腦海中的語言辭典

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撰文|王冠云

每年六七月的這個時候,畢業生們忙著為新生活準備,在校生們或者準備升學大考,或者準備期末考,暑假前總是忙得不可開交,讓人直呼「腦細胞要死光光啦!」但是腦袋真的那麼容易「死翹翹」嗎?你有沒有想過你的腦海裡面,資料存成什麼樣子呢?

●探索腦內的詞彙地圖

加州大學柏克萊分校的Gallant 實驗室揭露了人類大腦皮質層的詞彙地圖。由Huth等人的研究團隊,在2016年發表了相關研究。「語義學(semantics)」研究語言的意義;大腦皮質層中用以表示語言意義的區域稱為「語義系統(semantic system)」。語義系統是否有所謂的「地圖」,意味著這些語言的意義會依照某種規律或分類方法來排列,如同我們所見的街道與建築物,甚至是行政區劃、住宅區與商業區的分別等等,語義可能會依照什麼方式來排列呢?

研究團隊建立了一個互動式的網站,讓我們可以透過互動網頁來探索他們的研究成果,在他們用來做測試的故事素材中,總共出現了10470個詞,研究團隊首先用機器學習的方法,計算這些詞向量(word embedding)的分類,總共分了十二個大類,並且用不同顏色來標示。這十二個大類分別為:社會(social)、暴力(violent)、心靈(mental)、情緒(emotional)、時間(temporal)、公共(communal)、數字(numeric)、地點(locational)、視覺(visual)、觸覺(tactile)、抽象(abstract)、專業(professional)。這十二個類別又可以再依據一些更大的類別來區分類別之間的關係,以此來決定各個類別的顏色,關係越近的類別就會使用相同色系的顏色來代表。

至於大腦皮質的定位,則是使用功能性磁振造影(fMRI)來測量,功能性磁振造影能記錄大腦皮質在接收刺激時,血氧濃度相依對比(blood-oxygen-level-dependent, BOLD)的反應,用偵測BOLD訊號的方式是目前測量複雜自然刺激的反應的一個最佳的技術。在這項研究中,總共有7位研究參與者聆聽了一段超過兩個小時的故事,在聆聽故事的過程中,用功能性磁振造影紀錄BOLD反應。這段兩個小時的故事的BOLD的訊號和詞向量的矩陣會被拿來估計出一個體素法模型(voxel-wise model),我們可以想像成大腦的反應會形成一張張不同的圖片,圖片由像素組成,不同的詞彙形成具有不同特徵的圖片,所以我們可以去計算這些圖片像素和語言意義之間的關係。

有了這些資料之後,就可以用這個模型,估計出當人們聽到新的故事語句時,BOLD訊號的可能反應,將模型預測的反應和真時的反應進行比較,就可以計算這個模型的表現是好還是不好。研究團隊建構出的這個模型,能夠較好地預測頂葉(parietal lobe)、顳葉(temporal lobe)、額葉(frontal lobe)的反應,研究者也指出,除了這些較大片的大腦皮質訊息之外,研究團隊也得了很多較小尺度的訊息,了解了每個大腦區域代表了什麼樣的訊息。

●資料視覺化與嶄新的發現

除此之外,研究者也發展了一種新的機率模型,稱為「PrAGMATiC」,這個模型把原本充滿皺褶的大腦皮質拉平,目的是要創造出一個語義選擇性圖集(atlas of semantic selectivity)。由於在不同受試者間雖然有一定的個別差異,但是多數的語義區其實有相似性存在。PrAGMATiC假設每個受試者具有相通的功能區域,但是允許每個區域的精確位子和不同個體之間存在一些變化。所以視覺化的結果會比原始資料更容易識讀。左半球被劃分為192個不同的功能區域,其中77個區域具有語義選擇性;右半球則是128個功能區域,其中63個區域具有語義選擇性。這個比較大範圍一點的分法,可以讓我們更容易得了解詞彙的分區和語義之間的關聯。

    這篇研究的特別之處在於打破了語言只儲存於左腦的迷思,我們可以從研究成果中發現詞彙和詞彙的語義確實會依照某些主題排列在我們的大腦皮質層,從功能性磁振造影的儀器測量結果會發現在不同詞彙刺激之下BOLD訊號的反應會有所不同,而且語義的組織方式在不同的個體間具有一定程度的一致性。更值得一提的是,研究者將資料視覺化成一個互動式網站,與世人共享研究成果,讓大家都可以上網去一窺堂奧。各位不妨參考影片連結與網站連結,親自去一探究竟吧!

 

參考資料:

  1. https://gallantlab.org/huth2016/
  2. Nature video. The brain dictionary. Youtube. 2016.
  3. 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. Nature532(7600), 453. (2016).
  4. Anwar, Yasmin. Scientists map brain’s thesaurus to help decode inner thoughts. Berkeley News. 2016.

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