Создан семантический атлас человеческого мозга

Организация знаний в человеческом мозгу – наверное, одна из крупнейших загадок для ученых. Высказывались различные гипотезы относительно того, какая зона мозга отвечает за те или иные понятия. Но вот на прошой неделе группа исследователей из Университета Калифорнии в Беркли объявила в журнале Neuron, что построила первую семантическую карту мозга.

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. И 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 смысловых значений слов в коре больших полушарий. Самое важное, что семантические области (области смысловых значений слов) оказались единообразно представлены у всех участников эксперимента. Вероятнее всего, сама цитоструктура коры мозга предопределяет структуру семантического нейроландшафта.

В 2010 году была опубликована интересная статья по нейролингвистике (M. A. Just et al., 2010. A Neurosemantic Theory of Concrete Noun Representation Based on the Underlying Brain Codes). В ней излагались результаты томографического исследования мозга испытуемых, которым читали слова различного значения. Авторам удалось доказать, что крупные семантические группы (например, связанные с едой, действиями с объектами, с домом и т. д.), имеют в мозгу вполне конкретное представительство. Также выяснилось, что за распознавание длинных слов отвечают четко выделенные участки коры.

И вот через шесть лет мы можем видеть, насколько далеко продвинулись ученые, работающие в этой области. В журнале Nature обнародованы результаты команды специалистов из Калифорнийского университета в Беркли, и это уже не четыре семантические области, а целый семантический атлас коры человеческого мозга. В нем размечено представительство 12 семантических областей, в которые попадают 985 самых употребимых слов английского языка, а также все другие слова, связанные с ними по смыслу.

Чтобы такая работа стала в принципе возможной, нужно было дождаться прорывов в двух областях знаний. Во-первых, лингвисты должны были разработать количественное отображение смысловой и словесной структуры текстов. В данном случае пригодились наработки по векторному представлению 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 соответствующие звучания 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 цитоархитектура коры создает жесткие предпосылки для становления нейросемантической структуры. Естественно, все испытуемые были продуктом западного американского социо-лингвистического общества, поэтому чрезвычайно важно и интересно изучить семантическое устройство у людей, воспитанных в другой среде.

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