Cercetătorii urmăresc neuronii individuali pe măsură ce răspund la cuvinte

formularea meditativă –

Atunci când procesează limbajul, neuronii individuali răspund la cuvinte cu semnificații similare.

„Limba este un domeniu imens, iar noi suntem începători în asta. Știm multe despre modul în care diferite zone ale creierului sunt implicate în sarcinile lingvistice, dar detaliile nu sunt foarte clare”, spune Mohsen Jamali, cercetător în neuroștiință computațională la Harvard Medical School, care a condus un studiu recent asupra mecanismului înțelegerii limbajului uman. .

„Ceea ce a fost unic în munca noastră a fost că ne uităm la neuroni unici. Există o mulțime de studii de acest fel pe animale – studii de electrofiziologie, dar sunt foarte limitate la oameni. Am avut o oportunitate unică de a accesa neuronii la oameni”, adaugă Jamali.

Sondarea creierului

Experimentul lui Jamali a implicat redarea unor seturi de cuvinte înregistrate pacienților care, din motive clinice, aveau implanturi care monitorizau activitatea neuronilor localizați în cortexul prefrontal stâng, zona care este în mare măsură responsabilă de procesarea limbajului. „Am avut date de la două tipuri de electrozi: micromatricele de tungsten de modă veche care pot selecta activitatea câtorva neuroni; și sondele Neuropixel, care sunt cea mai recentă dezvoltare în electrofiziologie”, spune Jamali. Neuropixelii au fost introduși pentru prima dată la pacienți umani în 2022 și ar putea înregistra activitatea a peste o sută de neuroni.

„Așa că am fost în sala de operație și am cerut pacientului să participe. Am avut un amestec de propoziții și cuvinte, inclusiv sunete de galimă care nu erau cuvinte reale, dar sunau ca niște cuvinte. Am avut și o scurtă poveste despre Elvis”, explică Jamali. El a spus că scopul a fost de a afla dacă există o structură a răspunsului neuronal la limbaj. Cuvintele nebunești au fost folosite ca un control pentru a vedea dacă neuronii au răspuns la ele într-un mod diferit.

„Electrozii pe care i-am folosit în studiu au înregistrat tensiune – a fost un semnal continuu la o rată de eșantionare de 30 kHz – iar partea critică a fost să disocieze câți neuroni aveam în fiecare canal de înregistrare. Am folosit analiza statistică pentru a separa neuronii individuali în semnal”, spune Jamali. Apoi, echipa sa a sincronizat semnalele de activitate neuronală cu înregistrările redate pacienților până la o milisecundă și a început să analizeze datele pe care le-au adunat.

Pune cuvinte în sertare

„În primul rând, am tradus cuvintele din seturile noastre în vectori”, spune Jamali. Mai exact, echipa sa a folosit Word2Vec, o tehnică folosită în informatică pentru a găsi relații între cuvintele conținute într-un corpus mare de text. Ceea ce poate face Word2Vec este să spună dacă anumite cuvinte au ceva în comun – dacă sunt sinonime, de exemplu. „Fiecare cuvânt a fost reprezentat de un vector într-un spațiu de 300 de dimensiuni. Apoi ne-am uitat doar la distanța dintre acești vectori și, dacă distanța era apropiată, am ajuns la concluzia că cuvintele aparțin aceleiași categorii”, explică Jamali.

Apoi, echipa a folosit acești vectori pentru a identifica cuvintele care s-au grupat împreună, ceea ce a sugerat că aveau ceva în comun (ceva pe care l-au confirmat ulterior examinând ce cuvinte se aflau într-un grup împreună). Apoi au determinat dacă neuronii specifici au răspuns diferit la diferite grupuri de cuvinte. S-a dovedit că au făcut-o.

„Am ajuns să avem nouă grupuri. Ne-am uitat la ce cuvinte se aflau în acele grupuri și le-am etichetat”, spune Jamali. S-a dovedit că fiecare cluster corespunde unui domeniu semantic îngrijit. Neuronii specializați au răspuns la cuvinte care se referă la animale, în timp ce alte grupuri au răspuns la cuvinte care se referă la sentimente, activități, nume, vreme și așa mai departe. „Majoritatea neuronilor pe care i-am înregistrat aveau un domeniu preferat. Unii au avut mai multe, ca două sau trei”, a explicat Jamali.

Mecanica înțelegerii

Echipa a testat, de asemenea, dacă neuronii au fost declanșați de simplul sunet al unui cuvânt sau de semnificația acestuia. „În afară de cuvintele farfurie, un alt control pe care l-am folosit în studiu a fost homofonele”, spune Jamali. Ideea a fost de a testa dacă neuronii au răspuns diferit la cuvântul „soare” și cuvântul „fiu”, de exemplu.

S-a dovedit că răspunsul s-a schimbat în funcție de context. Când propoziția a clarificat cuvântul se referă la o stea, sunetul a declanșat neuroni declanșați de fenomenele meteorologice. Când a fost clar că același sunet se referea la o persoană, a declanșat neuronii responsabili pentru rude. „De asemenea, am prezentat aceleași cuvinte la întâmplare, fără niciun context și am constatat că nu a generat un răspuns la fel de puternic ca atunci când contextul a fost disponibil”, susține Jamali.

Dar procesarea limbajului din creierul nostru va trebui să implice mai mult decât diferite categorii semantice procesate de diferite grupuri de neuroni.

„Există multe întrebări fără răspuns în procesarea lingvistică. Una dintre ele este cât de mult contează o structură, sintaxa. Este reprezentat de o rețea distribuită sau putem găsi un subset de neuroni care codifică mai degrabă structura decât sensul?” întrebă Jamali. Un alt lucru pe care echipa sa vrea să-l studieze este cum arată procesarea neuronală în timpul producției de vorbire, pe lângă înțelegere. „Cum sunt acele două procese legate în ceea ce privește zonele creierului și modul în care sunt procesate informațiile”, adaugă Jamali.

Ultimul lucru – și, conform lui Jamali, cel mai provocator lucru – este utilizarea sondelor Neuropixel pentru a vedea modul în care informațiile sunt procesate în diferite straturi ale creierului. „Sonda Neuropixel călătorește prin adâncimea cortexului și ne putem uita la neuronii de-a lungul electrodului și putem spune: „OK, informațiile din acest strat, care este responsabil pentru semantică, merg către acest strat, care este responsabil pentru altceva.’ Dorim să aflăm câtă informație este procesată de fiecare strat. Acest lucru ar trebui să fie o provocare, dar ar fi interesant să vedem cum sunt implicate diferite zone ale creierului în același timp atunci când sunt prezentate stimuli lingvistici”, conchide Jamali.

Natura, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07643-2