神经科学突破：利用AI揭示人类语言的细胞构建模块

最近发表在《自然》杂志上的一项研究提供了证据，证明人类大脑皮层中的单个脑细胞像专门的积木一样，搭建起口语的复杂架构。通过直接记录参与自然对话的人的大脑电活动，研究人员发现特定的神经元群专门负责处理不同的词性、句子结构和意义。这些发现描绘出一幅关于我们如何产生言语的详细细胞图谱，为最终开发出先进技术、帮助言语障碍患者恢复交流能力提供了思路。

语言是人类独有的能力，让我们能够表达无穷无尽的想法。“语言是人的重要特征之一，然而对于单个脑细胞是如何做到这一点的，我们却知之甚少，”研究作者、中国脑科学研究所首席研究员蔡静说。在宏观层面上，脑成像扫描显示，当我们说话时，额颞皮层的一个区域网络就会活跃起来。

额颞皮层是位于大脑前部和两侧附近的区域，在语言和认知中起着重要作用。虽然神经影像学能显示出大脑活动的大致区域，但它无法揭示自然说话过程中微观层面的细胞活动。脑部扫描看到的是宏观画面，但无法显示被称为神经元的单个脑细胞如何编码语法类别或词语之间的关系。

“人类语言是人类认知最非凡的方面之一，”蔡说。“它具有层次性、高度组合性，使我们能够轻松地相互交流。我在机器学习和大型语言模型方面的学术背景让我不禁想探究人脑中的单个神经元如何处理语言，以及单个神经元层面呈现出的特征是否与大型语言模型中的特征有相似之处。”

大型语言模型（LLMs）是一种高级人工智能程序，通过大量文本训练，来识别和预测人类语言的规律。在这种微观层面上研究大脑活动有助于搞清楚语言信息是如何在不同脑区分布的。科学家想弄清楚，单个神经元是否能识别句子的整体结构，以及它们如何编码不同的短语。

为了解析这些细胞过程，作者记录了八名人类参与者的大脑活动，其中包括三名女性和五名男性，平均年龄为四十岁。这些人都是已经安排接受手术监测的严重癫痫患者。作为医疗护理的一部分，他们的大脑中被暂时植入了小型微电极阵列。这些微型设备包含传感器网格，可以检测单个神经元的电信号，即动作电位。

在十四个不同的场次中，科学家们分离并追踪了579个单个神经元的活性。在记录过程中，参与者进行了没有预设脚本的自然对话。他们回答了各种问题和提示，讨论了从个人感受和空间位置到健康和观点等话题。参与者总共说出了10,460个词，构成了1,895个各不相同的句子。

科学家们将这些对话的音频记录与从神经元记录的电活动同步。他们使用自然语言处理模型来分析口语句子。这些程序就像自动化的语法老师，根据每个词的词性、语法角色及其在句子更广泛结构中的位置来标记它。

使用了两种不同类型的文本分析来对单词进行分类。成分句法分析把句子拆解为层层嵌套的结构单位，如名词短语和动词短语。依存句法分析则标出特定词语之间的直接语法关系，如修饰名词的形容词。研究人员寻找这些数学描述与细胞放电模式之间的联系。

数据揭示了神经元之间高度专业化的分工。大约百分之九的记录细胞优先对特定的词性做出反应。这些神经元会在参与者说出某类特定词语（如名词或动词）之前增强放电活动。

“我们很惊讶，单个神经元竟然能携带这么多信息，”蔡告诉PsyPost。“有些神经元负责处理详细的语法关系，而另一些则追踪更高层次的句子结构或意义。”

例如，大约16%的神经元监测一个词在句子结构中的层级位置，也就是说，它们追踪一个词在句子语法树中的嵌套深度。另外10%的细胞追踪依存关系，根据即将出现的词是充当直接宾语还是主语来调整自身的活动。

研究人员还发现，单个神经元往往会把意义和语法分开处理。大多数对语言有反应的细胞，要么专门处理句子的结构规则，要么专门处理词义，很少两者兼顾。只有约2%的记录细胞同时编码句法和语义信息。

“在大语言模型的帮助下，我们的发现表明，单个神经元并不是简单地对应单个词，而是灵活地组合在一起，共同来表达语法、意义和句子结构，”蔡指出。这些细胞作为一个整体，能准确反映语言中语法和语义的综合特征。这表明大脑使用一个由专门细胞组成的分布式网络来构建完整的语言表征。

为了探索这些细胞如何处理对话中更广泛的语境，科学家们使用大语言模型来分析一个词的含义如何随前文语境而变化。作者发现，神经元根据句子语境动态调整其放电模式，成功整合了前面多达五个词的信息。

“更让人惊讶的是，这些神经元会根据句子语境动态调整自己的反应，这说明单个脑细胞就能灵活地参与语言信息的处理，”蔡说。这种预测性的大脑活动，在参与者真正说出这个词之前大约一秒达到最强。

为了确认这些神经元确实是在根据语言环境做出反应，研究人员用随机调换的句子或无意义的替代词做了对照测试。当模型处理这些被打乱的输入时，它们无法再预测神经元的放电模式。这表明这些脑细胞在主动追踪对话的真实含义和走向。

这些特化神经元的分布，也让人们对大脑的组织方式有了新的认识。对语言有反应的细胞广泛分布在额叶和颞叶。然而，它们的反应强度并非处处相同。位于大脑左半球的神经元对语言特征的反应明显强于右半球的神经元。

这也符合医学上的一般认识，即在大多数人中，左半球通常在语言任务中占主导地位。作者还把单个神经元的活动，与周围脑组织中一般的背景电活动（也就是局部场电位）做了比较。局部场电位测量的是附近数千个细胞的同步活动。

研究人员发现，单个神经元在语言处理上的精准度和专一性，远高于在同一位置测到的范围更广的脑波。虽然某个特定的微观位置可能对某一类词表现出笼统的电反应，但正好位于这个位置的单个神经元，往往对完全不同的语言特征有反应。单个细胞就像高度专门化的过滤器一样，即使紧挨着它的细胞正在处理别的信息。

尽管这项研究提供了语言细胞基础的详细视角，但它也有局限性。“这只是单个神经元如何编码语言的初步图谱，并不是全部，”蔡解释道。“未来的研究需要从更多脑区进行记录，研究其他交流形式，比如语言理解和写作，并检验这些发现是否在不同情境和人群中同样成立。”

当前的分析也未涉及神经元如何编码言语中的表达性成分，比如语调、音高和情感起伏。由于这项研究的参与者都是癫痫患者，患者本身潜在的神经系统疾病也可能影响大脑活动的某些方面。然而，研究人员特意选择了语言功能完好的脑区，以尽量降低这一风险。

随着研究人员继续解析这些细胞层面的基本构件，这些发现可能支持新医疗技术的发展。“这让我们离理解大脑如何生成语言更近了一步，并为开发未来的脑机接口奠定了基础，这些接口有望帮助失去说话能力的人恢复交流能力，”蔡说。

这项研究，“利用语言模型绘制人类语言的神经元构建模块”，作者包括Jing Cai、Yoav Kfir、Mohsen Jamali、Hesen Huang、Young Joon Kim、Sydney S. Cash和Ziv M. Williams。