Как мозг понимает слова: нейроны и их три ритма речи

Вот вам загадка: как, скажите, заглянуть в голову, когда ты думаешь? Функциональная МРТ — это как смотреть на город с высоты птичьего полёта: видишь, где горит свет (то есть куда прибывает кровь), но не разберёшь, о чём говорят жители в каждом отдельном доме. Каждый «пиксель» снимка фМРТ — это воксель — выдаёт нам усреднённую активность сотен тысяч нейронов, да ещё и с задержкой. Тонкую работу отдельных нервных клеток так не рассмотришь. Куда лучше с этим справляются электроды, вживлённые прямо в мозг. Но, согласитесь, добровольцев на такую процедуру находится не так уж много — это редчайшие и сугубо медицинские случаи.

Команда Эвелины Федоренко из MIT как раз воспользовалась таким уникальным шансом. Ещё в 2016 году они наблюдали за шестью пациентами, которым в мозг были имплантированы электроды, пока те читали разные предложения. И вот что любопытно: активность некоторых групп нейронов плавно нарастала по мере того, как человек видел всё новые слова в предложении. Но стоило заменить осмысленную фразу на простой список слов или набор бессмыслицы — и этот эффект пропадал. Звучит так, будто мозг отличает историю от телеграфного бреда, не правда ли?

А теперь учёные сделали следующий шаг. Они не только вернулись к старым записям, чтобы пристальнее изучить временные паттерны активности, но и получили новые данные — уже от 16 пациентов. И картина начала проясняться. Оказалось, что нейроны работают как бы на разных временных масштабах. Одни вспыхивают и затухают с каждым новым словом, будто отмечая его появление. Другие — накапливают «напряжение» на протяжении нескольких слов, прежде чем «разрядиться». Третьи и вовсе демонстрируют неуклонный рост активности на длинных отрезках текста. Похоже на оркестр, где одни инструменты отбивают такт, а другие ведут долгую, сложную мелодию.

Сравнив эту живую нейронную симфонию с предсказаниями компьютерной модели, исследователи смогли чётко классифицировать клетки. Все они, обрабатывая язык, работают в одном из трёх временных окон: коротком (одно слово), среднем (четыре слова) или длинном (около шести слов). И для каждой такой «бригады» удалось определить её точное местоположение в мозге.

Какую же роль играют эти окна? Учёные предполагают, что здесь и кроется принцип разделения труда. «Быстрые» нейронные популяции, скорее всего, занимаются мгновенным анализом значения каждого отдельного слова. А те, что работают на более длинных дистанциях, — уже берут на себя сложную задачу: интерпретацию сочетаний слов, построение смысла фразы и, возможно, даже понимание контекста. Об этом пишет MIT News.

«Впервые мы смогли увидеть внутреннюю неоднородность, сложную структуру внутри языковой сети мозга», — прокомментировала открытие профессор Федоренко. И это, друзья мои, огромный прорыв. Мы наконец-то начинаем различать не просто «свет в окнах», а отдельных «жильцов» и их повседневные дела.

Кстати, пока одни учёные учатся слушать нейроны, другие ищут способы их восстановить. Так, исследователи из Германии недавно определили ключевые эпигенетические механизмы, которые позволяют перепрограммировать вспомогательные глиальные клетки в полноценные нейроны. Но это уже материал для отдельного, не менее захватывающего разговора.