Koristeći funkcionalnu magnetnu rezonancu (fMRI), neuronaučnici su identifikovali nekoliko regiona mozga koji su odgovorni za obradu jezika.
Međutim, otkrivanje specifičnih funkcija neurona u tim regionima pokazalo se teškim jer fMRI, koji meri promene u protoku krvi, nema dovoljno visoku rezoluciju da otkrije šta rade male populacije neurona.
Sada, koristeći precizniju tehniku koja uključuje snimanje električne aktivnosti direktno iz mozga, neuronaučnici MIT-a su identifikovali različite grupe neurona za koje se čini da obrađuju različite količine jezičkog konteksta. Ovi „vremenski prozori“ se kreću od samo jedne reči do oko šest reči.
Vremenski prozori mogu odražavati različite funkcije za svaku populaciju, kažu istraživači. Populacije sa kraćim prozorima mogu analizirati značenja pojedinačnih reči, dok one sa dužim prozorima mogu tumačiti složenija značenja nastala kada su reči povezane.
„Ovo je prvi put da vidimo jasnu heterogenost unutar jezičke mreže“, kaže Evelina Fedorenko, vanredni profesor neuronauke na MIT-u. „U desetinama fMRI eksperimenata, čini se da sve ove oblasti mozga rade istu stvar, ali to je velika, distribuirana mreža, tako da tamo mora da postoji neka struktura.
„Ovo je prva jasna demonstracija da postoji struktura, ali različite neuronske populacije su prostorno isprepletene tako da ne možemo da vidimo ove razlike sa fMRI.“
Fedorenko, koji je takođe član MIT-ovog McGovern instituta za istraživanje mozga, stariji je autor studije, koja je sada objavljena u Nature Human Behavior. MIT postdoc Tamar Regev i diplomirani student Univerziteta Harvard Colton Casto su vodeći autori rada.
Funkcionalni MRI, koji je pomogao naučnicima da nauče mnogo o ulogama različitih delova mozga, funkcioniše merenjem promena u protoku krvi u mozgu. Ova merenja deluju kao pokazatelj neuronske aktivnosti tokom određenog zadatka.
Međutim, svaki „voksel“, ili trodimenzionalni deo fMRI slike, predstavlja stotine hiljada do milione neurona i sumira aktivnost za oko dve sekunde, tako da ne može da otkrije sitne detalje o tome šta ti neuroni rade .
Jedan od načina da dobijete detaljnije informacije o nervnoj funkciji je snimanje električne aktivnosti pomoću elektroda ugrađenih u mozak. Do ovih podataka je teško doći jer se ova procedura radi samo kod pacijenata koji su već na operaciji zbog neurološkog stanja kao što je teška epilepsija.
„Može potrajati nekoliko godina da se dobije dovoljno podataka za zadatak jer su ovi pacijenti relativno retki, a kod datog pacijenta elektrode se implantiraju na idiosinkratične lokacije na osnovu kliničkih potreba, tako da je potrebno neko vreme da se sastavi skup podataka sa dovoljnom pokrivenošću neki ciljni deo korteksa.
„Ali ovi podaci su, naravno, najbolja vrsta podataka koje možemo da dobijemo od ljudskog mozga: Vi tačno znate gde se nalazite prostorno i imate veoma detaljne vremenske informacije“, kaže Fedorenko.
U studiji iz 2016., Fedorenko je prijavio da je koristio ovaj pristup za proučavanje regiona obrade jezika šest ljudi. Snimana je električna aktivnost dok su učesnici čitali četiri različita tipa jezičkih stimulusa: kompletne rečenice, liste reči, liste nereči i „jabbervocki“ rečenice — rečenice koje imaju gramatičku strukturu, ali su napravljene od besmislenih reči.
Ti podaci su pokazali da bi se u nekim neuronskim populacijama u regionima za obradu jezika aktivnost postepeno povećavala tokom perioda od nekoliko reči, kada su učesnici čitali rečenice. Međutim, to se nije desilo kada su čitali liste reči, liste nereči, Jabbervocki rečenice.
U novoj studiji, Regev i Casto su se vratili na te podatke i detaljnije analizirali profile vremenskog odgovora. U svom originalnom skupu podataka, imali su snimke električne aktivnosti sa 177 elektroda koje reaguju na jezik na šest pacijenata.
Konzervativne procene sugerišu da svaka elektroda predstavlja prosečnu aktivnost od oko 200.000 neurona. Takođe su dobili nove podatke od drugog seta od 16 pacijenata, koji je uključivao snimke sa još 362 elektrode koje reaguju na jezik.
Kada su istraživači analizirali ove podatke, otkrili su da bi u nekim od neuronskih populacija aktivnost fluktuirala gore-dole sa svakom rečju. Kod drugih bi se, međutim, aktivnost nagomilala preko više reči pre nego što bi ponovo opala, a treći bi pokazivali stabilan porast neuronske aktivnosti tokom dužih raspona reči.
Upoređujući svoje podatke sa predviđanjima napravljenim pomoću računarskog modela koji su istraživači dizajnirali da obrađuju stimuluse sa različitim vremenskim prozorima, istraživači su otkrili da se neuronske populacije iz oblasti obrade jezika mogu podeliti u tri klastera. Ovi klasteri predstavljaju vremenske prozore od jedne, četiri ili šest reči.
„Zaista izgleda da ove neuralne populacije integrišu informacije u različitim vremenskim okvirima duž rečenice“, kaže Regev.
Ove razlike u veličini vremenskog prozora bilo bi nemoguće videti korišćenjem fMRI, kažu istraživači.
„U rezoluciji fMRI, ne vidimo mnogo heterogenosti unutar regiona koji reaguju na jezik. Ako kod pojedinačnih učesnika lokalizujete voksele u njihovom mozgu koji najviše reaguju na jezik, otkrićete da su njihovi odgovori na rečenice, liste reči, blebetanje. rečenice i liste bez reči su veoma slične“, kaže Casto.
Istraživači su takođe uspeli da odrede anatomske lokacije na kojima su ovi klasteri pronađeni. Neuralne populacije sa najkraćim temporalnim prozorom pronađene su pretežno u zadnjem temporalnom režnju, iako su neke takođe pronađene u frontalnim ili prednjim temporalnim režnjevima. Neuralne populacije iz druga dva klastera, sa dužim temporalnim prozorima, bile su ravnomernije raspoređene po temporalnim i frontalnim režnjevima.
Fedorenkova laboratorija sada planira da prouči da li ovi vremenski okviri odgovaraju različitim funkcijama. Jedna od mogućnosti je da populacije sa najkraćim vremenskim okvirom mogu da obrađuju značenja jedne reči, dok one sa dužim vremenskim okvirima tumače značenja predstavljena više reči.
„Već znamo da u jezičkoj mreži postoji osetljivost na to kako reči idu zajedno i na značenja pojedinačnih reči“, kaže Regev. „Dakle, to bi se potencijalno moglo preslikati na ono što nalazimo, gde je najduži vremenski okvir osetljiv na stvari poput sintakse ili odnosa između reči, a možda je najkraći vremenski okvir osetljiviji na karakteristike pojedinačnih reči ili njihovih delova.“
