Невероятно подробная карта мозга показывает активность нейронов, кодирующих язык

«Подслушивая» активность мозга, ученые создали самую высокодетализированную на сегодняшний день карту нейронов, кодирующих значение различных слов. Результаты показывают, что у разных людей мозг использует одни и те же стандартные категории для категоризации слов, помогая нам преобразовывать звуки в значения.

«Это исследование основано только на английских словах. Но это большой шаг вперед в понимании 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 разные слова, мы можем попытаться начать создавать тезаурус того, что слова означают для мозга».

Семантическая карта

В мозге есть область, называемая слуховой корой, которая отвечает за обработку звука слова, поступающего в ухо человека. Но именно префронтальная кора — область, где происходит высшая мозговая активность — обрабатывает «семантическое значение» слова — его суть или суть.

В некоторых предыдущих экспериментах этот процесс изучался путем анализа изображений кровотока в мозге, которые являются мерой мозговой активности. Подобные методы позволяют исследователям сопоставлять значения слов с небольшими областями мозга.

Однако Уильямс и его коллеги нашли уникальную возможность посмотреть, как отдельные нейроны кодируют язык в режиме реального времени. Его команда набрала десять добровольцев, которым предстояла операция по удалению эпилепсии, и каждому из них в мозг были имплантированы электроды для определения источника припадков. Электроды позволили команде зарегистрировать активность около 300 нейронов в префронтальной коре каждого добровольца.

Пока добровольцы прослушивали короткие предложения, содержавшие в общей сложности около 450 слов, ученые записывали подробную информацию о том, какие нейроны были активны и когда. Уильямс обнаружил, что для каждого слова активизировались около двух или трех отдельных нейронов, хотя команда зарегистрировала активность лишь небольшой части из миллиардов нейронов префронтальной коры. Затем исследователи рассмотрели сходство между словами, вызывающими одинаковую нейронную активность.

Мультипотентный нейрон

Существуют слова, на которые реагирует одна и та же группа нейронов, принадлежащие к схожим категориям, например, слова, обозначающие действия или связанные с человеком. Команда также обнаружила, что слова, которые мозг может ассоциировать друг с другом, например, «утка» и «яйцо», активируют некоторые из одних и тех же нейронов. Слова со схожим значением, такие как «мышь» и «крыса», вызывают более схожие модели нейронной активности, чем те, которые вызываются словами «мышь» и «морковь». Другие группы нейронов реагируют на слова, содержащие более абстрактные понятия, такие как слова «выше» и «позади».

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

Чтение мыслей

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