Создана символьно-языковая карта мозга

В журнале Nature опубликованы результаты исследования в Калифорнийском университете в Беркли, в котором удалось визуализировать семантическо-языковую карту коры человеческого мозга. В процессе математического моделирования выявились 12 основных кластеров в которые попадают 985 самых употребимых слов английского языка, а также другие слова, связанные с ними по смыслу. Интерактивный атлас доступен в интернете в виде браузерного приложения по адресу http://gallantlab.org/huth2016/.

Видео исследования

Семеро испытуемых слушали двухчасовую радиопередачу, в которой читались отрывки художественных текстов. Одновременно с этим у них снимали томограммы возбуждений в коре больших полушарий мозга, разбитого на крошечные ячейки. В результате были получены временные развертки возбуждений отдельно для каждой из этих ячеек. Вся эта информация была переработана в ходе колоссального статистического анализа, что позволило откартировать отображение значений слов в коре больших полушарий. Самое важное, что семантические группы (группы слов с похожими значениями) оказались единообразно представлены у всех участников эксперимента. Вероятнее всего, сама клеточная структура коры мозга предопределяет структуру семантического нейроландшафта.

Семантическая репрезентация слов в мозгу по данным исследования M. A. Just et al., 2010. A Neurosemantic Theory of Concrete Noun Representation Based on the Underlying Brain Codes

Эта работа опирается на результаты, полученные в двух областях знаний. Во-первых, это векторное представление слов, которое вовсю эксплуатируется в различных поисковых системах в интернете. Векторное представление увязывает слова друг с другом по их совместному нахождению в конкретных текстах. Если они встречаются вместе часто, то они связаны по смыслу. Если редко, то не связаны. На этом простейшем предположении основана целая сеть серьезных методов лингвистического анализа.

В данном случае векторное представление понадобилось, чтобы распределить по семантическим областям все 10 470 слов в художественных текстах, которые в течение двух часов прослушивали испытуемые. У испытуемых во время прослушивания снимали томограммы мозга. Полученные данные фМРТ послужили основой для поиска связей между восприятием конкретных слов и активизацией нейронов. И тут вступает в силу второе необходимое условие — возможность анализировать и сравнивать колоссальные объемы информации по данным фМРТ. В данном случае необходимо было сопоставить активность нейронов в элементарных для фМРТ участках мозга — так называемых вокселах размером 2,24×2,24×4 мм — со звучанием слов.

Итак, у исследователей имелись тексты, где для каждого слова была определена конкретная семантическая область, и имелись двухчасовые развертки по фМРТ для каждого воксела, сопутствующие звучанию слов. Представьте теперь, с каким объемом информации какой сложности справились ученые.

Обозначив разными цветами семантические области слов, ученые разметили теми же цветами участки мозга, которые в наибольшем числе случаев отвечали на произнесение соответствующих слов. Таким образом, получилась семантическая карта мозга. Как выяснилось, у каждого из семерых испытуемых конкретные семантические области мозга были сравнительно устойчивы: для каждой смысловой группы слов предопределен свой участок мозга (см. видео). Точнее, конечно, не участок, а участки, так как каждой семантической области соответствует целый набор участков мозга в правом и левом полушариях.

Существование такого устойчивого семантического нейроландшафта означает, по мнению авторов работы, что сама врожденная клеточная архитектура коры создает жесткие предпосылки для становления нейросемантической структуры. Естественно, все испытуемые были продуктом западного американского социолингвистического общества, поэтому чрезвычайно важно и интересно изучить семантическое устройство у людей, воспитанных в другой среде.

Ясно, что созданный атлас семантических представлений — это лишь первые «сливки», которые ученые из Беркли сняли со своего массива данных. А ведь можно таким же образом поискать в этих данных корреляции с фонетическими и синтаксическими сигналами, грамматическими конструкциями и т. д. Остается лишь позавидовать тем ученым, которые возьмутся за эту работу. Тем более что методики работы с ними уже все опробованы и отлажены.

Источники:
1) Alexander G. Huth, Wendy A. de Heer, Thomas L. Griffiths, Frédéric E. Theunissen, Jack L. Gallant. Natural speech reveals the semantic maps that tile human cerebral cortex // Nature. 2016. DOI: 10.1038/nature17637.
2) Видеорезюме обсуждаемой статьи.
3) Marcel Adam Just, Vladimir L. Cherkassky, Sandesh Aryal, Tom M. Mitchell. A Neurosemantic Theory of Concrete Noun Representation Based on the Underlying Brain Codes // PLOS ONE. Published: January 13, 2010.

elements.ruelements.ru