用于构建和/或使用显著模式化的时空输入的方法和装置，该时空输入支持对高效语言处理至关重要的神经回路的发育和维持与流程

本发明涉及一种新的方法、装置和系统，用于支持对高效语言处理至关重要的神经回路的发育和维持。

背景技术：

1、解码语音的能力取决于对连续快速呈现的声音的准确感知，这些连续快速呈现的声音发生在距彼此几十毫秒的时间内(benasich aa&tallal p(2002),infantdiscrimination of rapid auditory cues predicts later language impairment(婴儿对快速听觉线索的辨别预示着以后的语言障碍),behavioral brain research,136(1),31-49；musacchia g,ortiz-mantilla s,realpe-bonilla t,roesler cp,benasich aa(2015),investigating infant auditory processing and event-related brainoscillations(对婴儿听觉处理和事件相关的大脑振动的研究),j vis exp 101:e52420,medline；fitch rh,read h,benasich,aa(2001),neurophysiology of speechperception in normal and impaired systems(正常系统和受损系统中的语音感知的神经生理学),in a.jahn&j.santos-sacchi(eds.),physiology of the ear(2nd ed.,pp.651-672),san diego:singular publishing group,inc.)。为了支持这种解码，发育中的大脑的关键功能之一是构建包括儿童母语的所有声音的声学表示或大脑“图”。该图由相互连接的神经元的不同组组成，这些神经元组响应于传入的语言流中的各个声音而一起激发，从而促进语言的自动处理。为了开发支撑这些关键语言图的神经互连，婴儿大脑必须首先注意其环境中发生的声音的非常小而快速的连续变化；识别这些变化会使婴儿专注于区分单个语声的声学线索，并鼓励婴儿发育中的大脑在必须一起激发的特定神经元组之间创建紧密联系，以正确和自动处理每个声音。

2、正如musacchia等人(2015j vis exp)和fitch等人(2001physiology of the ear(2nd ed.))所报道的那样，研究人员已经证明，两个月大的婴儿就能分辨出快速的(例如，<100毫秒)频率变化“表明检测两个声学上相似的音节之间的差异的“硬件”已经到位。”此外，随着他们的成熟，婴儿对声音之间更精细的差异的分辨变得更加精通，特别是他们“发育出分类感知，并表现出对母语音节的声音的皮层专业化。”最后，至关重要的是，正如benasich及其同事的多项研究表明的那样，婴儿处理简单的非语音声音(如音调)中的极小且快速变化的能力可以预测3到4岁儿童的语言和认知表现(choudhury n&benasich aa(2011)，maturation of auditory evoked potentials from 6to 48months:predictionto 3and 4year language and cognitive abilities(6到48个月的听觉诱发电位的成熟度：对3、4岁的语言和认知能力的预测),clinical neurophysiology,122,2,320-338.doi:10.1016/j.clinph.2010.05.035)；musacchia et al.2015；cantiani c,riva v,piazzac,bettoni r,moltini m,choudhury n,marino c&benasich aa.(2016),auditorydiscrimination predicts linguistic outcome in italian infants with andwithout risk for language-learning impairment(听觉辨别力预测具有和不具有语言学习障碍风险的意大利婴儿的语言学效果),developmental cognitiveneuroscience.20,23-34.doi:10.1016/j.dcn.2016.03.002)。

3、benasich还表明，即使婴儿被动地接触频谱-时间-调制的非语音(即，不是语言但含有与语言解码相关的声学线索的声音)，也能引导(bootstrap)母语的处理，并有助于建立最佳声学处理所需的准确且持久的音位表示(benasich aa,choudhury,na,realpe-bonilla,t,roesler cp(2014),plasticity in developing brain:active auditoryexposure impacts prelinguistic acoustic mapping(发育中大脑的可塑性：主动听觉暴露影响前语言声学映射),journal of neuroscience,34,40,13349-13363,doi:10.1523/jneurosci.0972-14.2014)。相比起来，婴儿持续暴露在时间上无序的声音模式或人为限制的声学环境切片中，会产生相反的效果，破坏了关键的前语言声学映射，并可能损害以后的语言处理。例如，在动物研究中，zhang等人(zhang li,bao s,merzenich mm(2002),disruption of primary auditory cortex by synchronous auditory inputs during acritical period(关键时期同步听觉输入对初级听觉皮层的破坏),proc natl acad sciu s a 99:2309 -2314,crossref medline)已经表明，“暴露于重复的纯音”，如脉冲“白噪音”(这里的白噪音被定义为随机信号，通常包含许多频率，但即使经过过滤，在每个不同的频率下具有相同的强度，这会生成恒定的功率谱密度(见图1a-b))，导致拓扑恶化(即，解剖组织的退化，由于该解剖组织，声音频率被耳朵中的特定受体记录，然后沿着专门的路径传送到大脑中的特定位置)，支持着研究人员的以下论点，即，初级听觉皮层执行的处理的发育“受到来自生后发育的关键时期内的声学环境的频谱-时间输入结构的有力影响”。

4、然而，婴儿可能并不总是暴露于最有利于其发育的“频谱-时间输入结构”；事实上，情况往往相反。例如，前面提到的白噪音经常被父母用作小婴儿的助眠剂，这些父母很可能不知道zhang和其他人已经强调了白噪声对婴儿语言发育的潜在负面影响(ericksonlc,newman rs(2017),influences of background noise on infants and children(背景噪音对婴儿和儿童的影响),curr dir psychol sci.2017；26(5):451-457,doi:10.117770963721417709087；howard hughes medical institute,"white noise delaysauditory organization in brain(白噪音使大脑中的听觉组织延迟)",sciencedaily，sciencedaily,18april 2003，<www.sciencedaily.com/releases/2003/04/030418081607.htm>.\lahav a,skoe e(2014)，an acoustic gap between the nicu andwomb:apotential risk for compromised neuroplasticity of the auditory systemin preterm infants(新生儿重症监护室和子宫之间的声学差距：早产儿听觉系统的受损神经可塑性的潜在风险),front neurosci.dec 5,8:381,doi:10.3389/fnins.2014.00381,ecollection 2014；neuroplan.“does white noise for babies haveconsequences(白噪音对婴儿有影响吗)？"2017年7月15日,https://neuroplan.ca/white-noise-for-babies/,zhang等人,2002)。此外，即使一些研究表明，对于成年人来说，持续暴露于白噪音是无害的，但其他研究发现，这种暴露可能不完全是良性的。例如，bao等人证明，在成年鼠的大脑中，在特定条件下呈现的每天两小时的脉冲白噪音，可以使初级听觉皮层的功能性组织退化(bao s,chang ef,davis jd,gobeske kt,merzenich mm(2003).progressive degradation and subsequent refinement of acousticrepresentations in the adult auditory cortex(成年人听觉皮层中声学表示的逐渐退化和随后的完善),j neurosci,nov 26；23(34):10765-75.doi:10.1523/jneurosci.23-34-10765.2003.pmid:14645468)。

5、还有充分的证据表明，随着年龄的增长，人类对语音的解码能力显著下降(例如，anderson s，parbery clark a，white schwoch t，kraus n,aging affects neuralprecision of speech encoding(老龄化会影响语音编码的神经精度),jneurosci.2012oct 10；32(41):14156-64.doi:10.1523/jneuroscl.2176-12.2012.pmid:23055485；pmcid:pmc3488287；anderson s,karawani h.objective evidence oftemporal processing deficits in older adults(老年人时间处理障碍的客观证据),hear res.2020nov；397.108053.doi:10.1016/j.heares.2020.108053.epub 2020aug16.pmid:32863099；pmcid:pmc7669636；anderson s,bieber r,schloss a.peripheraldeficits and phase locking declines in aging adults(老年人的外周缺陷和锁相下降),hear res.2021apr；403:108188.doi:10.1016/j.heares.2021.108188.epub 2021jan29.pmid:33581668；pmcid:pmc7980782；pichora-fuller mk,schneider ba,macdonald e,pass fie,brown s.temporal jitter disrupts speech intelligibility:asimulationof auditory aging(与时间有关的抖动干扰语音清晰度：听觉老龄化的模拟),hearres.2007jan；223(1-2):114-21.doi:10.1016/j.heares.2006.10.009.epub 2006dec8.pmid:17157462；tremblay p,brisson v,deschamps i.brain aging and speechperception:effects of background noise and talker variability(大脑老龄化和语音感知：背景噪音和说话者变化的影响),neuroimage.2021feb 15,227:117675.doi:10.1016/j.neuroimage.2020.117675,epub 2020dec 24,pmid:33359849)，以及在非人类物种中，对语音的解码能力随着年龄的增长也显著下降(ng cw,recanzone gfi,age-related changes in temporal processing of rapidly-presented sound sequencesin the macaque auditory cortex(猕猴听觉皮层中对快速呈现的声音序列的时间处理的年龄相关变化),cereb cortex.2018nov 1；28(11):3775-3796.doi:10.1093/cercor/bhx240.pmid:29040403；pmcid:pmc6685077；pienkowski m,eggermont jj.long-term,partially-reversible reorganization of frequency tuning in mature cat primaryauditory cortex can be induced by passive exposure to moderate-level sounds(被动暴露于中等水平的声音可以诱导成熟猫初级听觉皮层中长期、部分可逆的频率调谐重组),hear res.2009nov；257(1-2).24-40.doi:10.1016/j.heares.2009.07.011.epub2009aug 6.pmid:19647789；thomas me,lane cp,chaudron ymj,cisneros-franco jm,devillers-sidani e.modifying the adult rat tonotopic map with sound exposureproduces frequency discrimination deficits that are recovered with training(用声音暴露修改成年鼠拓扑图会产生频率辨别缺陷，这些缺陷可以通过训练恢复),jneurosci.2020mar 11；40(11):2259-2268,doi:10.1523/jneurosci.1445-19.2019.epub2020feb 5.pmid:32024780；pmcid:pmc7083285)，特别是在有背景噪音的情况下，即使是在其年龄内听力正常的老年人，也是如此。这种恶化可能是由于越来越无力区分和处理声学线索，这些声学线索标志语音的快速变化的元素，如允许区分例如/ba/和/da/的辅音中的语音转换。虽然有些人假设外毛细胞的丧失或听觉神经纤维的减少会导致影响语音辨别的时间精度的丧失，但这些影响已被证明与外毛细胞功能的减少相对独立(anderson等人，2021)。相反，许多研究表明，是与年龄有关的神经同步性的退化(即时间抖动)损害了听觉系统在听觉皮层内对传入的声音刺激产生精确表示的能力，并且很可能导致老年人语音感知困难(anderson等人,2021；anderson&karawani,2020；goossens t,vercammen c,wouters j,van wieringen a.aging affects neural synchronization to speech-related acoustic modulations(老龄化影响针对语音相关的声学调制的神经同步性),front aging neurosci.doi:10.3389/fnagi.2016.00133.pmid:27378906；pmcid:pmc4908923；luo,j.,macias,s.,ness,t.v.,einevoll,g.t.,zhang,k.,moss,c.f.,2018.neural timing of stimulus events with microsecond precision(具有微秒级精度的刺激事件的神经时序),plos biol.16,e2006422.https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2006422)。

6、此外，最近一项全面的文献综述得出结论，有客观证据表明老年人的时间处理能力下降，多项研究使用多种技术(包括测量听觉脑干反应、听觉稳态反应、频率跟随(声音包络)反应、皮层听觉诱发电位和连续语音的神经追踪)表明时间分辨率下降(anderson&karawani,2020)。事实上，在老年听者中，听觉皮层的反应的特点是明显更宽的调谐(这里的调谐是指从特定神经元引起反应所需的幅度和频率)，并失去了允许精确跟踪时间速率信息的时间选择性(erb j,schmitt lm,obleser j.temporal selectivity declines inthe aging human auditory cortex(老龄化的人类听觉皮层的时间选择性下降),elife.2020jul 3；9:e55300.doi:10.7554/eufe.55300.pmid:32618270；pmcid:pmc7410487)。因此，年龄的增长与对语音感知至关重要的准确时间速率调谐的减少之间有直接关系，这种影响与听觉敏锐度的下降无关(erb等人，2020；kamal b,holman c,devillers-sidani e.shaping the aging brain:role of auditory input patterns inthe emergence of auditory cortical impairments(对老龄化大脑的塑造：听觉输入模式在听觉皮层损伤的出现方面的作用).front syst neurosci.2013sep 17,7:52.doi:10.3389/fnsys.2013.00052.pmid:24062649；pmcid:pmc3775538)。

7、也有证据表明，虽然相对年轻大脑的水平有所降低，但老龄化大脑的可塑性足以使其容易地变得更宽地调谐，从而在暴露于非最佳环境时(如上所述)的声音处理效率变低，暴露于非最佳环境包括持续暴露于无信息的声音(例如，norena aj，gourevitch b，aizawa n，eggermont jj.spectrally enhanced acoustic environment disruptsfrequency representation in cat auditory cortex(频谱增强的声学环境破坏了猫听觉皮层中的频率表示),nat neurosci.2006jul；9(7):932-9.doi:10.1038/nn1720.epub2006jun 18.erratum in:nat neurosci.2006sep；9(9):1193.gourevich,boris[更正为gourevitch,boris]pmid:16783369；pienkowski&eggermont,2009)或者持续暴露于破坏性的声音(zhou x,merzenich mm.environmental noise exposure degrades normallistening processes(环境噪音暴露使正常的听力过程退化),nat commun.2012may 15；3:843.doi:10.1038/ncomms1849.pmid:22588305；kamal et al.,2013)。然而，这种可塑性也可以在另一个方向发挥作用，使老龄化的大脑对细化和重新调谐声学映射的训练变得敏感和快速响应(bao等人,2003；benasich等人,2014；de villers-sidani e,merzenichmm.lifelong plasticity in the rat auditory cortex:basic mechanisms and roleof sensory experience(鼠听觉皮层的终生可塑性：感觉体验的基本机制和作用),progbrain res.2011；191:119-31.doi:10.1016/b978-0-444-53752-2.00009-6.pmid:21741548；thomas et al.2020)。

8、此外，lahav和skoe已经记录了新生儿重症监护室("nicu")中的婴儿面临的听觉处理发育的负面影响，这些监护室的特点是高频("hf")、环境嘈杂。根据他们两人的说法，“在关键时期过度暴露于高频噪音，会破坏听觉皮层回路的功能性组织。因此，......滤除噪音并提取声学信息的能力......可能受到损害，导致各种听觉、语言和注意力障碍的风险增加”(lahav和skoe，2014)。在其他文献中，chang和merzenich(chang ef&merzenich mm(2003),environmental noise retards auditory cortical development(环境噪音延缓了听觉皮层的发育),science,300:5618:498-502.doi:10.1126/science.1082163)表明，在连续的中等水平噪音环境中饲养的鼠在反应选择性的改善方面的延迟远远超过正常基准，表明了这种影响是“由于缺乏显著模式化时空输入的指导性”。

9、鉴于支持性声学环境对最佳听觉和语言处理的发育和维持的重要性，在睡眠或清醒时，暴露于适当的结构化声音流以取代(同时仍提供相同目的)例如白噪音等不太有利的声音流，或增强和提高对最佳大脑发育本质上不太支持的模式化声音环境(例如，连续的电视输入或高水平的背景噪音)，对婴儿甚至成年人来说都是有益的。

技术实现思路

1、为了减轻暴露于“白噪音”和高频噪音环境对婴儿语言发育的潜在负面影响以及由此导致的婴儿和成年人初级听觉皮层的功能性组织的潜在退化，或为语言处理能力的发育和维持提供支持环境，本发明提供了一种用于构建和/或使用显著模式化的时空输入的方法、装置和系统，该时空输入支持对高效语言处理至关重要的神经互连的发育和维持，这可用于替换或屏蔽白噪音或hf噪音和/或补充其他不太有益的声音环境。

2、本发明提供了一种声学环境，在睡眠或醒来时，它是使人舒缓的，但也是被专门构建用来对发育中的大脑进行调谐，以检测和注意关键的几十毫秒的声音转换，这将在以后帮助儿童识别作为语言的声音，从而提高儿童此后适当地映射他/她的母语的声音的能力。本发明生成的声学环境对成年人也有好处，特别是对随着年龄增长、对高频率的敏感度下降、并且必须继续应对声音转换以进行高效语言处理的成年人。在优选的实施例中，本发明可以包括在音频输出设备上播放的录音、软件程序或数字音频流，音频输出设备包括诸如智能扬声器、便携式音响设备如“安抚器”、手机、平板电脑或计算机(带耳机或不带耳机)等产品，上述产品中的结构化的混合频率载波声音包络(“载波包络”)在指定的时间间隔内播放，在此期间结构化的音频模式(“听觉序列”)被分层到载波包络中，以生成组合声音流，该组合声音流提高了发育中的大脑对可能是语言的声音线索的注意力。结构化的听觉序列包括“标准的”重复声音和相对不频繁出现的(一个或多个)“新颖”声音，“新颖”声音在频率、持续时间、调制和/或模式上偏离于标准声音；标准声音和新颖声音在听觉流中的伪随机时间间隔处呈现，然后整个序列被分层到载波包络中(见图3)。当在睡眠或清醒时应用时，本发明作为一个被动的声音增强环境。暴露于这种丰富的且不可预测的变化的声学环境，对儿童正在发育的大脑和正在进行的语言发育特别有利，并且还支持和维持儿童和成年人(包括老年人)的基于音位的语言处理能力。