我们面前有许多令人兴奋的研究问题。”
进一步探索
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