Из каких клеток мозг строит человеческую речь? Ответ дал искусственный интеллект

9 процентов нейронов в коре головного человека реагируют на конкретные части речи — словно настроены только на существительные или только на глаголы. Остальные следят за грамматическими связями или глубиной вложенности слова в предложение. Это выяснили нейробиологи из Китайского института исследований мозга, записав активность 579 отдельных клеток у людей, которые просто разговаривали. Данные опубликованы в журнале Nature и меняют представление о том, как мозг строит речь — не как общая сеть, а как точный механизм с узкими специалистами.

Как записать нейрон в момент разговора

Чтобы увидеть работу отдельных нейронов, учёным пришлось пойти на крайние меры. Восемь пациентов с тяжёлой эпилепсией (три женщины, пять мужчин, средний возраст 40 лет) уже готовились к хирургическому лечению. В рамках подготовки им временно имплантировали микроэлектродные решётки — крошечные датчики, которые ловят электрические импульсы одиночных клеток. Пока шла запись, люди вели естественный диалог: отвечали на вопросы о самочувствии, расположении предметов, личных взглядах. За 14 сессий они произнесли 10 460 слов, составив 1895 уникальных предложений.

Исследователи синхронизировали аудиозапись с сигналами нейронов. Затем с помощью моделей обработки естественного языка разметили каждое слово по двум системам: конституентный анализ (разбивка на фразы вроде именной группы) и зависимостный (прямые связи между словами, например, прилагательное — существительное). Полученные математические описания сравнили с паттернами возбуждения клеток. Так стало понятно, что каждая клетка — не просто пассивный приёмник сигналов, а активный элемент с чёткой специализацией.

Отдельная клетка — отдельная задача

Примерно 9% нейронов повышали частоту разрядов аккурат перед тем, как участник произносил слово определённой части речи. Другие клетки (16%) отслеживали иерархическую глубину — насколько глубоко слово «зарыто» в грамматическом дереве предложения. Третьи (10%) меняли активность в зависимости от грамматической роли: будет ли слово подлежащим или прямым дополнением.

«Мы были удивлены, сколько информации несёт один нейрон, — рассказал автор работы Цзин Цай. — Одни клетки кодировали детальные грамматические отношения, другие отслеживали структуру предложения или значение».

При этом только 2% нейронов обрабатывали одновременно и синтаксис, и семантику. Большинство предпочитало что-то одно: правила построения фразы или смысл слов. Это похоже на конвейер, где каждый сотрудник делает свою операцию и редко совмещает.

Мозг учится у контекста за секунду до слова

Исследователи пошли дальше: с помощью больших языковых моделей (LLM) они проверили, как нейроны реагируют на контекст — предыдущие слова. Оказалось, клетки динамически подстраивают свои разряды, причём учитывают информацию из пяти предыдущих слов. Пик прогностической активности приходится примерно за секунду до того, как человек произнесёт слово. Если модель случайно переставляла слова или заменяла их бессмысленными, предсказать активность нейронов не удавалось — значит, клетки действительно следили за живым смыслом, а не за звуками.

Сравнение с ИИ показало ещё одну вещь: мозг комбинирует грамматику и значение распределённо. Отдельные клетки не просто реагируют на слово, а «собирают» его из грамматического каркаса и смыслового наполнения. Это гибкий, композициональный механизм, который, по словам Цая, «очень напоминает принципы работы больших языковых моделей».

Левое полушарие точнее, чем кажется

Языковые нейроны разбросаны по лобной и височной долям, но не равномерно. Как и ожидалось, в левом полушарии они реагировали значительно сильнее, чем в правом. Однако более интересный вывод — сравнение с так называемыми локальными потенциалами поля — суммарной электрической активностью тысяч соседних клеток. Отдельные нейроны оказались куда более точными и специализированными, чем «шумы» окружающей ткани. Например, на небольшом участке общая электрическая волна могла реагировать на часть речи, а конкретная клетка в этом же месте — на совершенно другой аспект языка. Каждый нейрон — как тонкий фильтр, игнорирующий работу соседей.

Что дальше и где границы

Авторы признают: это лишь начальная карта, а не финальный атлас. В будущем нужно записывать активность из большего количества областей, изучать понимание речи и письмо, проверять, работают ли те же механизмы у разных людей и в разных ситуациях. В этом исследовании не учитывались интонация, тон голоса, эмоциональная окраска — только лингвистические структуры. Кроме того, участники были пациентами с эпилепсией, хотя зоны с сохранённой речевой функцией подбирали специально.

Тем не менее находки открывают путь к принципиально новым интерфейсам «мозг — компьютер». Если нейроны предсказывают слово за секунду до его произнесения, а их активность можно расшифровать в реальном времени, то теоретически возможно создать устройство, которое озвучивает мысли людей, потерявших способность говорить из-за травмы или болезни. Пока это научная фантастика, но карта нейронных деталей уже лежит на столе.

Интересно, появятся ли технологии, способные «читать» не только слова, но и оттенки значения? Представьте, что ваше намерение нейроны кодируют за секунду до того, как вы сами его осознали — мы говорим не то, что хотим, а то, что уже построено клетками.