非常に詳細な脳地図が言語符号化ニューロンの活動を示す

科学者たちは脳の活動を「盗聴」することで、さまざまな単語の意味をコード化するニューロンのこれまでで最も高解像度のマップを作成した。この結果は、個人を超えて、脳が同じ標準的なカテゴリーを使用して単語を分類し、音を意味に変換するのに役立っていることを示唆しています。

「この研究は英語の単語のみに基づいています。しかし、脳がどのように単語を言語ライブラリに保存するかを理解する上で大きな前進です」と、マサチューセッツ工科大学（マサチューセッツ工科大学ケンブリッジ校）の神経外科医、ジヴ・ウィリアムズ氏は述べています。 「異なる単語に反応する脳細胞の重なり合う集合をマッピングすることで、脳にとって単語が何を意味するのかを示すシソーラスの構築を始めることができます。」

セマンティックマップ

脳には聴覚皮質と呼ばれる領域があり、人間の耳に入ってきた単語の音を処理する役割を担っています。しかし、単語の「意味論的意味」、つまり単語の本質や要点を処理するのは、高次の脳活動が起こる領域である前頭前皮質です。

これまでのいくつかの実験では、脳活動の指標となる脳内の血流画像を分析することで、このプロセスを研究してきました。このような方法により、研究者は脳の小さな領域に単語の意味をマッピングすることができます。

しかし、ウィリアムズ氏とその同僚は、個々のニューロンがどのように言語をリアルタイムで符号化するかを観察するユニークな機会を発見した。彼のチームは、てんかん手術を受ける予定のボランティア10人を募集し、それぞれの脳に電極を埋め込んで発作の原因を特定した。研究チームは電極を使って、各ボランティアの前頭前皮質にある約300個のニューロンの活動を記録することができた。

ボランティアが合計約450語の短い文章を聞いている間、科学者はどのニューロンがいつ活動したかに関する詳細な情報を記録した。ウィリアムズ氏は、研究チームが前頭前皮質の数十億のニューロンのうちのほんの一部の活動のみを記録したにもかかわらず、単語ごとに約2～3個の別々のニューロンが光っていることを発見した。次に研究者らは、同じ神経活動を引き起こす単語間の類似点を調べた。

多能性ニューロン

行動や人間に関連する単語など、類似のカテゴリに属する​​単語には、同じニューロン グループが反応することがあります。研究チームはまた、「アヒル」と「卵」など、脳が互いに関連付けることができる単語が、同じニューロンの一部を活性化させることも発見した。 「マウス」と「ラット」など、意味が似ている単語は、「マウス」と「ニンジン」によって引き起こされる神経活動よりも、より類似した神経活動のパターンを引き起こします。他のニューロングループは、「上」や「後ろ」といったより抽象的な概念を含む単語に反応します。

このように、脳が単語に割り当てたカテゴリーは参加者間で類似しており、人間の脳は同じように意味のグループを統合できることを示唆しています。前頭前皮質のニューロンは、単語を音ではなく意味によって区別します。たとえば、文章の中で「息子」という単語を聞くと、家族に関連する単語が点灯します。しかし、これらのニューロンは、単語の発音がほぼ同じであるにもかかわらず、同じ文中の「Sun」という単語には反応しなかった。

心を読む

研究者は、ニューロンの発火を観察することによって、ある程度まで人々が何を聞いているかを判断することができます。たとえば、文章を正確に再現することはできませんが、文章に動物、動作、食べ物の種類がその順序で含まれていることはわかります。研究者たちは、単語とその種類に対応するニューロンだけでなく、単語が話された順序も特定することができた。自然な速度での言語は、障害を持つ人々の発話能力を回復させる将来の脳コンピューターインターフェースデバイスの開発に極めて重要となるだろう。