神经元层面揭秘语言理解：首个单词含义神经激活地图诞生

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原文标题：第一次，语言的神经激活被定位到细胞级

原文作者：机器之心

冷月清谈：

**关键发现：**
  1. 发现单个神经元对语义信息的精细皮层表征。
  2. 神经元选择性地响应特定单词含义，并可靠地区分单词和非单词。
  3. 神经元活动是高度动态的，根据其特定的句子上下文反映单词的含义，并且独立于其语音形式。
  4. 大脑使用相同的标准类别对单词进行分类，这些类别在个体之间是相似的。
  5. 神经元对词语的关联、抽象概念和单词顺序有反应，组织精细，层次分明。

意义：

该研究创建了迄今为止分辨率最高的神经元图，揭示了人类语义表征的精细皮层组织，并开始阐明语言理解过程中细胞水平的意义处理。这些发现为开发脑机接口奠定了基础，并深化了我们对语言理解机制的理解。




怜星夜思：


1、研究中发现的神经元对含义的分类方式是否因人而异？
2、研究提到，神经元活动不是将单词作为固定的记忆表征来响应，而是根据句子上下文反映含义。这是否意味着我们的大脑会随时调整对单词的理解？
3、研究成果对语言学习和脑机接口的发展有什么潜在影响？




原文内容



机器之心报道

机器之心编辑部

迄今为止，分辨率最高的编码单词含义的神经元 map 来了。
人类可以从语言中提取丰富而微妙的含义，这种能力对于人类交流来说至关重要。然而，尽管人们对支持语言和语义处理的大脑区域的了解不断加深，但在细胞水平上的神经语义推导仍然存在很多未知。

最近，一篇发表在《自然》杂志上的研究论文，通过跟踪神经元在自然语音处理过程中的活动，该研究发现了单个神经元对语义信息的精细皮层表征。论文题为《Semantic encoding during language comprehension at single-cell resolution》。

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

该研究创建了迄今为止分辨率最高的神经元图（map），这些神经元负责编码各种单词的含义。

简单来说，当参与者聆听语义不同的句子和故事时，该研究记录左侧语言主导的前额叶皮层的单细胞活动。结果表明，在个体之间，大脑使用相同的标准类别来对单词进行分类 —— 帮助我们将声音转化为意义。

这些神经元选择性地响应特定的单词含义，并可靠地区分单词和非单词。此外，它们的活动不是将单词作为固定的记忆表征来响应，而是高度动态的，根据其特定的句子上下文反映单词的含义，并且独立于其语音形式。

总的来说，该研究展示了这些细胞群如何准确预测在语音过程中实时听到的单词的广泛语义类别，以及如何跟踪它们出现的句子。该研究还展示了如何编码这些意义表征的层次结构以及这些表征如何映射到细胞群上。这些发现在神经元尺度，揭示了人类语义表征的精细皮层组织，并开始阐明语言理解过程中细胞水平的意义处理。

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一个神经元负责一切

同一组神经元对哪些词作出反应，这些词属于相似的类别，例如动作或与人相关的词。研究小组还发现，大脑可能会把一些单词相互关联，例如「鸭子」和「蛋」，这些信息会触发一些相同的神经元。具有相似含义的词，例如「老鼠」和「大鼠」，触发的神经元活动模式比「老鼠」和「胡萝卜」触发的模式更相似。其他神经元组对与更抽象的概念相关的词作出反应：例如，关系词，例如「上面」和「后面」。

大脑分配给单词的类别在参与者之间是相似的，这表明人类大脑都在以相同的方式对含义进行分组，Williams 表示。

前额叶皮层神经元不会根据单词的声音来区分单词，而是只会根据单词的含义来区分单词。例如，当一个人在句子中听到「Son」这个词时，与家庭成员相关的位置就会被点亮。而尽管发音相同，这些神经元对句子中的「Sun」并没有起反应。

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读心术

这种理论建立之后，在一定程度上，研究人员能够通过观察人们的神经元放电来确定他们听到了什么。虽然他们无法重现确切的句子，但已经可以进行判断。例如，一个句子包含动物、动作和食物，顺序依次为动物、动作和食物。

「获得这种程度的细节，并一窥单个神经元层面发生的事情非常令人兴奋，」加州大学圣地亚哥分校工程师、脑机接口公司 Paradromics 首席科学官 Vikash Gilja 说道。令他印象深刻的是，研究人员不仅可以确定与单词及其类别相对应的神经元，还可以确定说话的顺序。

Gilja 表示，从神经元记录信息，要比使用以往的成像方法要快得多。理解语言的自然速度对于未来开发脑机接口设备的工作非常重要，新类型的设备可以为失去说话能力的人恢复说话能力。

参考链接：https://www.nature.com/articles/d41586-024-02146-6


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值得注意的是，虽然神经元活动是动态的，但某些含义的核心方面可能仍相对稳定。例如，'狗’这个词可能在不同的上下文中具有细微不同的含义，但它通常仍然是指一种四足哺乳动物。

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从进化角度来看，这种灵活性对于我们理解不断变化的世界并做出适当反应至关重要。我们的语言不是一成不变的，而我们的大脑也能够相应地适应。

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此外，该研究的结果可以为语言相关的人工智能和自然语言处理技术提供信息。通过模拟大脑处理含义的方式，我们可以开发出更智能、更人性化的语言系统，从而改善人机交互。

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对于脑机接口的发展来说，该研究为解码语言理解过程中的神经活动提供了新的途径。通过破译神经元对含义的表征，我们可以为脑机接口设备建立更有效的语言控制和交流渠道。

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总的来说，该研究开辟了语言理解和神经语言表征领域的新篇章，并有望对语言学习、脑机接口和人工智能等广泛领域产生重大影响。

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想象一下你正在读一本悬疑小说，你对某个角色的看法会随着故事情节的展开而改变。同样，我们对单词含义的理解也会随着我们所处语境的改变而调整。神经元就像大脑中的小侦探，不断收集信息并更新它们对单词的解释。

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研究中只对英语母语者进行测试，所以对于其他语言的神经语言表征是否也适用，还需要进一步研究。不同语言在词汇、语法和语义结构上的差异，可能会影响大脑对含义的组织方式。

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研究结果表明，虽然个体大脑使用的单词含义分类标准相似，但不同个体之间仍可能存在一定程度的差异。每个人的经历和语言背景都会对其神经元对含义的表征产生影响。

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想象一下图书馆里的书，虽然书柜的组织方式在不同的图书馆可能相似，但具体摆放哪本书的位置还是会因图书馆的规模、馆藏重点等因素而有所不同。同理，神经元对含义的分类方式在总体上可能遵循一些通用原则，但每个大脑的具体组织情况也会受到个人因素的影响。

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虽然该研究表明人类大脑在含义分组方面存在共同点，但也不能排除随着文化、语言和个人经历的不同而产生的潜在变化。就像不同的文化对颜色有不同的概念一样，大脑在处理含义时也可能存在一些文化或个体间的细微差别。

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此外，文化和个人经历也会影响我们对单词含义的理解。这可能导致在某些情况下，即使在相同的上下文中，不同的人对同一个单词也有不同的解释。

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对于语言学习者来说，该研究提供了关于单词含义如何在神经层面编码的见解。通过了解大脑如何组织和处理含义，我们可以开发更有针对性的教学方法，帮助学习者更有效地掌握新单词。

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该研究还可能有助于开发新的语言治疗方法，例如针对中风或失语症患者的治疗方法。通过了解含义在大脑中的神经表征，我们可以设计更有效的治疗方法，帮助患者恢复语言功能。

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是的，该研究表明大脑对单词含义的理解是灵活和动态的，受句子上下文的强烈影响。一个词在不同的句子中可能具有不同的含义，而神经元活动会根据特定上下文调整对该词的响应。

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这也解释了为什么我们有时会对别人的话感到困惑或误解。如果我们没有充分的上下文信息，我们的神经元可能无法准确地推断出说话者打算传达的含义。