Niesamowicie szczegółowa mapa mózgu pokazuje aktywność neuronów kodujących język

Dzięki „podsłuchiwaniu” aktywności mózgu naukowcy stworzyli mapę o najwyższej jak dotąd rozdzielczości przedstawiającą neurony kodujące znaczenie różnych słów. Wyniki sugerują, że mózg każdej osoby stosuje te same standardowe kategorie do klasyfikowania słów, co pomaga nam przekształcać dźwięki w znaczenia.

„To badanie opiera się wyłącznie na angielskich słowach. Ale to duży krok naprzód w zrozumieniu, jak mózg przechowuje słowa w swojej bibliotece językowej” – powiedział neurochirurg Ziv Williams z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge. „Mapując nakładające się zestawy komórek mózgowych, które reagują na różne słowa, możemy spróbować zbudować słownik synonimów tego, co słowa oznaczają dla mózgu”.

Mapa semantyczna

W mózgu znajduje się obszar zwany korą słuchową, który odpowiada za przetwarzanie dźwięku słowa docierającego do ucha człowieka. Jednak to kora przedczołowa, obszar, w którym zachodzi wyższa aktywność mózgu, przetwarza „znaczenie semantyczne” słowa – istotę lub istotę słowa.

W ramach wcześniejszych eksperymentów badano ten proces poprzez analizę obrazów przepływu krwi w mózgu, co stanowi miarę aktywności mózgu. Takie metody pozwalają badaczom na mapowanie znaczeń słów na małe obszary mózgu.

Jednak Williams i jego współpracownicy znaleźli wyjątkową okazję do przyjrzenia się, w jaki sposób poszczególne neurony kodują język w czasie rzeczywistym. Jego zespół zrekrutował dziesięciu ochotników, którzy mieli przejść operację leczenia padaczki. Każdemu z nich wszczepiono do mózgu elektrody, które miały zidentyfikować źródło napadów. Elektrody pozwoliły zespołowi zarejestrować aktywność około 300 neuronów w korze przedczołowej każdego ochotnika.

Kiedy wolontariusze słuchali krótkich zdań składających się łącznie z około 450 słów, naukowcy rejestrowali szczegółowe informacje na temat tego, które neurony były aktywne i kiedy. Williams odkrył, że przy każdym słowie aktywowały się dwa lub trzy oddzielne neurony, chociaż zespół zanotował aktywność jedynie niewielkiej części spośród miliardów neuronów kory przedczołowej. Następnie naukowcy przyjrzeli się podobieństwom między słowami, które uruchamiały tę samą aktywność neuronalną.

Neuron wielopotencjalny

Istnieją słowa, na które reaguje ta sama grupa neuronów i które należą do podobnych kategorii, na przykład słowa oznaczające działanie lub słowa związane z człowiekiem. Zespół badawczy odkrył również, że słowa, które mózg potrafi ze sobą skojarzyć, takie jak „kaczka” i „jajko”, aktywowały niektóre z tych samych neuronów. Słowa o podobnym znaczeniu, takie jak „mysz” i „szczur”, uruchamiają więcej podobnych wzorców aktywności neuronalnej niż słowa uruchamiane przez „mysz” i „marchewka”. Inne grupy neuronów reagują na słowa zawierające bardziej abstrakcyjne koncepcje, takie jak słowa „powyżej” i „za”.

Zatem kategorie, jakie mózg przypisywał słowom, były podobne u wszystkich uczestników, co sugeruje, że ludzki mózg jest w stanie syntetyzować grupy znaczeniowe w ten sam sposób. Neurony kory przedczołowej nie rozróżniają słów na podstawie dźwięku, lecz wyłącznie na podstawie ich znaczenia. Na przykład, gdy ktoś usłyszy w zdaniu słowo „syn”, na myśl przyjdą mu słowa odnoszące się do członków rodziny. Jednak neurony te nie zareagowały na słowo „słońce” w tym samym zdaniu, mimo że słowa te zostały wymówione niemal identycznie.

Czytanie w myślach

W pewnym stopniu naukowcy są w stanie ustalić, co słyszą ludzie, obserwując aktywność ich neuronów. Chociaż nie potrafią odtworzyć zdań dokładnie, potrafią na przykład stwierdzić, że zdanie zawiera nazwę zwierzęcia, czynność i rodzaj pożywienia (w tej kolejności). Naukowcom udało się zidentyfikować nie tylko neurony odpowiadające za słowa i ich rodzaje, ale także kolejność, w jakiej były wypowiadane. Naturalne tempo mówienia będzie miało kluczowe znaczenie dla rozwoju przyszłych urządzeń łączących mózg z komputerem, które mogłyby przywrócić mowę osobom niepełnosprawnym.