在子宫内，胎儿在怀孕20周左右就可以开始听到一些声音。然而，由于羊水和周围组织的消声作用，他们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，而且可能是必要的。通过使用人类听觉处理的简单计算机模型，研究人员发现，当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。

该团队早些时候的一项研究表明，早期接触模糊的面孔可以提高计算机模型随后识别面孔的泛化能力。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的某些方面的关键。

思维而不是低质量的输入限制,生物学是强加在我们身上,这项工作需要的角度来看,也许自然是聪明,给我们发展的动力机制,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,”麻省理工学院大脑和认知科学系视觉和计算神经科学教授帕万·辛哈说，他领导了这个研究小组。

在新的研究中,研究人员表明,揭露人类听觉系统的计算模型来全面的频率从一开始就导致了糟糕的泛化性能通过更长时间的任务,需要吸收信息——例如,识别情绪从一个声音剪辑。研究人员说，从应用的角度来看，研究结果表明，早产儿接触低频声音可能比他们现在在新生儿重症监护室听到的全频谱声音更有益。

Marin Vogelsang和Lukas Vogelsang目前都是洛桑EpFL的学生，他们是这项发表在《发展科学》杂志上的研究的主要作者。西德尼·戴蒙德(Sidney Diamond)是一名退休的神经学家，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，辛哈和他的同事开始对低质量的感官输入如何影响大脑的后续发育产生兴趣。这个问题出现的部分原因是，研究人员有机会见到并研究了一名出生就患有白内障的小男孩，直到四岁才摘除白内障。

这个出生在中国的男孩后来被一个美国家庭收养，10岁时被送到辛哈的实验室。研究表明，他的视力几乎正常，只有一个明显的例外:他在识别人脸方面表现非常差。其他一些关于先天失明儿童的研究也显示，在他们的视力恢复后，他们在面部识别方面存在缺陷。

研究人员推测，这种损伤可能是由于错过了婴儿和幼儿通常接收到的一些低质量的视觉输入。当婴儿出生时，他们的视力很差，大约是20/800，是正常20/20视力的1/40。部分原因是新生儿视网膜中感光细胞的堆积密度较低。随着婴儿的成长，这些感受器变得更加密集，视力也会提高。

“我们提出的理论是，视觉模糊或退化的最初阶段非常重要。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，然后给它清晰的输入，要么从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了优越的泛化性能。此外，神经网络的感受野——它们覆盖的视觉区域的大小——比从一开始就以清晰的输入为训练对象的模型的感受野要大。

在这项研究于2018年发表后，研究人员想要探索这种现象是否也会出现在其他类型的感觉系统中。在听觉方面，发育的时间略有不同，因为足月婴儿出生时在各个音域的听力几乎都是正常的。然而，在胎儿时期，当听觉系统还在发育时，婴儿在子宫里就暴露在低质量的声音中。

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，让它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。当模型学习任务时，研究人员给他们四种不同类型的听觉输入:仅低频、仅全频、低频后全频、全频后低频。

低频率和全频率最接近于发育中的婴儿所接触的情景，研究人员发现，接触这种情景的计算机模型在情绪识别任务中表现出最普遍的表现。这些模型也产生了更大的时间感受野，这意味着它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，在发育早期降低输入实际上促进了以后生活中更好的感觉整合能力。

Lukas Vogelsang说:“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特性，而不是一个bug。”

早产的影响

其他实验室之前的研究发现，早产儿在处理低频声音时确实表现出缺陷。在以后的生活中，他们在情感分类测试中的表现比足月婴儿差。麻省理工学院研究小组的计算发现表明，这些缺陷可能是由于失去了一些低质量的感官输入，它们通常会在子宫里接受。

“如果你从一开始就提供全频率的输入，那么你就失去了大脑试图发现长期或扩展的时间结构的动力。它可以通过当地的时间结构，”辛哈说。“这大概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，出生后让他们主要接触低频声音可能是有益的，这样可以模仿他们错过的子宫环境。

该研究小组现在正在探索其他领域，在这些领域，这种退化的输入可能有利于大脑发育。这些包括视觉方面，如颜色感知，以及定性不同的领域，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，这与最初的退化是适应发展目的的想法是一致的。”“我觉得这项工作说明了科学给我们带来的令人满意的惊喜。我们没有想到，从我们对先天失明儿童的研究中萌发出来的想法，会对我们对面试的思考产生很大影响。但是，事实上，这两个领域之间似乎有一个美丽的概念共性。也许这个共同的线索甚至超越了这两种感觉模式。很明显，有许多令人兴奋的研究问题摆在我们面前。”