Как мозг кодирует речь?

Каждый родитель с нетерпением ждет первое слово своего ребенка. В дальнейшем из слов формируются предложения, и вот уже вы сидите и отчаянно отбиваетесь от словесных нападок своего чада. Давайте разберемся, как же мозг формирует речь и как новые открытия помогут человечеству в будущем.
Во время разговора мы задействуем порядка ста мышц. Непрерывно двигая губами, челюстью, языком и гортанью, мы преобразуем наше дыхание в беглые последовательности звуков, формирующие слова и предложения.

Ученые из Сан-Франциско считают, что речевые центры мозга зависят от физических потребностей голосового тракта. Лингвисты делят речь на фонемы — кратчайшие звуковые единицы, способные различать звучание слов, что в некотором роде является «обманом слуха». Например, в английском языка звук [K] в словах «keep» и «coop» будет одинаковый. Но на самом деле рот образует звуки по-разному в зависимости от гласных, стоящих после букв К и С соответственно.

Вентральная сенсомоторная кора является ключевым центром речи. В своем исследовании Шартье (Chartier) и Ануманчипалли (Anumanchipalli) попросили пятерых добровольцев прочитать вслух сборник из 460 предложений, построенных в краткой форме. Предварительно этим людям непосредственно на кору головного мозга установили электрокортикографические электроды. Предложения охватывали полный диапазон коартикуляции и содержали разные фонемы, то есть были максимально приближены к естественной речи.

Стоит заметить, что уровень сложности эксперимента был намного выше, чем в ранее проводимых исследованиях с проговариванием слов по слогам. Новый подход позволил ученым идентифицировать отдельные группы нейронов, ответственные за конкретные модели движения голосового тракта, необходимые для создания плавных речевых звуков.
Эксперименты показали, что значительное разнообразие движений кодируется нейронами, окружающими отдельные электроды. Исследователи пришли к выводу, что существует четыре группы нейронов, которые отвечают за координацию движений мышц губ, языка и гортани, составляющие четыре основные конфигурации голосового тракта.
Также было замечено, что речевые центры нашего мозга координируют различные модели движения мышц, основанные на контексте того, что говорится и в каком порядке произносятся звуки. Например, челюсть открывается больше при произношении слова «tap», чем при слове «has». Несмотря на одинаковый звук гласных ([ae]), при слове «has» рот закрывается быстрее, чтобы произнести звук [z] .

«Теперь мы знаем, что сенсомоторная кора кодирует движения голосового тракта. Основываясь на этом, мы можем расшифровать сигналы из коры головного мозга и перевести их через речевой "протез", — сказал Шартье, — Это даст голос людям, которые не могут говорить, но имеют неповрежденные нейронные связи».
Чтобы приблизиться к разгадке кодирования слов в голове, ученые из Северо-Западного университета (США) провели ряд исследований и выяснили, что мозг контролирует выработку речи так же, как движение рук. Исследователи зарегистрировали сигналы от двух разных областей мозга и обнаружили, что мозг ставит две задачи: что сказать (звуки типа «па» и «ба») и как это сделать (движения губ, неба, языка и гортани).

Каков же процесс трансформирования мысли в речь? Как говорилось ранее, речь наполняется определенными звуками, называемыми фонемами, которые образуются с помощью координированных движений губ, языка, неба и гортани.

«Мы выдвинули гипотезу, что участок мозга, отвечающий за двигательную активность речи, может иметь аналогичную организацию с областями, отвечающими за движение рук», — поделился своими наблюдениями ведущий автор исследования доктор Марк Слуцкий (Marc Slutzky).
Для исследования была отобрана группа пациентов, оперируемых по поводу удаления опухоли мозга. Эксперимент заключался в следующем: пациентам было предложено прочитать слова с экрана во время операции. С помощью специальных электродов, установленных на поверхности коры мозга, исследователи получали сигналы, с помощью которых устанавливали области мозга, ответственные за произношение тех или иных звуков.
«Мы изучили два отдела мозга, помогающие формировать речь. Прецентральная извилина в большей степени отвечала за движение губ, языка, неба и гортани. Нижняя лобная извилина, представляющая собой область речи более высокого уровня, была ответственна и за фонемы, и за артикуляционные жесты», — поделился результатами исследования Слуцкий.

Результаты исследований в первую очередь важны для парализованных, как ныне покойный Стивен Хокинг, людей, которые имеют возможность мыслить, но не способны произнести свои мысли вслух. Для общения они используют специальные приборы, реагирующие на движение их глаз или щек и формирующие слова по одной букве за раз. Однако данный процесс достаточно медленный и неестественный и не дает возможность вести нормальный разговор. Ввиду новых открытий, ученые хотят помочь совершенно парализованным людям общаться интуитивно благодаря нейрокомпьютерному интерфейсу, помогающему расшифровывать команды, посылаемые мозгом на язык, небо, губы и гортань. В недалеком будущем человек захочет произнести слова — машина тотчас трансформирует их в речь.

Источники:

1. Chartier J. et al. Encoding of Articulatory Kinematic Trajectories in Human Speech Sensorimotor Cortex //Neuron. – 2018. – Т. 98. – №. 5. – С. 1042-1054.

2. Mugler E. M. et al. Differential Representation of Articulatory Gestures and Phonemes in Precentral and Inferior Frontal Gyri //Journal of Neuroscience. – 2018. – С. 1206-18.