解码大脑的词典：科学家映射神经元如何编码词意义

这些发现显示甚至在大脑中的小区域也有来代表复杂意思的潜力。

NEUROPSYCH — SEPTEMBER 23, 2024

Mo Costandi

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关键要点

•几个世纪科学家们一直感兴趣于大脑如何处理语言。

•在最近的一项研究中，研究人员创造了一个细胞映射来看在额叶皮层中细胞如何编码和组织词意义。

•这些发现也可能为先进的语音假肢铺平道路。

语言已经感兴趣了大脑研究者几个世纪。19世纪60年代，布罗卡（Pierre Paul Broca）的患有语言缺陷的中风者的尸检识别了涉及言语产生左额叶的一个区域。大约在同一时间，维尔尼克（Karl Wernicke）识别了位于颞叶中的另一个在已经丧失来理解口语能力的中风患者中被破坏的区域。

在20世纪后半叶，诸如功能性磁共振成像（fMRI）大脑扫描技术的发展使研究人员能够以更大详细来了解这些语言中心的功能，将它们进一步划分为分明的子区域，并看它们如何从中风破坏恢复。脑部扫描研究还已经表明在左额叶和颞叶中的一个区域网络将词的形式映射到它们的意义，并将它们放在一起来形成短语和句子。然而，我们几乎仍然不知道关于单个神经元如何代表词的意义。

现在，研究人员已经创造了一个语义信息的细胞映射，揭示在额叶皮层中的细胞如何编码词意义以及它们如何被组织。马萨诸塞州总医院的神经外科医生威廉姆斯（Ziv Williams）和他的同事们有过罕见的在10名有耐药性癫痫患者中随他们正在为神经外科被评估来检查这些过程的机会。

有患者的同意，他们将微电极阵列植入左前额叶皮层的一个已知来编码关于词意义的区域。然后在患者听到各种句子和故事的同时他们记录了来自大约300个单个神经元的活动。

研究人员发现了许多神经元对有特定意义的相关词有选择性的响应。例如，当参与者听到描述诸如胡萝卜、蛋糕和沙拉词时一些细胞放电了。其它的对指示如扫帚、汽车和灯罩物体的词响应了。

动词对最大数目的细胞引发了活动中的扫荡的变化，而描述时空关系的词——如向上、向下和向后——引发了有限的变化。虽然大多数神经元仅在响应到一个类别内的词放电了，但几个神经元对两个类别中的词响应了。有意义的是当词被以一种随机顺序呈现时神经元对这些相同意义的微弱的响应了，暗示它们的响应的选择性被上下文强烈影响。

威廉姆斯告诉《大思考》网站，“一个令人惊讶的发现是甚至小的病灶性皮质区域也可能潜在的能以大的它们的完整性代表复杂的意思，诸如我们记录的区域可能包含不同细胞的广泛混合，每个细胞对应到不同的词意义来提供一个通过语音沟通语言信息的丰富和详细的代表” 。

除了揭示单个神经元如何编码词意义的细节外，这些发现还可能把它们自己借用到帮助设计帮助瘫痪患者沟通的神经假体。目前，此类装置读取控制语音产生的神经元的活动。

威廉姆斯说，“我们能够从一个相对少的细胞来解码词的意义提示在自然语音处理期间有可能从神经元的活动模式读出意思和概念。这样一种能力可能对目标是从神经元活动而不是它们的运动代表解码词的意义的未来语音假肢的发展是有用的” 。

他补充道，“我们感兴趣于研究是否类似的语义代表可被在跨语言或双语者中观察到以及是否在语言理解和生产中访问词意义引发类似的响应。

“我们也感兴趣于确定在前额叶皮层以外大脑的其他部分中意思被如何代表以及这些如何被用于开发语音假肢” 。

https://bigthink.com/neuropsych/how-neurons-encode-word-meanings/