Как быстро наше слово отзовется
Когда мозг начинает извлекать смысл из прочитанного и как на этот процесс влияет контекст
Головной мозг понимает сказанное, прочитанное, услышанное уже через 150 миллисекунд, то есть гораздо быстрее, чем считалось раньше. Это открытие позволит уточнить причины дислексии и создать новые методы ее лечения.
Механизм распознавания может активироваться в 2,5 раза быстрее, чем считалось ранее
Фото: Brian Snyder / Reuters
Механизм распознавания может активироваться в 2,5 раза быстрее, чем считалось ранее
Фото: Brian Snyder / Reuters
Классические ранние работы 1980-х годов связывали семантическую обработку в нашем головном мозге прежде всего с так называемым компонентом N400, который возникает примерно через 300–500 миллисекунд после предъявления слова. Компонент N400 — это отрицательное отклонение потенциала мозга с пиком амплитуды примерно через 400 миллисекунд, каковое регистрировалось методом электроэнцефалографии (ЭЭГ) в ответ на неожиданное слово в предложении.
На средства Российского научного фонда (РНФ) (грант №23–78–00011) ученые Сколтеха и Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии провели на базе научной установке «Центр нейрокогнитивных исследований (МЭГ-Центр)» Московского городского педагогического университета эксперимент, в ходе которого определили, какие отделы головного мозга отвечают за быструю семантическую обработку законченных смысловых предложений и целых текстов и каким образом контекст влияет на этот процесс.
Полученные ими данные свидетельствуют о более высокой степени автоматизации мозговых механизмов в процессе чтения у человека, чем прежде считалось.
В ходе эксперимента на каждого из его участников надевали специальную шапочку с электродами (фиксировавшими их мозговую деятельность посредством магнитной энцефалограммы — МЭГ) и просили читать с экрана компьютера тексты сказок. Сначала им показывали первое слово предложения, которое исчезало с экрана спустя 150 миллисекунд, а следом сразу же появлялось следующее слово, и так продолжалось до последней точки. После прочитанной сказки ученые задавали участникам вопросы о смысле и содержании прочитанного ими текста. После обработки ответов участников ученые пришли к выводу, что при такой скорости люди прекрасно воспринимают, осмысливают и воспроизводят общий сюжет каждой прочитанной ими сказки.
«В наших работах и работах ряда других международных исследовательских коллективов подтверждается, что различия между словами по их значению могут проявляться уже через 50–200 миллисекунд. Наш вклад заключается в том, что большинство предыдущих исследований использовали в своих экспериментах отдельные слова или короткие предложения. Мы впервые показали признаки столь ранней семантической обработки при чтении связных повествовательных текстов — то есть в условиях, гораздо более близких к естественному чтению»,— говорит «Ъ-Наука» научный сотрудник ИВНДиНФ РАН Анастасия Неклюдова.
Выходило, что механизм распознавания необычных слов может активироваться в 2,5 раза быстрее, чем считалось ранее, что во многом меняет привычную картину того, как наш мозг обрабатывает речь.
Как мозг обрабатывает речь
Изучение процесса обработки речи в человеческом мозге началось еще в XIX веке. Одним из основных и первых ключевых открытий стала так называемая теория функциональной локализации, согласно которой мозг являет собой сложную систему из различных специализированных зон. В то время французский хирург-исследователь Поль Брока изучал мозг пациентов с нарушениями речи и сделал первые шаги в теории функциональной локализации головного мозга человека. В его трудах был определен участок мозга, управляющий речевой моторикой, который был назван зоной Брока. Из-за повреждения этой зоны понимание речи сохраняется, но способность говорить не поддерживается. человек продолжает понимать речь, но теряет способность говорить.
Позднее нейрофизиологи открыли и другие зоны в головном мозге, например, зону Вернике, отвечающую за понимание смысла слов. Современные исследования в области речевой нейробиологии продолжаются. Ученые теперь уже с помощью МРТ продолжают изучать области мозга, участвующие в обработке речи и языка. Но базовые понятия о работе мозга в процессе обработки звука с веками не меняются.
«Звук поступает в среднее ухо, далее сигнал идет по VIII паре черепных нервов и поступает в кору. В коре он обрабатывается в височной доле (область Вернике) в ассоциации с префронтальной корой. В височной коре происходит расшифровка звукового сигнала в слова, а префронтальная кора отвечает за формирование смысловой нагрузки»,— говорит научный сотрудник лаборатории нейроморфологии НИИ морфологии человека им. академика А. П. Авцына Александра Сентябрева.
Победить дислексию
Одним из поводов для усиления научных исследований в этой области стало развитие методов анализа больших данных и языковых моделей. Это позволило ученым количественно оценивать смысловые отношения между словами. «В нашей работе использовался подход word2vec, который дает возможность вычислять степень семантической неожиданности каждого слова в контексте рассказа. Для разработки новых методов диагностики нарушений чтения, систем нейроинтерфейсов необходимо знать, насколько быстро мозг начинает извлекать смысл из письменной речи»,— говорит научный сотрудник Сколтеха Гурген Согоян.
Word2vec — это метод в обработке естественного языка (NLP), основанный на ассоциациях, параллельно возникающих в головном мозге при произнесении того или иного слова. В работе ученые использовали теорию параллельной обработки информации. Имеющиеся у ученых данные показывают, что семантическая информация начинает влиять на мозговую активность уже через 120 миллисекунд после появления слова. Согласно концепции предиктивного кодирования, мозг непрерывно строит прогнозы относительно того, какая информация появится дальше. Когда слово соответствует ожиданиям контекста, нейронный ответ оказывается слабее; когда слово оказывается неожиданным, ответ усиливается.
«Кроме того, работа показывает, что мозг способен анализировать смысл текста даже при очень высокой скорости предъявления слов — 150 миллисекунд на слово. Это свидетельствует о высокой степени автоматизации процессов чтения у взрослого человека»,— продолжает Гурген Согоян.
Инновационные изыскания российских ученых дадут возможность глубже изучить и создать прочную научную основу для дальнейшей разработки новых диагностических и реабилитационных технологий для пациентов, страдающих разными заболеваниями, например дислексией. Это важно, ибо сегодня диагностика дислексии в основном основана на поведенческих тестах, в рамках которых оценивается скорость чтения, количество ошибок, понимание текста.
Как известно, дислексия является неоднородным расстройством, и у разных людей могут страдать разные механизмы: зрительное распознавание слов, фонологическая обработка, семантический анализ, интеграция информации в контексте текста и другие. Измерение ранних компонентов мозгового ответа может позволить точнее определять, на каком этапе возникает нейронное нарушение.
С академической научной точки зрения данная работа помогает ответить на вопрос, когда именно мозг начинает извлекать смысл из письменного слова и каким образом контекст влияет на этот процесс. Исследования продолжаются, и в будущем возможно создание систем нейрообратной связи, которые будут отслеживать эффективность обработки текста в режиме реального времени, говорят исследователи. «Если удастся надежно регистрировать ранние маркеры семантической обработки, то обучающие программы смогут адаптировать скорость предъявления материала и сложность текста под особенности конкретного человека»,— говорит научный сотрудник ИВНДиНФ РАН Анастасия Неклюдова.