大脑如何构建句子？

大脑如何逐神经元地构建句子，神经图谱揭示了产生言语的特化细胞。

大脑神经元承担着构建语言不同方面的任务。（图片来源：Ted Kinsman/Science Photo Library）

在人开口说话前的几分之一秒内，大脑便将复杂的语法、精确的词汇和语言的潜在含义编织在一起。如今，研究人员在非脚本对话过程中，实时追踪了单个脑细胞的电活动爆裂（electrical crackle），捕捉到了在说出任何一个词之前句子是如何构建的。

通过观察人脑额颞叶皮层区域中的这些神经元，科学家们发现，单个脑细胞充当着特化的语言构建模块。“我们过去认为语言是一种弥散的、全网络的现象，”该研究的共同作者、波士顿麻省总医院（MGH）的神经外科医生Ziv Williams说道，“但事实证明，你拥有特定的神经元，它们只关心一个词是不是名词，或者只关心一个短语是否即将结束。”

这项工作今日发表在《自然》杂志上。

绘制图谱

为了捕捉这种活动，Williams和他的同事使用了临时植入癫痫患者体内的电极来监测其癫痫发作。由于这些参与者处于清醒状态并能自由交谈，团队可以观察他们说话时大脑的运作方式。同样任职于MGH的神经科学家Jing Cai表示，这种设置为窃听构成言语基础的细胞过程提供了难得的机会，捕捉到了标准脑成像设备无法获取的细节。

德国莱比锡马克斯·普朗克人类认知与脑科学研究所的神经心理学家Angela Friederici表示，获取此类数狙酞研究支配言语的生物学机制提供了“难得”的洞见。

脑机接口即时将思维转化为言语

研究人员发现，在言语的某些组成部分（例如名词）即将说出之前，特定神经元会增加其电发放频率。研究人员注意到，这表明大脑通过发放能够处理语言不同属性（如词性）的特定神经元来构建句子。

为了理解这种电学交响乐，团队求助于大型语言模型——与驱动聊天机器人相同类型的人工智能。通过将模型处理文本的模式与参与者的脑活动进行比较，研究人员发现，神经元和模型都能追踪句子的更广泛语境，能保留多达前五个单词的心理记录，以塑造下一个单词的含义。

他们还发现了两个核心概念之间的分工：语义学，即单词的含义；以及句法学，它支配语法和结构。他们发现，大多数细胞只优先编码语义或句法信息中的一种。尽管这些语言特化神经元散布在额颞叶皮层各处，但研究人员发现，大脑左半球在编码这些语言信息方面比右半球更为活跃。

分工

然而，尽管在细胞层面上有如此高的精确度，数据却揭示了一个脱节现象：单个细胞对特定语言属性的特化调谐，与这些神经元在周围脑组织中产生的同步电波之间并不一致。这种更广泛的背景电嗡嗡声并不具有相同的语言特异性；一个单细胞可能调谐到某个词的含义，而其紧邻的细胞邻居则可能监控完全不同的东西，例如一个短语如何结束。

对于Friederici等一些专家来说，这种脱节留下了一个关键问题：如果语言的构建模块如此孤立，它们如何迅速联合以产生流利的言语？

Friederici还提醒说，这些发现仅代表了脑活动的一个暂时快照。先前在小鼠中的研究表明，皮层中单个细胞的反应会随时间发生剧烈变化——这一现象被称为表征漂移（representational drift）。她表示，由于大脑仅被监测了很短一段时间，尚不清楚这些特定神经元是否会在数月或数年内保持其被赋予的语言职能。

首张大脑组织结构图谱展示毕生发育轨迹

除了绘制大脑结构图谱之外，Williams表示，他希望这些发现最终能帮助为失去沟通能力的人们构建更先进的神经设备和脑机接口。他说，通过展示这些更广泛区域中的单个细胞如何编码句子的结构和语法，此类图谱可能有助于直接从大脑解码复杂思维，从而为恢复言语提供一条途径。