San Francisco ülikooli teadlased on tuvastanud inimese ajus neuroneid, mis reageerivad kõnekeele helikõrguse muutustele, mis on olulised nii tähenduse kui ka emotsiooni selgeks edastamiseks.
Uuringu avaldas 24. augustil 2017 ajakirjas Science UCSF Weilli neuroteaduste instituudi neuroloogilise kirurgia professori MD Edward Changi labor ja seda juhtis neljanda kursuse magistrant Claire Tang. Changi laboris.
"Üks labori ülesannetest on mõista, kuidas aju helid tähenduseks muudab," ütles Tang. "Mida me siin näeme, on see, et aju neokorteksis on neuroneid, mis töötlevad mitte ainult seda, mida öeldakse, vaid ka seda, kuidas neid sõnu öeldakse."
Häälekõrguse muutused kõne ajal – osa sellest, mida keeleteadlased nimetavad kõneprosoodiaks – on inimestevahelise suhtluse põhiosa, peaaegu sama olulised kui muusika meloodia. Tonaalsetes keeltes, nagu mandariini hiina, võivad helikõrguse muutused sõna tähendust täielikult muuta, kuid isegi mittetonaalses keeles, näiteks inglise keeles, võivad helikõrguse erinevused kõnelause tähendust oluliselt muuta.
Näiteks "Sarah mängib jalgpalli", milles "Sarah" räägitakse laskuva helikõrgusega, saab kõneleja kasutada teatamiseks, et Sarah, mitte mõni teine inimene, mängib jalgpalli; seevastu "Sarah mängib jalgpalli" näitab, et Sarah mängib jalgpalli, mitte mõnda muud mängu. Ja tõusva tooni lisamine lause lõppu ("Sarah mängib jalgpalli?") näitab, et lause on küsimus.
Aju võime neid toonimuutusi käigu pe alt tõlgendada on eriti tähelepanuväärne, arvestades, et igal kõnelejal on ka oma tüüpiline häälekõrgus ja stiil (st mõnel inimesel on madal hääl, teistel kõrge ja teised näivad lõpetavat isegi avaldused justkui küsimustena). Veelgi enam, aju peab jälgima ja tõlgendama neid helikõrguse muutusi, analüüsides samal ajal, milliseid kaashäälikuid ja täishäälikuid hääldatakse, milliseid sõnu need moodustavad ning kuidas need sõnad fraasideks ja lauseteks kombineeritakse – kõik see toimub millisekundi skaalal.
Varasemad uuringud nii inimestel kui ka ahvilistel on tuvastanud aju eesmise ja temporaalse ajukoore piirkonnad, mis on tundlikud häälekõrguse ja intonatsiooni suhtes, kuid ükski neist ei ole vastanud küsimusele, kuidas neuronid nendes piirkondades muutusi tuvastavad ja esindavad. helikõrguses, et teavitada aju tõlgendust kõneleja tähendusest.
Aju ajalises ajukoores erinevad neuronite rühmad kõnelejat, foneetikat ja intonatsiooni
Chang, UCSF-i epilepsiakeskuse neurokirurg, on spetsialiseerunud epilepsiaga patsientidel krampe põhjustava ajukoe eemaldamise operatsioonidele. Mõnel juhul asetab ta nendeks operatsioonideks valmistumiseks patsientide aju pinnale suure tihedusega pisikeste elektroodide massiivid, mis aitab tuvastada patsientide krambihoogusid põhjustavat asukohta ja kaardistada muid olulisi piirkondi, nagu keelega seotud, tagamaks, et operatsioon ei kahjusta neid.
Uues uuringus palus Tang kümnel nende elektroodidega operatsiooni ootaval vabatahtlikul kuulata nelja lause salvestisi, mida lausus kolm erinevat sünteesitud häält:
"Inimesed hindavad tõelist käitumist"
"Filmid nõuavad minimaalselt energiat"
"Põhjapõder on visuaalne loom"
"Juristid annavad asjakohase arvamuse"
Laused olid kavandatud sama pikkuse ja konstruktsiooniga ning neid sai mängida nelja erineva intonatsiooniga: neutraalne, esimest sõna rõhutav, kolmanda sõna rõhutamine või küsimusena. Näete, kuidas need intonatsioonimuutused muudavad lause tähendust: "Inimesed [erinev alt klingoonidest] hindavad ehtsat käitumist;" "Inimesed hindavad ehtsat [mitte ebasiirast] käitumist;" ja "Inimesed hindavad ehtsat käitumist?" [Kas tõesti?]
Tang ja tema kolleegid jälgisid neuronite elektrilist aktiivsust vabatahtlike kuulmiskorteksis, mida nimetatakse kõrgemaks temporaalseks gyruseks (STG), mis varasemate uuringute kohaselt võib kõneprosoodia töötlemisel teatud rolli mängida.
Nad leidsid, et mõned STG neuronid suudavad eristada kolme sünteesitud kõlarit, peamiselt nende keskmise häälekõrguse vahemiku erinevuste põhjal. Teised neuronid suutsid neid nelja lauset eristada, olenemata sellest, kumb kõneleja neid ütles, lähtudes erinevat tüüpi helidest (või foneemidest), millest laused koosnesid ("põhjapõdrad" erinevad "advokaatidest", olenemata sellest, kes räägib). Ja veel üks neuronite rühm suudab eristada nelja erinevat intonatsioonimustrit. Need neuronid muutsid oma aktiivsust sõltuv alt sellest, kuhu lauses rõhk langes, kuid ei huvitanud, milline lause see oli või kes seda ütles.
Tõestamaks endale, et nad olid murdnud aju süsteemi lausetest intonatsiooniteabe saamiseks, töötas meeskond välja algoritmi, mis ennustab, kuidas neuronite reaktsioon mis tahes lausele peaks kõneleja, foneetika ja intonatsiooni põhjal muutuma, ja seejärel kasutas seda. See mudel ennustab, kuidas vabatahtlike neuronid reageerivad sadadele erinevate kõnelejate salvestatud lausetele. Need näitasid, et kui erinevatele kõlaritele reageerivad neuronid olid keskendunud kõneleja hääle absoluutsele kõrgusele, siis intonatsioonile reageerivad neuronid keskendusid rohkem suhtelisele kõrgusele: kuidas kõneleja hääle kõrgus salvestuse ajal hetkest hetkesse muutus.
"Minu jaoks oli see meie uuringu üks põnevamaid aspekte," ütles Tang. "Me suutsime näidata mitte ainult seda, kus prosoodia on ajus kodeeritud, vaid ka seda, kuidas, selgitades aktiivsust häälekõrguse spetsiifiliste muutuste kaudu."
Need leiud näitavad, kuidas aju hakkab lahti võtma keerulist helivoogu, mis moodustab kõne ja tuvastab olulisi näpunäiteid kuuldu tähenduse kohta, ütleb Tang. Kes räägib, mida nad räägivad, ja sama oluline, kuidas nad seda räägivad?
"Nüüd on suur vastuseta küsimus, kuidas aju kontrollib meie hääletrakte, et tekitada intonatsioonilisi kõnesid," ütles Chang, ajakirja vanemautor. "Loodame, et suudame selle mõistatuse peagi lahendada."
UCSF-i epilepsiakeskuse vabatahtlikud võimaldavad sügavam alt uurida inimese aju tööd
Uuringus osalenud patsiendid olid UCSF-is, kellele tehti raske, ravimatu epilepsia tõttu operatsioon. Ajukirurgia on võimas viis epilepsia peatamiseks, mis võib epilepsiahoogude peatada üleöö, ning selle edukus on otseselt seotud täpsusega, millega meditsiinimeeskond suudab aju kaardistada, tuvastades täpsed koetükid, mis vastutavad inimese krambihoogude eest ja nende eemaldamine.
UCSF-i terviklik epilepsiakeskus on kõrgetasemelise intrakraniaalse monitooringu kasutamise liider, et kaardistada tabamatuid krampe põhjustavaid ajupiirkondi. Kaardistamiseks asetatakse aju välispinnale või ajukoorele kolju alla kirurgiliselt painduv elektroodimassiivi ja registreeritakse aju aktiivsus, et määrata täpselt kindlaks krambihoogude vallandamise eest vastutavad ajuosad. Mõne nädala pärast toimuvas teises operatsioonis eemaldatakse elektroodid ja krampe põhjustav ebatervislik ajukude.
See seadistus annab ka haruldase võimaluse esitada põhiküsimusi selle kohta, kuidas inimaju töötab, näiteks kuidas see rääkimist juhib. Kõnemotoorika juhtimise neuroloogiline alus on jäänud seni teadmata, kuna teadlased ei saa uurida loomade kõnemehhanisme ja kuna mitteinvasiivsetel pildistamismeetoditel puudub võime jälgida kõnet loovaid lihaseid juhtivate ajusignaalide väga kiiret ajakulu. muutuda sajandiksekundites.
Kuid operatsioonieelne aju kaardistamine võib närvitegevust otse registreerida ja tuvastada elektrilise aktiivsuse muutusi suurusjärgus mõne millisekundi.
