Чрезвычайно подробная карта мозга показывает активность нейронов, кодирующих язык

Результаты показывают, что у разных людей мозг использует одни и те же стандартные категории для классификации слов, помогая нам преобразовывать звуки в значения.

«Это исследование основано только на словах английского языка. Но это большой шаг вперед в выяснении того, как мозг хранит слова в своей языковой библиотеке», — сказал нейрохирург Зив Уильямс из Массачусетского технологического института в Кембридже. «Картографируя перекрывающиеся наборы мозговых клеток, которые реагируют на множество разных слов, мы можем попытаться начать создавать тезаурус того, что слова означают для мозга».

Семантическая карта

Есть область мозга, называемая слуховой корой, которая специализируется на обработке звука слова, когда оно попадает в человеческое ухо. Но именно префронтальная кора, область, где происходит высшая мозговая активность, обрабатывает «семантическое значение» слова — суть или суть слова.

Несколько предыдущих экспериментов изучали этот процесс, анализируя изображения кровотока в мозге, что является мерой мозговой активности. Такой метод позволяет исследователям сопоставлять значение слов с небольшими областями мозга.

Однако Уильямс и его коллеги нашли уникальную возможность посмотреть, как отдельные нейроны кодируют язык в реальном времени. Его команда набрала десять добровольцев, готовящихся к операции по лечению эпилепсии, каждому из которых в мозг были имплантированы электроды для определения источника их припадков. Электроды позволили исследовательской группе записать активность около 300 нейронов в префронтальной коре каждого добровольца.

Когда добровольцы слушали короткие предложения, содержащие в общей сложности около 450 слов, ученые записывали информацию о том, какие нейроны были активны и когда. Уильямс обнаружил, что около двух или трех отдельных нейронов активизировались для каждого слова, хотя команда зафиксировала активность только крошечной части миллиардов нейронов в лобной коре. лоб. Затем исследователи рассмотрели сходство между словами, которые вызывали одну и ту же нейронную активность.

Мультипотентная нервная клетка

Есть слова, на которые реагирует одна и та же группа нейронов, которые попадают в схожие категории, например, действия или слова, связанные с людьми. Команда также обнаружила, что слова, которые мозг может ассоциировать друг с другом, например, «утка» и «яйцо», активируют некоторые из тех же нейронов. Слова со схожим значением, например, «мышь» и «крыса», активируют более схожие паттерны нейронной активности, чем те, которые активируются «мышью» и «морковкой». Другие группы нейронов реагируют на слова, связанные с более абстрактными понятиями, например, слова «выше» и «позади».

Таким образом, категории, которые мозг приписывал словам, были схожи у всех участников, что говорит о том, что человеческий мозг способен синтезировать группы значений одинаковым образом. Нейроны префронтальной коры различают слова не по звучанию, а только по их значению. Например, когда человек слышит слово «сын» в предложении, загораются слова, связанные с членами семьи. Но эти нейроны не отреагировали на слово «Солнце» в том же предложении, хотя слова имели почти одинаковое произношение.

Читать мысли

В некоторой степени исследователи могут определить, что слышат люди, наблюдая за тем, как активизируются их нейроны. Хотя они не могут точно воспроизвести предложения, они могут, например, знать, что предложение содержит животное, действие и тип пищи, именно в таком порядке. Исследователи смогли идентифицировать не только нейроны, соответствующие словам и их типу, но и порядок, в котором они были произнесены. Язык с естественной скоростью будет важен для разработки будущих устройств интерфейса мозг-компьютер, которые восстанавливают речь у людей с ограниченными возможностями.

Изабелла Хамфри

Обновление 10 июля 2024 г.