超详细的脑图显示了编码单词含义的神经元

一组神经元（艺术家的插图）编码了“鸭子”一词的含义;一组重叠的神经元编码了“鸡蛋”一词的含义。 图片来源：Juan Gaertner/Science Photo Library

    通过窃听活人的大脑，科学家们创造了迄今为止分辨率最高的神经元图谱，这些神经元编码了各种单词的含义 1 .结果表明，在个体中，大脑使用相同的标准类别来对单词进行分类，这有助于我们将声音转化为意义。

    该研究仅基于英语单词。但这是研究大脑如何在其语言库中存储单词的一步，剑桥麻省理工学院的神经外科医生Ziv Williams说。他说，通过绘制对各种单词做出反应的重叠脑细胞集，“我们可以尝试开始构建一个意义词典”。

    这项工作今天发表在 《自然》杂志上。

映射含义

    称为听觉皮层的大脑区域在单词进入耳朵时处理单词的声音。但正是大脑的前额叶皮层，一个发生高阶大脑活动的区域，决定了一个词的“语义意义”——它的本质或要点。

以前的研究 2 通过分析大脑中的血流图像来研究这一过程，大脑中的血流是大脑活动的代表。这种方法允许研究人员将单词含义映射到大脑的小区域。

    但威廉姆斯和他的同事们发现了一个独特的机会，可以研究单个神经元如何实时编码语言。他的小组招募了十名即将接受癫痫手术的人，他们每个人的大脑中都植入了电极，以确定癫痫发作的来源。这些电极使研究人员能够记录每个人前额叶皮层中大约300个神经元的活动。

    当参与者聆听多个包含总计约450个单词的短句时，科学家们记录了哪些神经元以及何时发射。威廉姆斯说，每个单词大约有两到三个不同的神经元亮起，尽管他指出，该团队只记录了前额叶皮层数十亿个神经元中一小部分的活动。然后，研究人员研究了激活相同神经元活动的单词之间的相似性。

万物的神经元

    同一组神经元响应的词语属于相似的类别，例如动作或与人相关的词语。研究小组还发现，大脑可能相互关联的单词，如“鸭子”和“鸡蛋”，触发了一些相同的神经元。具有相似含义的词，如“老鼠”和“老鼠”，触发的神经元活动模式比“老鼠”和“胡萝卜”触发的模式更相似。其他神经元组对与更抽象的概念相关的词做出反应：例如“上面”和“后面”等关系词。

读心机来了：是时候担心了吗？

    威廉姆斯说，大脑分配给单词的类别在参与者之间是相似的，这表明人类大脑都以相同的方式对含义进行分组。前额叶皮层神经元不通过声音来区分单词，只通过它们的含义来区分单词。例如，当一个人在句子中听到“儿子”这个词时，与家庭成员相关的单词就会亮起。但是这些神经元对句子中的“太阳”没有反应，尽管这些词的声音相同。

读心术

    在某种程度上，研究人员能够通过观察神经元的放电来确定人们听到了什么。虽然他们无法再现确切的句子，但他们可以分辨出，例如，一个句子包含动物、动作和食物，按这个顺序排列。

“获得这种程度的细节并窥视单神经元水平上发生的事情是非常酷的，”加州大学圣地亚哥分校的工程师兼脑机接口公司Paradromics的首席科学官Vikash Gilja说。令他印象深刻的是，研究人员不仅可以确定与单词及其类别相对应的神经元，还可以确定它们的发音顺序。

从神经元记录比使用成像要快得多;他说，以自然速度理解语言对于未来开发脑机接口设备的工作非常重要，这些设备可以恢复失去这种能力的人的语音。