人類可以從語(yǔ)言中提取豐富而微妙的含義，這種能力對(duì)于人類交流來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。然而，盡管人們對(duì)支持語(yǔ)言和語(yǔ)義處理的大腦區(qū)域的了解不斷加深，但在細(xì)胞水平上的神經(jīng)語(yǔ)義推導(dǎo)仍然存在很多未知。

最近，一篇發(fā)表在《自然》雜志上的研究論文，通過(guò)跟蹤神經(jīng)元在自然語(yǔ)音處理過(guò)程中的活動(dòng)，該研究發(fā)現(xiàn)了單個(gè)神經(jīng)元對(duì)語(yǔ)義信息的精細(xì)皮層表征。論文題為《Semantic encoding during language comprehension at single-cell resolution》。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07643-2

該研究創(chuàng)建了迄今為止分辨率最高的神經(jīng)元圖（map），這些神經(jīng)元負(fù)責(zé)編碼各種單詞的含義。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)參與者聆聽(tīng)語(yǔ)義不同的句子和故事時(shí)，該研究記錄左側(cè)語(yǔ)言主導(dǎo)的前額葉皮層的單細(xì)胞活動(dòng)。結(jié)果表明，在個(gè)體之間，大腦使用相同的標(biāo)準(zhǔn)類別來(lái)對(duì)單詞進(jìn)行分類 —— 幫助我們將聲音轉(zhuǎn)化為意義。

這些神經(jīng)元選擇性地響應(yīng)特定的單詞含義，并可靠地區(qū)分單詞和非單詞。此外，它們的活動(dòng)不是將單詞作為固定的記憶表征來(lái)響應(yīng)，而是高度動(dòng)態(tài)的，根據(jù)其特定的句子上下文反映單詞的含義，并且獨(dú)立于其語(yǔ)音形式。

總的來(lái)說(shuō)，該研究展示了這些細(xì)胞群如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)在語(yǔ)音過(guò)程中實(shí)時(shí)聽(tīng)到的單詞的廣泛語(yǔ)義類別，以及如何跟蹤它們出現(xiàn)的句子。該研究還展示了如何編碼這些意義表征的層次結(jié)構(gòu)以及這些表征如何映射到細(xì)胞群上。這些發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)元尺度，揭示了人類語(yǔ)義表征的精細(xì)皮層組織，并開(kāi)始闡明語(yǔ)言理解過(guò)程中細(xì)胞水平的意義處理。

一個(gè)神經(jīng)元負(fù)責(zé)一切

同一組神經(jīng)元對(duì)哪些詞作出反應(yīng)，這些詞屬于相似的類別，例如動(dòng)作或與人相關(guān)的詞。研究小組還發(fā)現(xiàn)，大腦可能會(huì)把一些單詞相互關(guān)聯(lián)，例如「鴨子」和「蛋」，這些信息會(huì)觸發(fā)一些相同的神經(jīng)元。具有相似含義的詞，例如「老鼠」和「大鼠」，觸發(fā)的神經(jīng)元活動(dòng)模式比「老鼠」和「胡蘿卜」觸發(fā)的模式更相似。其他神經(jīng)元組對(duì)與更抽象的概念相關(guān)的詞作出反應(yīng)：例如，關(guān)系詞，例如「上面」和「后面」。

大腦分配給單詞的類別在參與者之間是相似的，這表明人類大腦都在以相同的方式對(duì)含義進(jìn)行分組，Williams 表示。

前額葉皮層神經(jīng)元不會(huì)根據(jù)單詞的聲音來(lái)區(qū)分單詞，而是只會(huì)根據(jù)單詞的含義來(lái)區(qū)分單詞。例如，當(dāng)一個(gè)人在句子中聽(tīng)到「Son」這個(gè)詞時(shí)，與家庭成員相關(guān)的位置就會(huì)被點(diǎn)亮。而盡管發(fā)音相同，這些神經(jīng)元對(duì)句子中的「Sun」并沒(méi)有起反應(yīng)。

讀心術(shù)

這種理論建立之后，在一定程度上，研究人員能夠通過(guò)觀察人們的神經(jīng)元放電來(lái)確定他們聽(tīng)到了什么。雖然他們無(wú)法重現(xiàn)確切的句子，但已經(jīng)可以進(jìn)行判斷。例如，一個(gè)句子包含動(dòng)物、動(dòng)作和食物，順序依次為動(dòng)物、動(dòng)作和食物。

「獲得這種程度的細(xì)節(jié)，并一窺單個(gè)神經(jīng)元層面發(fā)生的事情非常令人興奮，」加州大學(xué)圣地亞哥分校工程師、腦機(jī)接口公司 Paradromics 首席科學(xué)官 Vikash Gilja 說(shuō)道。令他印象深刻的是，研究人員不僅可以確定與單詞及其類別相對(duì)應(yīng)的神經(jīng)元，還可以確定說(shuō)話的順序。

Gilja 表示，從神經(jīng)元記錄信息，要比使用以往的成像方法要快得多。理解語(yǔ)言的自然速度對(duì)于未來(lái)開(kāi)發(fā)腦機(jī)接口設(shè)備的工作非常重要，新類型的設(shè)備可以為失去說(shuō)話能力的人恢復(fù)說(shuō)話能力。