科學家發現處理語言的神經元在不同時間尺度上 | 麻省理工學院新聞

使用功能性磁共振成像 (fMRI) 研究語言處理

神經科學家使用功能性磁共振成像 (fMRI) 找到了大腦中幾個負責處理語言的區域。然而，想要了解這些區域中神經元的具體功能卻很困難，因為 fMRI 測量的是血流變化，無法清楚顯示小群神經元的活動。

新的研究方法

現在，麻省理工學院 (MIT) 的神經科學家們使用了一種更精確的技術，直接記錄大腦的電活動，找到了不同的神經元群體，這些群體似乎在處理不同數量的語言上下文。這些稱為「時間窗口」的範圍從一個單詞到大約六個單詞不等。

時間窗口的功能

研究人員表示，這些時間窗口可能反映了每個群體的不同功能。擁有較短時間窗口的群體可能分析單個單詞的意思，而擁有較長時間窗口的群體則可能解釋當單詞組合在一起時所產生的更複雜的意思。

研究的發現

麻省理工學院的神經科學副教授艾維莉娜·費多連科 (Evelina Fedorenko) 說：「這是我們第一次在語言網絡中看到明確的異質性。在數十次的 fMRI 實驗中，這些大腦區域似乎都在做同樣的事情，但這是一個大型的分佈式網絡，所以必須有一些結構在那裡。這是第一次明確證明存在結構，但不同的神經群體是空間交錯的，因此我們無法用 fMRI 看到這些區別。」

功能性磁共振成像的限制

功能性磁共振成像幫助科學家了解大腦不同部分的角色，通過測量大腦中的血流變化來工作。這些測量作為特定任務期間神經活動的代理。然而，每個 fMRI 圖像中的「體素」代表數十萬到數百萬個神經元的活動，並在約兩秒內總結活動，因此無法揭示這些神經元的細微活動。

記錄電活動的方法

獲得有關神經功能的更詳細信息的一種方法是使用植入大腦的電極記錄電活動。這些數據難以獲得，因為這一程序僅在已經接受神經病學手術的患者中進行，例如重度癲癇患者。

研究的過程

在 2016 年的一項研究中，費多連科報告使用這種方法研究六個人的語言處理區域。當參與者閱讀四種不同類型的語言刺激時，記錄了電活動：完整的句子、單詞列表、非單詞列表和「胡言亂語」句子——這些句子有語法結構，但由無意義的單詞組成。

新的研究分析

在新的研究中，研究人員回顧了這些數據，並更詳細地分析了時間響應特徵。他們的原始數據集中，從六名患者的 177 個語言響應電極中記錄了電活動。保守估計每個電極代表約 200,000 個神經元的活動。他們還從第二組 16 名患者中獲得了新數據，這些數據包括來自另外 362 個語言響應電極的記錄。

神經群體的發現

當研究人員分析這些數據時，他們發現某些神經群體的活動會隨著每個單詞的變化而波動。然而，在其他群體中，活動會在多個單詞之後逐漸增加，然後再下降，還有一些群體則顯示出在較長的單詞範圍內穩定的神經活動增加。

結論與未來研究

研究人員發現，語言處理區域的神經群體可以分為三個集群，這些集群代表的時間窗口分別為一個、四個或六個單詞。費多連科的實驗室現在計劃研究這些時間尺度是否對應於不同的功能。最短時間尺度的群體可能處理單個單詞的意思，而較長時間尺度的群體則解釋多個單詞所代表的意思。

研究的資助來源

這項研究得到了祖克曼-CHE STEM 領導計劃、精神疾病研究波伊特拉斯中心、哈佛大學自然與人工智慧研究肯普納研究所、美國國立衛生研究院、美國癲癇學會研究與培訓獎學金、麥克唐納系統神經科學中心、Fondazione Neurone、麥戈文研究所、麻省理工學院腦與認知科學系以及西蒙斯社會大腦中心的資助。