Учёные Гарварда обнаружили специализированные нейроны, управляющие речью

Учёные Массачусетской больницы общего профиля и Гарвардской медицинской школы установили, что для производства речи мозг использует строго специализированные одиночные нейроны, каждый из которых выполняет лишь одну узкую грамматическую функцию. В ходе исследования с помощью микроэлектродов, вживлённых в мозг больных эпилепсией, было записано более 10 000 слов естественной речи. Результаты опубликованы в журнале Nature и могут помочь в разработке более точных нейроинтерфейсов.

Учёные Массачусетской больницы общего профиля и Гарвардской медицинской школы показали, что мозг производит речь не диффузно, задействуя целые области, а с помощью отдельных строго специализированных нейронов, каждый из которых выполняет свою узкую роль. Результаты исследования опубликованы в авторитетном научном журнале Nature.

Как проводилось исследование

Учёные воспользовались медицинской процедурой, в ходе которой восьми пациентам с эпилепсией в мозг были имплантированы микроскопические электроды для точного картирования приступов. Это открыло исследователям редкую возможность напрямую прослушивать активность клеток лобной и височной долей. В период наблюдения пациентов просили свободно разговаривать и отвечать на обыденные вопросы — чтобы избежать воспроизведения заученных текстов. Таким образом в режиме реального времени было записано более 10 000 слов и тысячи предложений естественной речи.

Собранные данные выявили чрезвычайно чёткое разделение труда, сосредоточенное преимущественно в левом полушарии мозга. Около десятой части наблюдаемых нейронов специфически активировались в ответ на определённые части речи — например, глаголы или наречия — примерно за сотню миллисекунд до произнесения слова. Другие клетки отслеживали, является ли слово в предложении подлежащим или дополнением, а отдельные нейроны реагировали исключительно на завершение синтаксической группы.

Сходство машин и биологии

Для анализа глубинной структуры языка исследователи привлекли большие языковые модели и обнаружили неожиданное сходство между искусственным интеллектом и живыми клетками. И алгоритмы, и нервные клетки отслеживают более широкий контекст разговора: грамматические специалисты, как правило, удерживают в памяти пять ранее произнесённых слов, чтобы предсказать форму и значение следующего.

Примечательно и то, что хотя отдельный нейрон узко занимается лишь одним языковым элементом, окружающий его участок ткани нередко анализирует совершенно иные аспекты языка — например, ритм предложения. Нейропсихолог Института Макса Планка в Германии Анджела Фридеричи отметила, что пока остаётся открытым вопрос о том, как из этих строго разграниченных языковых блоков за доли секунды рождается плавная и понятная речь.

Что дальше?

Нейрохирург Массачусетской больницы общего профиля Зив Уильямс вместе с коллегами выразил надежду, что подобные детальные атласы мозга в конечном счёте позволят считывать сложные мысли человека непосредственно с нейронов. «С помощью усовершенствованных интерфейсов врачи смогут восстановить способность к общению у пациентов, полностью утративших речь вследствие тяжёлой болезни или физической травмы», — написали исследователи.

Сами учёные предостерегают от далеко идущих выводов, поскольку период наблюдения был сравнительно коротким. Неизвестно, выполняют ли отдельные клетки одни и те же функции на протяжении всей жизни человека. Более ранние опыты на животных указывают на то, что в коре головного мозга происходит постоянное перераспределение специализации между клетками на протяжении месяцев или лет.