Πώς τα κύματα του εγκεφάλου σερφάρουν στα ηχητικά κύματα για να επεξεργαστούν την ομιλία

Όταν μιλάει για το πού τα πεδία της νευροεπιστήμης και της νευροψυχολογίας έχουν πάρει λάθος τροπή, ο David Poeppel από το Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης δεν μασάει τα λόγια. «Υπάρχει ένα όργιο δεδομένων αλλά πολύ λίγη κατανόηση», είπε σε μια κατάμεστη αίθουσα στην ετήσια συνάντηση της Αμερικανικής Ένωσης για την Προώθηση της Επιστήμης τον Φεβρουάριο. Κατηγόρησε την «επιστημολογική στειρότητα» των πειραμάτων που κάνουν μετρήσεις κομματιών της καλωδίωσης του εγκεφάλου στο εργαστήριο, αλλά είναι χωρισμένοι από οποιεσδήποτε κατευθυντήριες θεωρίες σχετικά με συμπεριφορές και ψυχολογικά φαινόμενα στον φυσικό κόσμο. Είναι παραληρηματικό, είπε, να πιστεύουμε ότι απλά αθροίζοντας αυτά τα κομμάτια θα έχουμε τελικά μια ουσιαστική εικόνα περίπλοκης σκέψης.

Έδειξε το παράδειγμα του Caenorhabditis elegans , το στρογγυλό σκουλήκι που είναι ένα από τα πιο μελετημένα ζώα εργαστηρίου. «Εδώ είναι ένας οργανισμός που κυριολεκτικά γνωρίζουμε από μέσα προς τα έξω», είπε, επειδή η επιστήμη έχει επεξεργαστεί κάθε έναν από τους 302 νευρώνες του, όλες τις συνδέσεις τους και το πλήρες γονιδίωμα του σκουληκιού. «Αλλά δεν έχουμε ικανοποιητικό μοντέλο για τη συμπεριφορά του C. elegans ," αυτός είπε. "Κάτι μας λείπει."

Ο Πόπελ είναι κάτι περισσότερο από μια μύγα που επιτίθεται στο status quo:Πρόσφατα, το εργαστήριό του χρησιμοποίησε την πραγματική συμπεριφορά για να καθοδηγήσει το σχεδιασμό μιας μελέτης εγκεφαλικής δραστηριότητας που οδήγησε σε μια εκπληκτική ανακάλυψη στη νευροεπιστήμη του λόγου.

Κριτικές όπως του Poeppel πηγαίνουν πίσω εδώ και δεκαετίες. Στη δεκαετία του 1970, ο επιδραστικός υπολογιστικός νευροεπιστήμονας David Marr υποστήριξε ότι οι εγκέφαλοι και άλλα συστήματα επεξεργασίας πληροφοριών έπρεπε να μελετηθούν ως προς τα συγκεκριμένα προβλήματα που αντιμετωπίζουν και τις λύσεις που βρίσκουν (αυτό που αποκάλεσε υπολογιστικό επίπεδο ανάλυσης) για να δώσουν απαντήσεις σχετικά με λόγοι πίσω από τη συμπεριφορά τους. Η εξέταση μόνο του τι κάνουν τα συστήματα (αλγοριθμική ανάλυση) ή πώς το κάνουν φυσικά (μια ανάλυση υλοποίησης) δεν αρκεί. Όπως έγραψε ο Marr στο βιβλίο του που εκδόθηκε μετά θάνατον, Vision:A Computational Investigation into the Human Representation and Processing of Visual Information , «… το να προσπαθείς να καταλάβεις την αντίληψη κατανοώντας τους νευρώνες είναι σαν να προσπαθείς να καταλάβεις το πέταγμα ενός πουλιού κατανοώντας μόνο τα φτερά. Δεν μπορεί να γίνει."

Ο Poeppel και οι συν-συγγραφείς του συνέχισαν αυτή την παράδοση σε μια εφημερίδα που εμφανίστηκε στο Neuron πέρυσι. Σε αυτό, εξετάζουν τρόπους με τους οποίους η υπερβολική εξάρτηση από τα «επιτακτικά» εργαλεία για τον χειρισμό και τη μέτρηση του εγκεφάλου μπορεί να οδηγήσει τους επιστήμονες στην πλάνη. Πολλοί τύποι πειραμάτων, για παράδειγμα, προσπαθούν να χαρτογραφήσουν συγκεκριμένα πρότυπα νευρικής δραστηριότητας σε συγκεκριμένες συμπεριφορές - δείχνοντας, ας πούμε, ότι όταν ένας αρουραίος επιλέγει τον τρόπο να τρέξει σε έναν λαβύρινθο, οι νευρώνες πυροδοτούν πιο συχνά σε μια συγκεκριμένη περιοχή του εγκεφάλου . Αλλά αυτά τα πειράματα θα μπορούσαν εύκολα να παραβλέψουν τι συμβαίνει στον υπόλοιπο εγκέφαλο όταν ο αρουραίος κάνει αυτή την επιλογή, η οποία μπορεί να είναι εξίσου σχετική. Ή θα μπορούσαν να παραλείψουν ότι οι νευρώνες πυροδοτούν με τον ίδιο τρόπο όταν ο αρουραίος είναι στρεσαρισμένος, οπότε ίσως δεν έχει καμία σχέση με την επιλογή. Το χειρότερο από όλα, το πείραμα θα μπορούσε τελικά να μην έχει νόημα εάν η συμπεριφορά που μελετήθηκε δεν αντικατοπτρίζει με ακρίβεια οτιδήποτε συμβαίνει φυσικά:Ένας αρουραίος που πλοηγείται σε ένα εργαστηριακό λαβύρινθο μπορεί να βρίσκεται σε εντελώς διαφορετική ψυχική κατάσταση από αυτόν που στριμώχνεται μέσα από τρύπες στην άγρια ​​φύση. τα αποτελέσματα είναι επικίνδυνα. Τα καλά πειραματικά σχέδια μπορούν να φτάσουν μόνο τόσο μακριά για την επίλυση αυτών των προβλημάτων.

Η κοινή αντίκρουση στην κριτική του είναι ότι οι τεράστιες πρόοδοι που έχει κάνει η νευροεπιστήμη οφείλονται σε μεγάλο βαθμό στα είδη των μελετών που σφάλλει. Ο Poeppel το αναγνωρίζει, αλλά υποστηρίζει ότι η νευροεπιστήμη θα γνώριζε περισσότερα για πολύπλοκα γνωστικά και συναισθηματικά φαινόμενα (και όχι για νευρικές και γονιδιωματικές μικρολεπτομέρειες) εάν η έρευνα ξεκινούσε συχνότερα με μια συστηματική ανάλυση των στόχων πίσω από σχετικές συμπεριφορές, αντί να μεταπηδήσει σε χειρισμούς των νευρώνων που εμπλέκονται σε παραγωγή τους. Αν μη τι άλλο, αυτή η ανάλυση θα μπορούσε να βοηθήσει στη στόχευση της έρευνας με παραγωγικούς τρόπους.

Αυτό πέτυχαν πρόσφατα ο Poeppel και η M. Florencia Assaneo, μεταδιδάκτορας στο εργαστήριό του, όπως περιγράφεται στην εργασία τους για Science Advances . Το εργαστήριό τους μελετά τη γλωσσική επεξεργασία — «πώς τα ηχητικά κύματα βάζουν ιδέες στο κεφάλι σου», σύμφωνα με τα λόγια του Poeppel.

Όταν οι άνθρωποι ακούν ομιλία, τα αυτιά τους μεταφράζουν τα ηχητικά κύματα σε νευρικά σήματα που στη συνέχεια επεξεργάζονται και ερμηνεύονται από διάφορα μέρη του εγκεφάλου, ξεκινώντας από τον ακουστικό φλοιό. Χρόνια νευροφυσιολογικών μελετών έχουν παρατηρήσει ότι τα κύματα της νευρικής δραστηριότητας στον ακουστικό φλοιό κλειδώνουν στο "φάκελο" του ακουστικού σήματος - ουσιαστικά, τη συχνότητα με την οποία αλλάζει η ένταση. (Όπως το έθεσε ο Poeppel, "Τα εγκεφαλικά κύματα σερφάρουν στα ηχητικά κύματα.") Με πολύ πιστή "παρασυρμό" στο ηχητικό σήμα με αυτόν τον τρόπο, ο εγκέφαλος πιθανώς τμηματοποιεί την ομιλία σε διαχειρίσιμα κομμάτια για επεξεργασία.

Το πιο περίεργο είναι ότι ορισμένες μελέτες έχουν δει ότι όταν οι άνθρωποι ακούν προφορική γλώσσα, εμφανίζεται επίσης ένα παρασυρμένο σήμα στο τμήμα του κινητικού φλοιού που ελέγχει την ομιλία. Είναι σχεδόν σαν να μιλούν σιωπηλά μαζί με τις λέξεις που ακούγονται, ίσως για να βοηθήσουν την κατανόηση — αν και ο Assaneo μου τόνισε ότι οποιαδήποτε ερμηνεία είναι εξαιρετικά αμφιλεγόμενη. Οι επιστήμονες μπορούν μόνο να κάνουν εικασίες σχετικά με το τι πραγματικά συμβαίνει, εν μέρει επειδή η συμπλοκή του κέντρου του κινητήρα δεν συμβαίνει πάντα. Και ήταν ένα μυστήριο εάν ο ακουστικός φλοιός οδηγεί άμεσα το μοτίβο στον κινητικό φλοιό ή εάν κάποιος συνδυασμός δραστηριοτήτων σε άλλα σημεία του εγκεφάλου είναι υπεύθυνος.

Ο Assaneo και ο Poeppel ακολούθησαν μια νέα προσέγγιση με μια υπόθεση που συνέδεε την πραγματική συμπεριφορά της γλώσσας με την παρατηρούμενη νευροφυσιολογία. Παρατήρησαν ότι η συχνότητα των συμπαρασυρόμενων σημάτων στον ακουστικό φλοιό είναι συνήθως περίπου 4,5 Hertz — που τυχαίνει επίσης να είναι ο μέσος ρυθμός με τον οποίο ομιλούνται οι συλλαβές σε γλώσσες σε όλο τον κόσμο.

Στα πειράματά της, η Assaneo έβαλε τους ανθρώπους να ακούνε ανόητες χορδές συλλαβών που παίζονταν με ρυθμούς μεταξύ 2 και 7 Hertz, ενώ μέτρησε τη δραστηριότητα στους ακουστικούς και κινητικούς φλοιούς της ομιλίας τους. (Χρησιμοποιούσε ανόητες συλλαβές έτσι ώστε ο εγκέφαλος να μην έχει σημασιολογική απόκριση στην ομιλία, σε περίπτωση που αυτό θα μπορούσε να επηρεάσει έμμεσα τις κινητικές περιοχές. «Όταν αντιλαμβανόμαστε κατανοητή ομιλία, το εγκεφαλικό δίκτυο που ενεργοποιείται είναι πιο περίπλοκο και εκτεταμένο», εξήγησε. ) Εάν τα σήματα στον ακουστικό φλοιό οδηγούν αυτά στον κινητικό φλοιό, τότε θα πρέπει να παραμείνουν παρασυρμένα μεταξύ τους καθ' όλη τη διάρκεια των εξετάσεων. Εάν το σήμα του φλοιού του κινητήρα είναι ανεξάρτητο, δεν θα πρέπει να αλλάξει.

Αλλά αυτό που παρατήρησε ο Assaneo ήταν μάλλον πιο ενδιαφέρον και εκπληκτικό, είπε ο Poeppel:Οι κινητικές δραστηριότητες ακουστικής και ομιλίας παρέμειναν παρασυρόμενες, αλλά μόνο μέχρι περίπου 5 hertz. Μόλις ο ήχος άλλαξε γρηγορότερα από την προφορική γλώσσα, ο κινητικός φλοιός έπεσε εκτός συγχρονισμού. Ένα υπολογιστικό μοντέλο επιβεβαίωσε αργότερα ότι αυτά τα αποτελέσματα ήταν συνεπή με την ιδέα ότι ο φλοιός του κινητήρα έχει τον δικό του εσωτερικό ταλαντωτή που λειτουργεί φυσικά σε περίπου 4 έως 5 hertz.

Αυτά τα πολύπλοκα αποτελέσματα δικαιώνουν την προσέγγιση που σχετίζεται με τη συμπεριφορά των ερευνητών με διάφορους τρόπους, σύμφωνα με τους Poeppel και Assaneo. Ο εξοπλισμός τους παρακολουθεί 160 κανάλια στον εγκέφαλο με ρυθμούς δειγματοληψίας έως 1 Hertz. παράγει τόσα πολλά νευροφυσιολογικά δεδομένα που αν είχαν απλώς αναζητήσει συσχετισμούς σε αυτά, αναμφίβολα θα είχαν βρει ψευδείς. Μόνο ξεκινώντας με πληροφορίες που αντλούνται από τη γλωσσολογία και τη γλωσσική συμπεριφορά - την παρατήρηση ότι υπάρχει κάτι το ιδιαίτερο στα σήματα στην περιοχή 4 έως 5 Hertz επειδή εμφανίζονται σε όλες τις ομιλούμενες γλώσσες - οι ερευνητές ήξεραν να περιορίσουν την αναζήτησή τους για νόημα δεδομένα σε αυτό το εύρος. Και οι συγκεκριμένες αλληλεπιδράσεις των ακουστικών και κινητικών φλοιών που βρήκαν είναι τόσο διαφοροποιημένες που οι ερευνητές δεν θα σκέφτηκαν ποτέ να τις αναζητήσουν μόνοι τους.

Σύμφωνα με τον Assaneo, συνεχίζουν να διερευνούν πώς αλληλεπιδρούν οι ρυθμοί του εγκεφάλου και της ομιλίας. Μεταξύ άλλων ερωτήσεων, είναι περίεργοι για το αν οι πιο φυσικές εμπειρίες ακρόασης θα μπορούσαν να άρουν τα όρια στη συσχέτιση που είδαν. "Θα μπορούσε να είναι πιθανό η καταληπτότητα ή η προσοχή να αυξάνει το εύρος συχνοτήτων του συμπαρασύρματος", είπε.