Новое исследование, проведенное учеными из Массачусетской больницы общего профиля (MGH), с использованием передовых методов записи данных в мозге демонстрирует, как нейроны человеческого мозга работают вместе, позволяя людям думать о том, какие слова они хотят сказать, а затем произносить их вслух посредством речи.
В совокупности эти результаты дают подробную карту того, как звуки речи, такие как согласные и гласные, представлены в мозгу задолго до того, как они произнесены, и как они соединяются во время речевого производства.
Работа, опубликованная в журнале Nature , раскрывает информацию о нейронах мозга, которые обеспечивают речевую деятельность и могут привести к улучшению понимания и лечения речевых и языковых расстройств.
«Хотя речь обычно кажется легкой, наш мозг выполняет множество сложных когнитивных шагов при воспроизведении естественной речи, включая придумывание слов, которые мы хотим сказать, планирование артикуляционных движений и воспроизведение запланированных вокализаций», — говорит старший автор Зив Уильямс, доктор медицинских наук. , доцент кафедры нейрохирургии MGH и Гарвардской медицинской школы.
«Наш мозг совершает эти действия удивительно быстро — около трех слов в секунду в естественной речи — с удивительно небольшим количеством ошибок. Однако, как именно мы достигаем этого результата, остается загадкой».
Когда они использовали передовую технологию, называемую зондами Neuropixels, для регистрации активности отдельных нейронов в префронтальной коре , лобной области человеческого мозга, Уильямс и его коллеги идентифицировали клетки, которые участвуют в производстве речи и которые могут лежать в основе способности говорить. Они также обнаружили, что в мозге есть отдельные группы нейронов, отвечающие за речь и слушание.
«Использование зондов Neuropixels на людях было впервые использовано в MGH. Эти зонды замечательны — они меньше ширины человеческого волоса, но при этом имеют сотни каналов, которые способны одновременно регистрировать активность десятков или даже сотен отдельных нейронов », — говорит Уильямс, который работал над разработкой этих методов записи вместе с Сидни Кэшем, доктором медицинских наук, профессором неврологии в MGH и Гарвардской медицинской школе, который также помогал руководить исследованием.
«Поэтому использование этих зондов может предложить беспрецедентное новое понимание того, как коллективно действуют нейроны человека и как они работают вместе, создавая сложное человеческое поведение, такое как речь», — продолжает Уильямс.
Отслеживание фонетических представлений префронтальных нейронов во время естественной речи. a, Слева, было подтверждено, что записи одиночных нейронов локализуются в задней средней лобной извилине префронтальной коры головного мозга с преобладанием языка в области, которая, как известно, участвует в планировании и производстве слов (расширенные данные, рис. 1a,b); справа: острые записи отдельных нейронов были сделаны с использованием массивов Neuropixels (расширенные данные, рис. 1c, d); внизу — задача создания речи и элементы управления (расширенные данные, рис. 2а). б, Пример фонетических группировок на основе запланированных мест артикуляции (таблица расширенных данных 1). c. Было построено десятимерное пространство признаков, обеспечивающее композиционное представление всех фонем в слове. d, Временные гистограммы пери-событий были построены путем выравнивания точек доступа каждого нейрона к началу слова с миллисекундным разрешением. Данные представлены в виде средних (линейных) значений ± sem (затенение). Врезка: морфология пиковой формы волны и масштабная линейка (0,5 мс). д, слева, доли модулированных нейронов, которые выборочно изменили свою активность на определенные запланированные фонемы; справа: кривая настройки ячейки, которая преимущественно настроена на велярные согласные. f, Средняя скорость срабатывания по z-оценке как функция расстояния Хэмминга между предпочтительным фонетическим составом нейрона (который вызывает наибольшее изменение активности) и всеми другими фонетическими комбинациями. Здесь расстояние Хэмминга, равное 0, указывает на то, что слова имели одинаковый фонетический состав, тогда как расстояние Хэмминга, равное 1, указывает на то, что они различались одной фонемой. Данные представлены в виде средних (линейных) значений ± sem (затенение). g, Производительность декодирования запланированных фонем. Оранжевые точки представляют выборочное распределение ROC-AUC классификатора; n = 50 случайных разделений тестов на поезд; P = 7,1 × 10 -18 , двусторонний U-критерий Манна-Уитни. Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение. Кредит: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06982-w
Исследование показало, что нейроны в мозге представляют собой некоторые из самых основных элементов, участвующих в построении произнесенных слов — от простых звуков речи, называемых фонемами, до их сборки в более сложные строки, такие как слоги.
Например, для образования слова собака необходима согласная «да», которая образуется при прикосновении языка к твердому небу за зубами.
Записывая отдельные нейроны, исследователи обнаружили, что определенные нейроны становятся активными еще до того, как эта фонема будет произнесена вслух. Другие нейроны отражали более сложные аспекты построения слов, такие как специфическая сборка фонем в слоги.
С помощью своей технологии исследователи показали, что можно надежно определить звуки речи, которые люди произносят, прежде чем они их произведут.
Другими словами, ученые могут предсказать, какая комбинация согласных и гласных будет произведена еще до того, как слова будут произнесены. Эту возможность можно использовать для создания искусственных протезов или интерфейсов «мозг-машина» , способных воспроизводить синтетическую речь, что может принести пользу широкому кругу пациентов.
«Нарушения в речевых и языковых сетях наблюдаются при самых разных неврологических расстройствах, включая инсульт, черепно-мозговую травму , опухоли, нейродегенеративные расстройства, нарушения нервного развития и многие другие», — говорит Арджун Кханна, соавтор исследования. . «Мы надеемся, что лучшее понимание основных нейронных цепей, обеспечивающих речь и язык, проложит путь к разработке методов лечения этих расстройств».
Исследователи надеются расширить свою работу, изучая более сложные языковые процессы, которые позволят им исследовать вопросы, связанные с тем, как люди выбирают слова, которые они собираются сказать, и как мозг собирает слова в предложения, которые передают мысли и чувства человека другим. .
Среди других авторов — Уильям Муньос, Янг Джун Ким, Йоав Кфир, Анжелика К. Полк, Мохсен Джамали, Цзин Цай, Мартина Л. Мустроф, Ирен Капрара, Ричард Хардстоун, Маккенна Меджелл, Домокос Мезена, Эбигейл Цукерман и Джеффри Швейцер.