3D 大脑图展示了我们如何理解语言

研究人员创建了一个独特的意义图谱
A 3D view of a person's cerebral cortex.
Alexander Huth

每天,当我们与朋友、家人和同事交谈,收听播客、观看电影和其他媒体时,我们不断地被口头语言轰炸。然而,不知何故,我们的大脑能够拼凑出这些话语的意义,使我们大多数时候能够顺利地过日子,理解、记忆并在必要时做出回应。

但是,我们的大脑中发生了什么才能让我们理解这源源不断的语言流呢?一群科学家着手绘制大脑如何逐字逐句地表征口头语言的意义。他们今天在《自然》杂志上发表的成果,不仅代表了首个此类目录或“语义图谱”,用于展示语言的意义在大脑中如何被分组,而且还表明我们使用大脑的广泛区域,这挑战了语言仅限于少数大脑区域并且仅涉及左半球的信念。

词语意义,也称为语义学,侧重于词语和短语与它们的意思、它们的内涵之间的关系。例如,“购买”、“销售”、“商品”、“商店”、“卡”和“包裹”这些词都有共同之处——你用借记卡去商店购买一件商品。为了理解大脑中的语义学,以前的研究使用了单个词语或短语来观察发生了什么。

但加州大学伯克利分校的神经科学家 Jack Gallant 和他的同事们,包括主要作者 Alex Huth,想知道我们的大脑如何描绘出一个更自然的叙事故事。他们让七名参与者收听了几个小时的《Moth Radio Hour》,这是一个讲故事节目。他们将每位参与者连接到 fMRI 机器——该机器测量由于大脑神经元活动引起的血流量和体积的变化——以便他们能够确切地看到大脑的哪些区域在何时被激活。

之后,他们使用叙述的文字稿和 fMRI 扫描来首先了解哪些词语对应于大脑被激活的区域,其次,创建一个模型,根据 người 听到的词语预测大脑活动。

一个关于我们如何理解语言的交互式模型

通过统计模型的帮助,汇集所有七名参与者的信息,研究人员创建了一个大脑图谱,这是一个 3D 大脑模型,显示了所有参与者同时被激活的大脑区域。他们还创建了一个交互式版本的图谱。该交互式版本可以在此处找到。

People were scanned using functional magnetic resonance imaging (fMRI) while they listened to hours of stories from The Moth Radio Hour.
参与者收听了数小时的口头语言,同时科学家使用 fMRI 扫描仪扫描他们的大脑。利用计算机算法,他们创建了一个大脑对不同词语类别反应的图谱。Alexander Huth

该模型告诉我们关于语言的什么?

研究人员发现,词语意义分布在大脑皮层,分布在 100 个不同的区域,横跨两个半球。纵观所有参与者的扫描,他们发现大脑的某些区域与某些词语意义相关。例如,听到关于人的语言倾向于激活大脑的一个区域,关于地方的语言激活另一个区域,关于数字的语言激活第三个区域——这展示了大脑处理语言不同组成部分的根本组织原则。

虽然个体之间的结果非常相似,但这并不意味着研究人员已经创建了一个明确的语言图谱。首先,该研究只考察了七名参与者,他们都来自同一个地区,并且都说英语。它也只使用了一种输入源:一系列口头、引人入胜的叙事故事。研究人员渴望了解经验、母语和文化等因素将如何改变这张图谱。

此外,Gallant 说,他们认为如果环境改变或一个人处于不同的精神状态,这张图谱也会改变:如果一个人阅读故事而不是听,或者不是听一个引人入胜的故事,而是处于为考试而枯燥死记硬背的状态。

Gallant 说,这些情况很可能会改变这张图谱,他计划在未来的研究中进一步了解。

这张图谱将如何提供帮助?

Gallant 说,许多脑部疾病和损伤会影响大脑中的语言区域。这张图谱可以作为我们理解脑损伤(如中风)或语言障碍(如阅读障碍或自闭症等社交语言障碍)影响下的语言区域如何变化或有何不同的基础。

目前,Gallant 说,这项研究有助于表明不仅仅是脑解剖结构的重要性,还有解剖结构背后的生理学或功能。“在神经科学领域,我们对大脑的解剖结构了解很多,甚至能细到单个突触,但我们真正想了解的是功能。”他说,这两者的结合是真正理解大脑的关键。

通过更多的研究,这个想法可以被用作一种解码机制:fMRI 数据图谱可以用来“读取”一个人正在阅读、听到或思考的词语,这可以帮助患有肌萎缩侧索硬化症等沟通障碍的人更好地交流。

 

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曾任《Popular Science》杂志的科学编辑。她对脑科学、微生物组和人体生理学特别感兴趣。除了《Popular Science》之外,她的作品还发表在《纽约时报》、《科学美国人》以及《Scholastic’s Science World》和《Super Science》杂志等刊物上。她拥有加州大学戴维斯分校神经生物学学士学位,以及纽约大学科学、健康和环境报道项目的科学新闻学硕士学位。


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