Den Geheimnissen der menschlichen Sprache hat Auswirkungen auf die Entwicklung von Computer - Gehirn- Schnittstellen

Ein Team von Forschern an der UC San Francisco hat die neurologische Grundlage der Sprechmotorik , die komplexe koordinierte Aktivität von winzigen Hirnregionen, die Lippen , Kiefer, Zunge und Kehlkopf steuert , wie wir sprechen aufgedeckt.

In der Zeitschrift NaturHat die Arbeit potenzielle Auswirkungen auf die Entwicklung von Computer -Hirn- Schnittstellen für die künstliche Sprachkommunikation und für die Behandlung von Sprachstörungen . Es beleuchtet auch die Fähigkeit , die einzigartig ist für den Menschen unter den Lebewesen , aber wenig verstanden.

" Sprechen ist so bedeutsam für die , wer wir als Menschen - fast alle von uns zu lernen , zu sprechen ", sagte der leitende Autor Edward Chang , MD, Neurochirurg an der UCSF Epilepsie-Zentrum und ein Mitglied der Fakultät in der UCSF Zentrum für Integrative Neurowissenschaften . "Aber es ist wahrscheinlich das komplexeste Motorik wir tun. "

Die Komplexität kommt von der Tatsache , dass gesprochene Worte erfordern die koordinierten Bemühungen zahlreicher " Artikulatoren " im Vokaltrakt - der Lippen , Zunge, Kiefer und Kehlkopf - aber die Wissenschaftler haben nicht verstanden, wie die Bewegungen dieser unterschiedlichen Artikulatoren sind genau im Gehirn koordiniert .

Um zu verstehen wie Artikulations funktioniert , Chang und seine Kollegen aus dem Gehirn von drei Personen, die eine Gehirnoperation am UCSF aufgezeichnet elektrische Aktivität direkt und verwendet diese Informationen, um die räumliche Organisation der " Rede sensomotorischen Kortex ", die die Lippen steuert bestimmen , Zunge , Kiefer , Kehlkopf als eine Person spricht . Das gab ihnen eine Karte , welche Teile des Gehirns steuern, welche Teile des Vokaltrakts .

Sie wendeten dann eine anspruchsvolle neue Methode namens " Zustandsraum " Analyse , um die komplexen räumlichen und zeitlichen Muster neuronaler Aktivität in der Rede sensomotorischen Kortex , die aus zu spielen , wie jemand spricht beobachten. Dabei zeigte sich eine überraschende Raffinesse , wie das Gehirn die Rede sensomotorischen Kortex funktioniert.

Sie fanden heraus, dass diese kortikalen Bereich ist hierarchisch und zyklische Struktur, die einen Bruchteil einer Sekunde , Symphonie -ähnliche Kontrolle über die Zunge, Kiefer, Kehlkopf und Lippen ausübt.

" Diese Eigenschaften können kortikale Strategien, um die komplexe Koordination der Artikulatoren in flüssiges Sprechen erheblich vereinfachen widerspiegeln ", sagte Kristofer Bouchard , PhD, Postdoc im Labor Chang , der als erster Autor auf dem Papier war .

In der gleichen Weise , dass eine Symphonie beruht auf alle Spieler , ihre zupft , Beats zu koordinieren oder bläst , Musik zu machen , sprechen Anforderungen gut getimten Wirkung von mehreren verschiedenen Hirnregionen innerhalb des Sprach sensomotorischen Kortex .

Brain Mapping in Epilepsiechirurgie

Die an der Studie beteiligten Patienten waren alle an der UCSF Chirurgie für schwere , nicht behandelbare Epilepsie . Gehirnchirurgie ist eine leistungsfähige Methode zur Behandlung von Epilepsie in seinen Schienen zu stoppen , möglicherweise vollständig zu stoppen Anfälle über Nacht , und sein Erfolg ist direkt mit der Genauigkeit, mit der ein medizinisches Team kann das Gehirn abzubilden, die Identifizierung der genauen Gewebestücke für eine individuelle Anfälle und verantwortungsbezogene entfernen.

Die UCSF Umfassende Epilepsie-Zentrum ist führend in der Nutzung moderner Hirnüberwachungzu kartieren schwer anfalls verursacht Hirnregionen . Die Zuordnung wird durch chirurgische Implantation eine Elektrodenanordnung unter dem Totenkopf auf das Gehirn die Außenfläche oder Rinde und Aufzeichnung Aktivität des Gehirns , um die Teile des Gehirns zum Deaktivieren Anfälle verantwortlich lokalisieren getan . In einer zweiten Operation einige Wochen später werden die Elektroden entfernt und der ungesunden Hirngewebe , die Anfälle verursacht wird entfernt.

Diese Einstellung ermöglicht auch eine seltene Gelegenheit, grundlegende Fragen über , wie das menschliche Gehirn funktioniert , wie zum Beispiel , wie es steuert sprechen bitten. Die neurologische Basis der Sprechmotorik bislang unbekannt geblieben , weil Wissenschaftler können Sprachmechanismenbei Tieren nicht zu studieren , und weil nicht-invasiven bildgebenden Verfahren fehlt die Fähigkeit, die sehr schnellen Zeitverlauf der Artikulator Bewegungen, die in Hundertstelsekunden ändern zu lösen.

Aber auch OP Brain Mapping können neuronale Aktivität unmittelbar und schneller aufnehmen als andere nicht-invasive Verfahren , welche Veränderungen in der elektrischen Aktivität in der Größenordnung von einigen Millisekunden .

Vor dieser Arbeit wurde der Großteil von dem, was die Wissenschaftler wussten über diese Hirnregion auf Studien aus den 1940er Jahren , die elektrische Stimulation von einzelnen Spots auf das Gehirn verwendet , was zu einem Zucken in den Muskeln des Gesichts oder Hals basiert . Dieser Ansatz der Verwendung von Brenn Stimulation konnte jedoch nie evozieren eine sinnvolle Sprachlaut .

Chang und seine Kollegen verwendeten einen ganz anderen Ansatz , um die Untersuchung der Hirnaktivität während natürliche Sprech Gehirn mit den implantierten Elektroden -Arrays. Die Patienten lesen aus einer Liste von englischen Silben - wie bah , dee, goo . Die Forscher erfasst die elektrische Aktivität in ihren Sprach motorischen Kortex und zeigte, wie verschiedene Gehirnmusterkontenfür verschiedene Vokale und Konsonanten in unserer Sprache .

"Auch wenn wir Englisch verwendet , fanden wir die beobachteten Schlüsselmuster waren diejenigen, die Linguisten in Sprachen auf der ganzen Welt zu beobachten - vielleicht darauf hindeutet, universellen Prinzipien für in allen Kulturen zu sprechen ", sagte Chang.