【Nature】 | 大腦中單細胞處理語意資訊

近日，發表在【自然】雜誌上的一項研究揭示了大腦中神經元如何在單細胞水平上處理語意資訊 。

研究人員透過記錄參與者左側前額葉皮層的神經元活動，發現單個神經元能夠對語言中的語意資訊進行精細的編碼。 當人們聆聽不同的句子時，這些神經元能夠選擇性地響應特定的單詞含義，並準確區分單詞和非單詞，即使發音相同，神經元也會根據語意作出不同反應。

研究顯示，神經元會對相似類別的詞作出相似的反應。 例如，像「鴨子」和「蛋」這樣的詞會觸發相同的神經元，而具有相似含義的詞如「老鼠」和「大鼠」之間的神經元活動模式比「老鼠」和「胡蘿蔔」更為接近。大腦在不同個體間對單詞的分類方式也具有高度一致性，表明人類大腦在處理語言時有著相似的語意分組機制。

這項研究為語言理解的神經基礎提供了新見解，同時對腦機介面技術的發展具有重要意義。 透過了解單細胞層面的神經活動，未來有望開發幫助失語癥患者恢復語言能力的新型器材。

原始論文：

Semantic encoding during language comprehension at single-cell resolution

研究背景:

人類從語言（如字母或語音序列）中提取出復雜和精細的語意資訊的能力，至今在神經元水平上的實作方式還不完全明確。雖然我們對支持語言和語意處理的大腦區域有了一定了解，但在單細胞尺度上，神經元是如何在時間上處理這些資訊的，仍是一個未解之謎。透過單細胞記錄技術，作者得以觀察神經元在自然語音處理時的動態活動。

研究目標：

該研究的目標是透過對左側優勢語言區域的單細胞記錄，探索單個神經元在語言理解過程中是如何選擇性地響應特定的語意類別 ，並揭示它們如何動態地反映單詞在句子中的語境和含義，而非僅僅響應單詞的聲學或記憶表征。

研究方法：

研究使用了兩種記錄技術，分別是鎢微電極陣列和矽神經像素陣列 。參與者在清醒狀態下進行語言任務時，記錄了他們左側優勢語言區域中的單細胞活動。參與者聽取了一系列包含不同語意的句子和自然故事，研究人員透過跟蹤單細胞的活動，發現這些神經元能夠選擇性地對特定的單詞含義做出反應 。

數據分析：研究采用了預訓練的300維向量模型，對每個單詞進行語意嵌入，並透過聚類分析確定單詞語意分類。這些分類包括動作、狀態、物體、食物、動物、自然、家庭成員、名字和時空關系 等九個語意域。

主要發現：

語意選擇性：神經元對特定的語意域表現出選擇性響應 。例如，某些神經元對「食物」類別單詞（如「沙拉」、「胡蘿蔔」）表現出強烈反應，而其他神經元則對「動作」類別單詞（如「跑步」、「跳躍」）表現出響應。

語境依賴性：這些神經元的響應並非對固定的單詞記憶表征做出反應，而是根據單詞在句子中的語境動態變化。 比如，當單詞「rose」出現在不同的句子中時，神經元能夠根據句子整體的語境來區分該單詞是名詞（玫瑰花）還是動詞（上升）。

語意階層：神經元不僅編碼了單詞的語意，還反映了這些單詞之間的語意關系。 透過主成分分析，研究發現神經元能夠透過活動模式準確反映詞匯間的語意層次關系。

研究意義：

這項研究揭示了在人類大腦中，神經元是如何在單細胞尺度上編碼和處理語言中的語意資訊的。 這些發現表明，大腦中存在精細的皮層組織結構，專門處理語意資訊，並且這些神經元在自然語音理解過程中表現出高度的動態性和上下文依賴性。

未來研究方向：

未來可以進一步探討這些語意編碼是否適用於其他形式的語言（如閱讀）或非語言刺激（如影像、影片等） ，以及這些語意表征是否在雙語者或其他語言使用者中具有一致性。這些發現為進一步理解人類獨特的溝通能力提供了重要的線索。

原文出處：

Semantic encoding during language comprehension at single-cell resolution

Nature volume 631, pages610–616 (2024)Cite this article

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07643-2

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