Мозг билингвов использует общую нейронную карту для перевода между языками

Фото из открытых источников

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Cell, предоставляет доказательства того, что человеческий мозг использует общую организационную карту, или геометрию, для представления значений слов в разных языках. Записывая активность отдельных клеток мозга у двуязычных людей, ученые обнаружили, что, хотя каждый язык опирается на различные паттерны клеточной активности, общая структурная взаимосвязь между значениями слов остается неизменной. Это говорит о том, что мозг поддерживает универсальную, независимую от языка внутреннюю модель значения.

Человек обладает уникальной способностью понимать и выражать идентичные мысли на нескольких языках, не путая их. Предыдущие исследования с использованием методов нейровизуализации показывают, что билингвы используют перекрывающиеся области мозга при обработке информации на разных языках. Области, традиционно связанные с языком, такие как нижняя лобная извилина и задняя височная кора, демонстрируют схожие паттерны активации независимо от того, говорит ли человек на английском или испанском языке.

Однако эти обширные сканирования мозга не позволяют понять, как мозг сопоставляет эквивалентные понятия в разных языках, сохраняя при этом функциональную дифференциацию языков. Группа исследователей из Медицинского колледжа Бейлора, Университета Райса и Университета Сонгюнкван попыталась изучить это явление на уровне отдельных клеток мозга.

Исследовательская группа предположила, что двуязычный мозг может организовывать смысл, используя общую нейронную геометрию. В этом контексте нейронная геометрия относится к математическим расстояниям и связям между словами, представленными в многомерном пространстве внутри мозга.

«Наши результаты показывают, что мозг может хранить смысл в формате, независимом от языка», — сказал соавтор исследования профессор Самир Шет из Медицинского колледжа Бейлора. «Разные языки, по-видимому, обращаются к общей концептуальной карте, а не создают совершенно отдельные представления о мире».

Исследовательская группа сосредоточила свое внимание на гиппокампе — области мозга, которая, как известно, играет центральную роль в памяти и связывании понятий. Поскольку гиппокамп расположен глубоко в мозге, его обычно трудно изучать во время активной обработки языка.

Для изучения этих глубоких структур головного мозга ученые привлекли к исследованию четырех полностью уравновешенных двуязычных пациентов, владеющих английским и испанским языками. Эти пациенты уже проходили хирургическое лечение резистентной к терапии эпилепсии. Такая медицинская ситуация предоставила редкую возможность имплантировать микроэлектроды высокой плотности непосредственно в гиппокамп. Трое пациентов получили стандартные микроэлектроды, а один пациент — высокотехнологичный зонд Neuropixels, позволяющий ученым регистрировать электрические импульсы отдельных нейронов.

Ученые разработали для участников три различных задания. В первом задании все четыре пациента около 120 минут пассивно слушали подобранные истории и подкасты на английском и испанском языках. Аудиоконтент включал образовательные научно-популярные подкасты от автора под ником Kurzgesagt и отрывки из аудиокниги «Ешь, молись, люби». Это предоставило исследователям тысячи произнесенных слов для анализа в течение нескольких сессий.

Во втором задании двое пациентов читали 99 подобранных коротких фраз на экране компьютера и произносили их вслух. Наконец, эти же двое пациентов участвовали в неструктурированных, естественных беседах. Они общались с носителями каждого языка в течение периодов от 32 до 99 минут. Затем ученые сопоставили аудиозапись с записанной нейронной активностью, чтобы отследить, как мозг реагирует на конкретные слова.

Ученые тщательно проанализировали частоту активации зарегистрированных нейронов в ответ на эквивалентные слова на разных языках. Сначала они искали межъязыковые нейроны — отдельные клетки мозга, которые одинаково реагируют на переведенные пары слов, такие как «земля» и «tierra». Они выявили небольшую подгруппу таких нейронов, что свидетельствует о том, что несколько изолированных клеток действительно обрабатывают прямой перевод.

Однако эти специфические клетки встречались редко, а значит, не могли полностью объяснить, как мозг беспрепятственно обрабатывает два языка. Полученные результаты свидетельствуют о том, что перевод осуществляется не столько специализированными нейронами, отвечающими за работу словаря, сколько является результатом скоординированной активности больших нейронных популяций.

«Наши результаты показывают, что двуязычное значение является эмергентным свойством нейронных популяций», — говорит соавтор исследования Синьюань Янь из Медицинского колледжа Бейлора. «Мозг, по-видимому, не полагается на клетки, осуществляющие прямой перевод. Вместо этого он сохраняет закономерности взаимосвязей между понятиями в разных языках».

Чтобы понять общую картину, авторы сравнили нейронную активность пациентов с инструментом искусственного интеллекта под названием многоязычный BERT. BERT — это большая языковая модель, которая изучает межъязыковые представления, обрабатывая огромные объемы текста. Ученые извлекли контекстные векторные представления слов из модели искусственного интеллекта.

Контекстные векторные представления слов — это математические модели слов, которые отражают их значение на основе окружающего текста. Затем ученые сопоставили эти искусственные модели с фактической частотой разрядов нейронов гиппокампа человека. Они обнаружили заметное сходство между геометрией семантических представлений в гиппокампе и внутренней организацией современных систем искусственного интеллекта, обученных на нескольких языках.

«Крупные языковые модели и человеческий мозг, возможно, сходятся в использовании схожих вычислительных решений для представления смысла», — сказал соавтор исследования профессор Бенджамин Хейден из Университета Райса. «Это не означает, что ИИ работает точно так же, как мозг, но это предполагает наличие универсальных принципов организации знаний».

Результаты показали, что специфические семантические кривые настройки большинства отдельных нейронов существенно различаются между английским и испанским языками. Семантическая кривая настройки — это, по сути, профиль того, как конкретный нейрон реагирует на различные значения слов в широком диапазоне тем. Поскольку эти профили не совпадали, это указывает на то, что мозг использует специфические для каждого языка алгоритмы обработки слов. Отдельный нейрон может сильно реагировать на английское слово «dog», но оставаться совершенно спокойным при произнесении испанского слова «perro».

Несмотря на это различие на клеточном уровне, общая популяция нейронов сохранила целостную геометрическую организацию в обоих языках. Исследователи измерили математические расстояния между нейронными ответами на разные слова. Они обнаружили, что общая карта значений слов в английском языке, как правило, идеально отражает карту в испанском языке.

Мозг достигает этого, используя одну и ту же популяцию нейронов, но считывая их активность под разными углами или осями, в зависимости от используемого языка. Это явление похоже на рассматривание трехмерного объекта с двух разных точек зрения. Форма объекта остается неизменной, но видимый профиль меняется в зависимости от вашей перспективы.

«Это помогает объяснить, как двуязычные люди могут так легко переключаться между языками», — говорит Хейден. «Похоже, мозг поддерживает общую внутреннюю структуру для смысла, одновременно сохраняя языки достаточно разными, чтобы избежать помех».

Общая семантическая структура оказалась настолько устойчивой, что исследователи смогли использовать её для прогнозирования нейронных реакций. Рассматривая группу связанных слов на английском языке, учёные смогли математически повернуть данные, чтобы точно предсказать, как мозг отреагирует на отложенное испанское слово. Эта форма обучения без предварительного обучения демонстрирует, что общая геометрия предоставляет достаточно информации для перевода, даже без прямого сопоставления слов на уровне отдельных нейронов.

За пределами научной сферы это открытие может представлять более широкий интерес для гуманитарных и социальных наук. Концепция стабильной, общей геометрической нейронной карты подтверждает структуралистский взгляд на язык — интеллектуальное течение, которое часто связывают со швейцарским лингвистом Фердинандом де Соссюром. Структурализм утверждает, что значение выходит за рамки индивидуальных культурных выражений и вместо этого опирается на лежащую в его основе универсальную структуру или систему.

Помимо развития фундаментальных нейробиологических исследований, авторы отмечают, что эти результаты могут повлиять на разработку интерфейсов «мозг-компьютер». Они также могут быть полезны для терапии языковой реабилитации и будущих систем искусственного интеллекта, предназначенных для более естественного общения с людьми.

Хотя эти результаты дают глубокое понимание билингвизма, читателям следует помнить о некоторых ограничениях. Одно из потенциальных заблуждений заключается в том, что эти результаты применимы ко всем изучающим языки. Все пациенты в этом исследовании были высококвалифицированными билингвами, освоившими оба языка в раннем возрасте, то есть они выучили оба языка примерно в четыре или пять лет. Остается неизвестным, обладают ли люди, которые изучают второй язык позже в жизни, такой же идентичной нейронной структурой.

Кроме того, исследователи предупреждают, что в исследовании использована очень небольшая выборка — всего четыре участника. Это связано с крайней редкостью обнаружения двуязычных пациентов, нуждающихся в имплантации глубоких электродов в головной мозг по медицинским показаниям. Авторы отмечают, что в исследовании рассматривались только английский и испанский языки. Эти два языка имеют много общих лингвистических корней и структурных сходств.

Ещё одно ограничение связано с медицинским состоянием участников. Один из пациентов был обследован под общим наркозом после удаления части височной доли. Хотя данные этого пациента в значительной степени совпадали с данными остальных, анестезия и операция могли изменить нормальные паттерны мозговой активности.

Дальнейшие исследования могли бы расширить эти выводы, протестировав несвязанные языковые пары, такие как английский и китайский (мандаринский диалект), а также изучив более крупные группы населения. Ученые также надеются изучить участников в процессе активного изучения нового языка. Отслеживание работы мозга во время обучения могло бы точно показать, как формируется и выравнивается эта общая семантическая геометрия с течением времени.