在人工语言网络的帮助下，麻省理工学院的神经科学家们发现了哪种句子最有可能激活大脑的关键语言处理中心。

这项新研究表明，由于语法不同寻常或含义出乎意料，更复杂的句子会在这些语言处理中心产生更强烈的反应。非常直接的句子几乎不涉及这些区域，而无意义的单词序列也对它们没有多大作用。

例如，研究人员发现，这个大脑网络在阅读不寻常的句子时最为活跃，比如“买入卖出信号仍然是特定的”，这些句子来自一个名为C4的公开语言数据集。然而，当阅读一些非常简单的东西时，比如“我们坐在沙发上”，它就安静下来了。

麻省理工学院神经科学副教授、麦戈文大脑研究所成员伊芙琳娜·费多连科说:“输入必须足够像语言，才能让系统参与进来。”“然后在那个空间里，如果事情真的很容易处理，那么你就不会有太多的反应。但如果事情变得困难或令人惊讶，如果有一个不寻常的结构或一组不寻常的单词，你可能不太熟悉，那么网络就必须更加努力地工作。”

Fedorenko是这项研究的资深作者，该研究发表在今天的《自然人类行为》杂志上。麻省理工学院的研究生Greta Tuckute是这篇论文的主要作者。

处理语言

在这项研究中，研究人员将重点放在了大脑左半球的语言处理区域，其中包括布洛卡区以及大脑左额叶和颞叶的其他部分。

塔库特说:“这个语言网络对语言有很强的选择性，但要真正弄清楚这些语言区域发生了什么就更难了。”“我们想发现什么样的句子，什么样的语言输入，驱动左半球的语言网络。”

研究人员首先汇编了一组1000个句子，这些句子来自各种各样的来源，包括小说、口语文字、网络文本和科学文章等。

研究人员用功能性磁共振成像(fMRI)测量了五名参与者的语言网络活动，他们阅读了每个句子。然后，研究人员将这1000个句子输入到一个大型语言模型中——一个类似于ChatGPT的模型，它通过预测大量文本中的下一个单词来学习生成和理解语言——并测量模型对每个句子的响应激活模式。

一旦他们有了所有这些数据，研究人员训练了一个映射模型，称为“编码模型”，它将人类大脑中看到的激活模式与人工语言模型中观察到的激活模式联系起来。经过训练后，该模型可以根据人工语言网络对这1000个句子的反应来预测人类语言网络对任何新句子的反应。

然后，研究人员使用编码模型来识别500个新句子，这些句子将在人类大脑中产生最大的活动(“驱动”句子)，以及在大脑语言网络中引起最小活动的句子(“抑制”句子)。

在一组三名新的人类参与者中，研究人员发现这些新句子确实像预期的那样驱动和抑制了大脑活动。

“这种语言处理过程中大脑活动的‘闭环’调节是新颖的，”塔库特说。“我们的研究表明，我们使用的模型(语言模型激活和大脑反应之间的映射)足够准确。这是这种方法首次在涉及高级认知的大脑区域得到证实，比如语言网络。”

语言的复杂性

为了弄清楚是什么让某些句子比其他句子更能驱动活动，研究人员基于11种不同的语言特性分析了这些句子，包括语法性、合理性、情感效价(积极或消极)，以及句子内容可视化的难易程度。

对于每一个属性，研究人员要求来自众包平台的参与者对句子进行评分。他们还使用了一种计算技术来量化每个句子的“惊喜”，或者与其他句子相比，它有多不寻常。

分析结果显示，含有较高惊讶度的句子在大脑中产生较高的反应。研究人员说，这与之前的研究一致，即人们在处理高惊讶度的句子时更困难。

另一个与语言网络反应相关的语言属性是语言复杂性，它是通过一个句子遵守英语语法规则的程度以及它的合理性来衡量的，也就是说，除了语法之外，内容有多大的意义。

两个极端的句子——要么极其简单，要么复杂到完全没有意义——在语言网络中几乎没有引起任何激活。最大的回应来自于一些有意义但需要努力去理解的句子，比如“Jiffy Lube of - of therapies, yes”，这来自于当代美国英语语料库数据集。

费多连科说:“我们发现，引起大脑最高反应的句子有奇怪的语法和/或奇怪的含义。”“这些句子有点不寻常。”

研究人员现在计划看看他们是否能将这些发现推广到英语以外的语言使用者身上。他们还希望探索什么样的刺激可以激活大脑右半球的语言处理区域。

该研究由科学中心的亚马逊奖学金、美国大学妇女协会的国际博士奖学金、麻省理工学院- ibm沃森人工智能实验室、美国国立卫生研究院、麦戈文研究所、西蒙斯社会大脑中心和麻省理工学院大脑与认知科学系资助。

作者：Anne Trafton | MIT新闻

链接：https://news.mit.edu/2024/complex-unfamiliar-sentences-brains-language-network-0103

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