《神迹号·科学本周》二零一四0503

英国《自然》杂志在4月27日发表的一篇语言学论文中,描绘了叙事性语言含义在人类大脑中分布的详细图谱。这项研究可能有助于深入了解语言的神经生物学基础。

学生时代的女神从美国来我家做客。到家,女神问:“May
I use the
bathroom,please?”我暗自感叹女神说英语可真好听,心想舟车劳顿的她一定是想借浴室(bathroom)泡个澡放松一下。于是我忙不迭拿来毛巾,开始往浴缸放热水……

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语义信息是指任何有含义的语言、文字、数据、符号等提供的信息,也可以说,语义信息就是日常语言所包含的信息。此前已经有人提出,语义信息是在一整组大脑区域中呈现的,这一区域被统称为语义系统。然而,关于这个系统更详细的情况及规模,一直以来并不为人所知。

结果,哗哗的流水声却让女神面露难色。“我只是想借厕所(bathroom)一用。”女神弱弱地说了一句,“我们果然来自不同世界。”只言片语,让我内心当场崩溃。

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美国加州大学伯克利分校杰克·盖伦特和他的同事们,分析了包含不同语义范畴(几组有相似之处的概念,比如“食物”“工具”或“有生命的物体”)的口语叙事故事所激发的大脑反应。实验中,7位参与者听了超过两个小时的广播节目故事后,研究人员通过收集实验数据并对功能性核磁共振数据建模,绘制出人类大脑中语义信息功能呈现的图谱。然后,研究团队再使用特定算法分析图谱中每个区域的共有特征,在此基础上绘制出语义图谱集。

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一场语义引发的尴尬:你到底要借用哪个?图片来源:redlandplumbing.co.uk

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研究人员发现,语义系统广泛分布于两个半脑超过100个不同区域的皮质上,分布的模式十分复杂,但分布规律在不同个体上都是一致的,甚至特定语义范畴也似乎表现在语义系统中的特定区域上。不过,研究人员表示,参加实验者都在西方工业社会中长大并接受教育,拥有相似的生活经历,这一点可能对这种一致性产生了影响。

大脑怎样加工语义?

这样的误会来自于对“bathroom”这个词的理解差异:美国人习惯用它表示厕所,而英国人却倾向于理解为泡澡的浴室。人与人之间要进行流畅的沟通,有赖于准确理解对方言语背后所要表达的意思。这词语背后的含义,就是所谓的“语义”。对我们来说,人脑对语义的加工至关重要——它不仅仅是语言交流的核心,也是我们思考、计划、获取知识和解决问题的基础。

那么,语义加工的基础是什么?在早前,科学家们已经发现人脑中存在由一系列脑区所构成的“语义系统”(semantic
system)来对语义信息进行加工编码\[1\]。不过,其中哪些区域对应着怎样的语义却仍然是个谜——直到一项无比酷炫的研究成果被发表。 

就在这周,加州大学伯克利分校的杰克·加兰特(JackL. Gallant
)团队在《自然》杂志上发表论文,宣布首次通过记录人类对语言刺激的反应绘制出了大脑的“语义图谱”。这篇论文(点击可看全文)\[2\],也成为了本周《自然》杂志的封面文章。

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本期《自然》封面。这份语义图谱的存在,向人们揭示了“词语变为意义之处”。图片来源:nature

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如果大脑是一部词典

乍眼望去,这份大脑语义图谱就像一本被揉皱了的词典,上面密密麻麻地印着英文单词:

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大脑语义图谱示意图。颜色类似的词语语义相近,如红色表示与“人类”“社会活动”相关的词语,蓝色表示与“客观存在事物”相关的词语。图片来源:Alexander
G. Huth/nature video

当然,这里使用的只是效果图。大脑这个系统实在太复杂,实际上科研团队绘制的只是语义特征图谱——它标示出当人听到某一个单词时,大脑的哪些相应位置会做出应答。利用这本皱巴巴的“词典”,研究者得以描述大脑如何储存词语或语义知识。

词典的载体是纸张,而这部“语义词典”的载体则是7个人的大脑——其中就有这篇论文的第一作者亚历山大·胡思(Alexander
G. Huth)和第二作者温蒂·德·希尔(Wendy A. de
Heer)的。在实验中,7名志愿者收听播客节目“飞蛾广播时间”(The Moth Radio
Hour)中的故事超过2个小时。在此期间,研究者对他们的大脑进行功能性磁共振成像(fMRI),通过测量血氧含量变化来间接测量大脑对某个词语的反应。最终涉及多达10470个词语的语义图谱,就是从这种看上去简单粗暴的方法中逐步诞生的。 

在探究大脑怎样对这一万多个词语的语义进行编码前,研究者首先确立了这些词语的语义特征。他们计算了这些词语和985个基本英文词汇同时出现的频率,来给这些词语“贴标签”:比如,“火锅”一词和“美食”同时出现的几率较高,而和“风景”同时出现的几率相对较低,那么“火锅”一词就具有较强的“美食”特征和较弱的“风景”特征。 

随后,他们通过运算研究哪些脑区域会对哪些语义特征产生反应,开始搭建一个模型。如果将志愿者听到的不同单词比作在朋友圈发出的不同图片,建模的过程就有点像调查谁会对什么类型的朋友圈点赞:美食图鸡汤文经验帖秀恩爱,分别会引来特定的人群点赞,而在这个例子里,前来“点赞”的就是那些被特定语义激活的大脑神经元。

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在图中指定的区域,神经元会被对语义与社交相关的单词激活。早在2012年,同一个实验室的一项早期研究就使用过类似的方法构建出概念网络\[3\]。不过当时他们使用的是影像短片刺激,所以得出的结论主要围绕物体是如何被识别、分类的。由于使用的是视觉刺激,于是无法排除视觉因素的影响。但这一次,他们通过使用语言刺激直接绘制出语义图谱,相同的脑活动只能归因于语义上的类似。图片来源:gallantlab.org

这样建起来的模型靠不靠谱?一试便知。研究者让志愿者收听新的故事,并根据建立的模型来预测他们大脑会发生怎样的应答。通过比较预测结果和脑部实际的反应情况,他们就知道自己的模型是否准确了。结果表明,研究者的模型表现得很好。

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大脑词典告诉我们什么?

当你靠近研究者绘制的这部“大脑词典”,你会看见上面花花绿绿的——研究者将那一万多个单词大致分成了视觉、社交、时间、数字等12个语义类别,用不同的颜色进行标记。从色块的分布我们不难发现,特定的脑区只对某些特定的语义类型做出反应,也即具有“语义选择性”。因此,语义相近的词语存在于大脑相邻近的区域。

这种应答模式的结果是,具有多个不同含义的词语往往会分布式存在于“大脑词典”的多个区域。例如,听到“top”这个词时,与数字/测量有关的语义网络活动会增加(top表示最大的,最高的),而与建筑相关(top表示顶端,楼顶)及与衣服相关(top表示上衣)的语义网络也会活跃。于是,这些分散成网状的神经活动共同定义了“top”这个词。

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将大脑词典“摊开”后,我们会发现单词“top”会因为语义差异而激活三个不同的语义区域(红色圆圈)。这三个区域分别是与数字、建筑和衣物相关的语义区。图片来源:Alexander
G. Huth/nature video

另一个一眼就看出特征,在于这些单词几乎布满了全脑。以往人们认为语义信息集中储藏在某些语言相关脑区,而且主要集中在左半球。但胡思和同事所绘制的图谱提示,语义信息其实在大脑有着及其广泛的分布:语义网络在额、顶、颞、枕叶均有分布,而且语义在两个半球的表征分布几乎是对称的。此外,语义网络与人脑其他已知的功能区域也有着紧密的联系——例如在听到“strip(条纹)”一词时,与视觉相关脑区邻近的语义网络区活动会显著提高。

更令人惊喜的是,从参与实验的七个志愿者的数据来看,尽管每个人的“大脑词典”各不相同,但却又共享着惊人地相似点。以以下三个志愿者的语义图谱为例,他们的大脑不但所表征的语义内容相近,各种颜色在图谱中的分布也十分类似。正如胡思在论文中说,人类的语义网络是一个错综复杂的系统,但与此同时个体间表现出极大的一致性。

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其中三名志愿者的语义图谱,可见各个不同颜色分布的相似性。图片来源:Alexander
G. Huth/nature video

生物学

语义词典如何变化?

这五彩斑斓的“词典”让我对世界又有了新的认识。想来我和女神之间的小误会并不是因为我们看待世界的方式截然不同,而可能只是由于“bathroom”这个词点亮了我们语义系统里的不同区域(一个跟“马桶”比较近,一个跟“浴缸”比较近?或许吧)。 

这样的尴尬差异,是不是因为受到不同语言文化环境的影响?我不禁脑洞大开:不同环境中生长的人,语义网络会发展出质的不同吗?反之,在相同环境中生活的两个人,他们的语义网络可能变得重合度高吗?如果我身处女神所在的环境,是不是就能慢慢融入女神的世界了呢?

然而,这些问题我都没有答案。由于这项研究里的志愿者都是来自同样的西方文化,所以要回答以上问题,还得有赖于进一步的跨文化比较研究。想到这里,看着窗外春意盎然的我,内心又闪过一丝凄凉:科学什么时候才能改变我的生活?算了,为了走进女神的世界,我先去钻研一下美国人的“大脑词典”。

啊你问在哪有得看?这个研究小组在网上公开发布了他们绘制的大脑图谱。如果你也想想翻翻这神奇的“词典”,马上前往他们的网站吧:

​视频来源:nature
video

(编辑:Calo)

快乐基因定位

参考文献:

  1. Binder, J. R., Desai, R. H., Graves, W. W. &Conant, L. L. Where is
    the semantic system? A critical review and meta-analysisof 120
    functional neuroimaging studies. Cereb. Cortex 19, 2767–2796(2009). 
  2. Huth, A.
    G., de
    Heer, W. A., Griffiths T.
    L., Theunissen, F. E.
    & Gallant,J. L. Natural
    speech reveals the semantic maps that tile human cerebral cortex.
    Nature 532, 453–458
    (2016) 
  3. Huth, A. G., Nishimoto, S., Vu, A. T. & Gallant,J. L. A continuous
    semantic space describes the representation of thousands ofobject
    and action categories across the human brain. Neuron 76,
    1210–1224(2012). 

研究人员在进行了对298,000位调查对象的国际性调查研究后首次分离出使人类感受到的快乐有所差异的基因组的几个部分。

文章题图:Alexander G. Huth/nature video

此次发现有三个基因变体与感受快乐的差异性有关。其中两个相关于抑郁症状中的差异,而基因组的十一个部位相关于情绪稳定性的各种程度。这种关于快乐的基因变体主要表现在中枢神经系统,肾上腺素和胰腺系统。这项研究结果发表在《自然遗传学》杂志。

这项研究既是个里程碑也是个新的开始:称之为里程碑是因为,它确定了快乐感取决于遗传方面的因素。说它是新开始则因为:既然三个基因变体只是造成人与人之间差异的一小部分。那么估计还有很多变体在起作用。“为这些变体定位也能让我们更好地研究先天和后天之间的相互影响,因为在一定程度上环境肯定会使得人们体验快乐的方式不尽相同。”

http://t.cn/RqO1Noy

生物学

尽管鸦类的大脑很小,但却可能和黑猩猩一样聪明

一项新研究显示尽管乌鸦的大脑比较小,但它们像黑猩猩一样聪明。这表明虽然大脑体积小,但是神经元的密度和鸟类的大脑结构在它们的智力方面起到了非常重要的作用。

智力很难测试,但是抑制控制,以及控制动物的冲动和选择更理性行为的能力是聪明的一方面。美国杜克大学的研究人员在2014年进行了大范围的研究。他们对36不同的动物物种,主要是灵长类和类人猿的抑制控制进行比较。该团队使用设定的圆筒试验。食物被放置在一个两侧开口的透明管中。动物所面临的挑战是使用侧面的开口,而不是试图直接在管壁处开口,以获取食物。为了成功获得食物,动物必须显示出一定的自我约束力,并选择更有效的策略才可以获得食物。

大量研究得出的结论是类人猿做的最好的,当涉及到的智力,似乎脑容量是绝对关键。然而,他们并没有进行对鸦科类进行圆筒测试。

此次研究人员首先训练鸟类,从一个两端开口的不透明管子中获得食物。然后,他们反复用透明管做试验。当动物看到食物,它们的自然冲动会让他们直接试图从透明管的管壁处获取管子中的食物,明显这是徒劳无功的。然而,试验中所有的乌鸦选择了从管子的两端进入管道。寒鸦与乌鸦的表现已经非常接近100%智力,堪比的倭黑猩猩和大猩猩的表现。

http://t.cn/Rqj4pAc

生物学

你的独特脑纹将是数据安全的未来

每个人都想变得独一无二,事实证明你确实是独一无二的:你的大脑应对刺激会有不同的反应,因此科学家们能够利用一种“脑纹”以百分百的准确率鉴别出你和其他人的不同。新研究是宾汉姆顿大学大脑生物系的成果。

http://t.cn/RqHKxgi

生物学

科学家用DNA制造出纳米级温度计

蒙特利尔大学的研究者利用DNA发明了一种温度计。这种人工编码的DNA,大小只有头发的1/20000。这种温度计可以测量微观环境的温度,这将极大地加深了人们对自然和纳米技术的了解。

Alexis
Vallée-Bélisle教授说:“近年来生化学家发现,蛋白质和RNA等生物分子在生物体内也会随着温度的变化而发生状态的改变。我们的团队受此启发,制造了各种编码的DNA温度计,这些DNA可以在特定的温度下解链,这样就实现了温度的测量。”

http://t.cn/RqHKJsz