科学者は異なる時間スケールで言語を処理するニューロンを発見 | MIT ニュース

神経科学者は機能的磁気共鳴画像法（fMRI）を使用して、言語処理を担う脳のいくつかの領域を特定しました。しかし、血流の変化を測定するfMRIは、小さなニューロン集団が何をしているのかを明らかにするのに十分な解像度がないため、それらの領域のニューロンの特定の機能を発見することは困難であることが判明しました。

現在、MIT の神経科学者たちは、脳の電気活動を直接記録するより正確な技術を使用して、異なる量の言語コンテキストを処理すると思われるさまざまなニューロンのクラスターを特定しました。これらの「時間ウィンドウ」は、1 語から最大 6 語までの範囲です。

研究者らは、時間的ウィンドウは各集団の異なる機能を反映している可能性があると述べている。より短いウィンドウを持つ集団は個々の単語の意味を分析する可能性がある一方、より長いウィンドウを持つ集団は単語が連結されたときに生じるより複雑な意味を解釈する可能性がある。

「言語ネットワーク内で明確な異質性を確認したのは今回が初めてです」とMITの神経科学准教授エヴェリーナ・フェドレンコ氏は言う。「何十回ものfMRI実験で、これらの脳領域はすべて同じことをしているように見えますが、これは大規模で分散したネットワークなので、そこには何らかの構造があるはずです。構造があることを明確に実証したのは今回が初めてですが、異なる神経集団は空間的に交互配置されており、fMRIではこれらの違いを見ることができません。」

MITのマクガバン脳研究所のメンバーでもあるフェドレンコ氏は、この研究の主任著者であり、 今日は 自然 人間の行動MITのポスドクであるタマー・レゲフ氏とハーバード大学の大学院生であるコルトン・カスト氏がこの論文の主著者である。

時間ウィンドウ

機能的 MRI は、科学者が脳のさまざまな部分の役割について多くのことを学ぶのに役立っており、脳内の血流の変化を測定することで機能します。これらの測定値は、特定のタスク中の神経活動の代理として機能します。ただし、fMRI 画像の各「ボクセル」、つまり 3 次元のチャンクは、数十万から数百万のニューロンを表し、約 2 秒間の活動を合計するため、それらのニューロンが何をしているかについての詳細を明らかにすることはできません。

神経機能に関するより詳細な情報を得る方法の 1 つは、脳に埋め込まれた電極を使用して電気活動を記録することです。この手順は、重度のてんかんなどの神経疾患の手術をすでに受けている患者にのみ行われるため、これらのデータを入手するのは困難です。

「これらの患者は比較的まれであり、特定の患者では臨床上の必要性に基づいて特異な場所に電極が埋め込まれるため、タスクに十分なデータを取得するには数年かかることがあります。そのため、皮質の特定のターゲット部分を十分にカバーするデータセットを組み立てるにはしばらく時間がかかります。しかし、もちろん、これらのデータは人間の脳から取得できる最高の種類のデータです。空間的にどこにいるかを正確に把握でき、非常にきめ細かい時間情報が得られます」とフェドレンコ氏は言います。

2016 年の研究で、フェドレンコ氏はこの手法を使って 6 人の言語処理領域を研究したと報告しています。被験者が 4 種類の言語刺激 (完全な文章、単語のリスト、非単語のリスト、および「ジャバウォック」文 (文法的構造はあるが意味のない単語で構成されている文)) を読んでいる間の電気活動が記録されました。

これらのデータは、被験者が文章を読んでいるときに、言語処理領域の一部の神経集団の活動が数語にわたって徐々に増加することを示しました。しかし、被験者が単語のリスト、非単語のリスト、ジャバウォックの文章を読んでいるときには、この現象は起こりませんでした。

新しい研究で、レゲフ氏とキャスト氏はそれらのデータに戻り、時間的反応プロファイルをより詳細に分析した。元のデータセットには、6 人の患者にわたる 177 個の言語反応電極からの電気活動の記録があった。控えめな見積もりでは、各電極は約 20 万個のニューロンからの活動の平均を表していると思われる。彼らはまた、別の 362 個の言語反応電極からの記録を含む、2 番目の 16 人の患者から新しいデータを入手した。

研究者らがこれらのデータを分析したところ、一部の神経細胞群では、活動が単語ごとに上下に変動することがわかった。しかし、他の神経細胞群では、活動が複数の単語にわたって増加してから再び減少し、さらに他の神経細胞群では、より長い単語の範囲にわたって神経活動が着実に増加することがわかった。

研究者らは、異なる時間枠で刺激を処理するために設計した計算モデルによる予測とデータを比較することで、言語処理領域の神経集団を 3 つのクラスターに分けられることを発見しました。これらのクラスターは、1 語、4 語、または 6 語の時間枠を表します。

「これらの神経集団が文章に沿って異なる時間スケールにわたって情報を統合しているように見えます」とレゲブ氏は言う。

言葉と意味の処理

研究者らは、こうした時間的ウィンドウサイズの違いは、fMRI では確認できなかっただろうと述べている。

「fMRI の解像度では、言語に反応する領域内に大きな異質性は見られません。個々の被験者の脳内で言語に最も反応するボクセルを特定してみると、文章、単語リスト、ジャバウォック風の文章、非単語リストに対する反応が非常に似ていることがわかります」とカスト氏は言う。

研究者らは、これらのクラスターが見つかった解剖学的な位置も特定することができた。最も短い側頭葉ウィンドウを持つ神経集団は主に後側頭葉に見られたが、一部は前頭葉または前側頭葉にも見られた。より長い側頭葉ウィンドウを持つ他の 2 つのクラスターの神経集団は、側頭葉と前頭葉全体に均等に広がっていた。

フェドレンコ氏の研究室は現在、これらの時間スケールが異なる機能に対応しているかどうかを研究する予定です。1 つの可能性としては、最も短い時間スケールの集団は単一の単語の意味を処理しているのに対し、より長い時間スケールの集団は複数の単語で表される意味を解釈している可能性があるということです。

「言語ネットワークでは、単語の組み合わせや個々の単語の意味に敏感であることはすでにわかっています」とレゲブ氏は言う。「したがって、これは、最長の時間スケールが構文や単語間の関係などに敏感で、最短の時間スケールが単語そのものや単語の一部の特徴に敏感であるという、私たちの発見に当てはまる可能性があります。」

この研究は、ザッカーマン-CHE STEMリーダーシッププログラム、ポイトラス精神障害研究センター、ハーバード大学ケンプナー自然・人工知能研究所、米国国立衛生研究所、アメリカてんかん協会研究・研修フェローシップ、マクドネルシステム神経科学センター、Fondazione Neurone、マクガバン研究所、MIT脳認知科学部、サイモンズ社会脳センターの資金提供を受けて実施されました。