Исследователи раскрыли, что нейроны обрабатывают речь с разной скоростью
Понимание того, как мозг обрабатывает речь и язык, интересует учёных уже много лет. Хотя предыдущие исследования давали некоторые ответы, ключевые механизмы оставались неясными. Недавно учёные из Массачусетского технологического института (MIT) выяснили, как нейроны обрабатывают языковые сигналы в течение разных временных интервалов. Этот прорыв может привести к усовершенствованию искусственного интеллекта и методов лечения нарушений речи.
Нейроучёные MIT обнаружили, что нейроны мозга работают с разной скоростью для эффективной обработки языка и речи. Исследование, опубликованное в журнале Nature Human Behavior, было проведено под руководством профессора Массачусетского технологического института Эвелины Федоренко и при участии постдокторанта Тамары Регев и аспиранта Гарварда Колтона Касто.
Революционный метод изучения мозговой активности, разработанный в MIT
Чтобы собрать подробные данные о работе мозга, в MIT использовали более точный метод, чем фМРТ. Хотя фМРТ широко распространена, она не отслеживает отдельные нейроны в режиме реального времени. Вместо этого она собирает данные с больших групп, что ограничивает её возможности по выявлению конкретных функций мозга.
В данном эксперименте учёные использовали прямые электрические записи головного мозга. В исследовании принимали участие пациенты, перенесшие операцию в связи с тяжёлыми неврологическими заболеваниями, такими как эпилепсия. Учёные отслеживали электрическую активность нейронов у этих пациентов, подвергая их воздействию различных речевых сигналов. Среди них были полные предложения, списки слов и бессмысленные фразы, такие как слова вроде «бармаглот».
Используя этот метод, исследователи наблюдали, как нейроны обрабатывают язык и речь в режиме реального времени. Позже они расширили анализ, включив в него ещё 16 пациентов, что еще больше подтвердило их выводы.
От предыдущих исследований к новым открытиям
Ранние исследования в области обработки речи в значительной степени опирались на фМРТ, которая выявляла области мозга, участвующие в работе с речью и языком. Однако эта технология не могла отразить детали на уровне нейронов. Даже ранние работы Федоренко были ограничены широкой направленностью фМРТ, предполагавшей, что большие области мозга работают одинаково при выполнении лингвистических задач.
Новое исследование изменило это мнение. Непосредственно измеряя активность нейронов, команда выявила, как различные кластеры нейронов обрабатывают слова разными способами. Это значительное достижение, раскрывающее детали, которые ранее были неизвестны.
Принципиально новые знания в области обработки языка и речи
Исследование продемонстрировало несколько важных результатов:
- Нейроны обрабатывают язык в разных временных интервалах, также известных как «временные окна». Некоторые нейроны реагируют на язык и речь на очень коротком временном интервале (миллисекунды), а другие — на более длительном (секунды). Эти «окна» позволяют нейронам фокусироваться на отдельных словах или интерпретировать несколько слов, в зависимости от сложности входного сигнала.
- Короткие и длинные временные шкалы: Нейроны, обрабатывающие язык в короткие промежутки времени, участвуют в распознавании немедленных, быстрых изменений в языке, таких как отдельные звуки или слова. Нейроны, работающие на более длительных временных шкалах, занимаются более сложными аспектами, такими как понимание предложений или общего смысла, а также анализируют связи между словами. Некоторые нейроны сосредоточены на немедленном распознавании слов, в то время как другие интерпретируют более крупные лингвистические структуры.
- Значение для обработки языковой информации: Полученные данные свидетельствуют о том, что мозг использует разнообразный набор нейронов для обработки различных аспектов языка и речи. Это подчёркивает сложность того, как мы понимаем и генерируем слова и предложения.
Использование прямых электрических записей в MIT позволило получить более чёткое представление, чем фМРТ. Этот метод помог учёным наблюдать за поведением нейронов, которое ранее было невозможно обнаружить.
Команда выделила три различные группы нейронов, каждая из которых опирается на свои временные окна. Эти группы обрабатывают язык и речь на разных уровнях. Одни нейроны реагировали на отдельные слова, другие — на группы из четырёх слов, а третья группа интерпретировала до шести слов одновременно. Такая структура помогает мозгу эффективно обрабатывать как простые, так и сложные языковые сигналы.
Кроме того, исследование показало, что нейроны с более короткими временными окнами в основном располагались в задней части височной доли. Нейроны с более длинными окнами были более равномерно распределены по височным и лобным долям. Это говорит о том, что разные области мозга специализируются на обработке различных уровней языковой сложности.
Наконец, исследование подтвердило, что «языковая сеть» мозга чувствительна к связям между словами, то есть разные кластеры нейронов выполняют разные задачи. Это позволяет мозгу понимать как отдельные слова, так и их роль в предложениях, даже в сложном или незнакомом языке.
Новые возможности для ИИ, здравоохранения и образования
Это исследование открывает широкие возможности в различных сферах. Например, в области искусственного интеллекта полученные результаты могут улучшить системы обработки естественного языка. Модели искусственного интеллекта могут повторить то, как человеческий мозг обрабатывает язык на разных уровнях, что сделает распознавание и понимание речи более точным.
В здравоохранении эти знания могут привести к улучшению лечения таких нарушений речи, как афазия. Нацеливание на конкретные нейронные кластеры может помочь учёным разработать терапию, которая улучшит коммуникацию у людей с расстройствами речи.
Это исследование также вносит вклад в более широкие исследования в области нейронаук. Понимание того, как нейроны обрабатывают речь и язык, дает учёным представление о других функциях мозга, таких как память и внимание. Эти знания могут привести к появлению новых методов лечения когнитивных расстройств и заболеваний мозга.
В сфере образования полученные результаты могут улучшить стратегии обучения. Преподаватели могут использовать эти знания для разработки методик, которые согласуются с тем, как мозг обрабатывает речевую информацию, особенно для учащихся, испытывающих трудности с чтением или речью.
Развитие нашего понимания мозга
Исследование Массачусетского технологического института позволяет по-новому взглянуть на то, как наш мозг справляется со сложностями работы с речью и языком. Выявив кластеры нейронов, которые обрабатывают язык с разной скоростью, исследователи приоткрыли дверь к прорыву в таких областях, как искусственный интеллект, образование и здравоохранение. В ходе будущих исследований, основанных на этих результатах, мы можем вскоре увидеть инновационные способы улучшения изучения языка, лечения речевых расстройств и создания более совершенных систем искусственного интеллекта.
