Ученые наконец выяснили, как мозг строит предложения

Интонирование, слова-синонимы и фразеологизмы помогают людям передавать друг другу множество смыслов и чувств, выражаясь коротко и емко. Но до сих пор наука мало знала о том, что именно происходит в мозге, когда мы говорим, а точнее — как нервные клетки «понимают» значение слов и решают, в каком порядке их произнести.

В поисках ответов на эти вопросы ученые из Гарварда и Массачусетского госпиталя проследили за электрической активностью мозга. Такую уникальную возможность они получили, когда мониторили работу мозга у людей с эпилепсией во время нейрохирургических операций. Статья об исследовании вышла в журнале Nature.

При поиске очагов эпилепсии, особенно если она не поддается лечению, нейрохирурги могут вводить микроэлектроды прямо в мозг пациента. В этом случае кожа и кости черепа не мешают получать четкий сигнал от отдельных клеток, который в обычных исследованиях недоступен. Во время такой операции люди остаются в сознании и могут беседовать с врачами. 

Измерение активности височной и лобной доли мозга таких пациентов позволило в реальном времени пронаблюдать за тем, как в мозге «рождается» речь. А проанализировать данные ученым помогли большие языковые модели.

Исследователи обнаружили, что при разговоре активируются разные группы нейронов. Они отличаются как на микроскопическом уровне, так и по тому, как именно посылают электрические сигналы. 

Разные популяции нейронов отвечают за разные характеристики речи и решают разные задачи, а именно: 

• лексику — значение слов, то есть что именно человек хочет описать,

• грамматику — согласования, падежи и числа, чтобы корректно передать все нюансы,

• порядок слов — где должен стоять глагол, а где существительное, чтобы фраза прозвучала грамотно и собеседник точно вас понял,

• коммуникационный «кэш» — память о недавно сказанном, чтобы логично связывать одну фразу с другой.

Ученые считают, что конкретные клетки начинают посылать больше электрических сигналов перед тем, как человек произнесет существительное, а другие помогают держать в уме около пяти предыдущих слов. 

Взаимодействие групп нейронов позволяет нам выражать свои мысли со всеми нюансами и полутонами. По мнению исследователей, вместе клетки работают как инструменты в оркестре, играя свою «электрическую симфонию».

«Раньше мы думали, что язык — это децентрализованный, диффузный феномен. Оказалось, что есть конкретные нейроны, которые “обращают внимание” только на то, что вот это слово — существительное, или на то, что фраза подходит к концу», — комментирует соавтор работы, нейрохирург Зив Уильямс.

Созданная учеными карта показывает, что происходит на уровне клеток мозга, когда мы формулируем фразу. Такие исследования приближают нас к пониманию механизмов, которые вызывают нарушения речи или трудности с изучением языков.