人類可以從語言中提取豐富而微妙的含義，這種能力對于人類交流來說至關(guān)重要。然而，盡管人們對支持語言和語義處理的大腦區(qū)域的了解不斷加深，但在細胞水平上的神經(jīng)語義推導(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，通過跟蹤神經(jīng)元在自然語音處理過程中的活動，該研究發(fā)現(xiàn)了單個神經(jīng)元對語義信息的精細皮層表征。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)元負責(zé)編碼各種單詞的含義。

簡單來說，當參與者聆聽語義不同的句子和故事時，該研究記錄左側(cè)語言主導(dǎo)的前額葉皮層的單細胞活動。結(jié)果表明，在個體之間，大腦使用相同的標準類別來對單詞進行分類 —— 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，它們的活動不是將單詞作為固定的記憶表征來響應(yīng)，而是高度動態(tài)的，根據(jù)其特定的句子上下文反映單詞的含義，并且獨立于其語音形式。

總的來說，該研究展示了這些細胞群如何準確預(yù)測在語音過程中實時聽到的單詞的廣泛語義類別，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胞群上。這些發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)元尺度，揭示了人類語義表征的精細皮層組織，并開始闡明語言理解過程中細胞水平的意義處理。

一個神經(jīng)元負責(zé)一切

同一組神經(jīng)元對哪些詞作出反應(yīng)，這些詞屬于相似的類別，例如動作或與人相關(guān)的詞。研究小組還發(fā)現(xiàn)，大腦可能會把一些單詞相互關(guān)聯(lián)，例如「鴨子」和「蛋」，這些信息會觸發(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含義進行分組，Williams 表示。

前額葉皮層神經(jīng)元不會根據(jù)單詞的聲音來區(qū)分單詞，而是只會根據(jù)單詞的含義來區(qū)分單詞。例如，當一個人在句子中聽到「Son」這個詞時，與家庭成員相關(guān)的位置就會被點亮。而盡管發(fā)音相同，這些神經(jīng)元對句子中的「Sun」并沒有起反應(yīng)。

讀心術(shù)

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

「獲得這種程度的細節(jié)，并一窺單個神經(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、腦機接口公司 Paradromics 首席科學(xué)官 Vikash Gilja 說道。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應(yīng)的神經(jīng)元，還可以確定說話的順序。

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。理解語言的自然速度對于未來開發(fā)腦機接口設(shè)備的工作非常重要，新類型的設(shè)備可以為失去說話能力的人恢復(fù)說話能力。