Нейробиолог-полиглот объясняет, как мозг обрабатывает язык

Является ли язык основой мышления или это отдельный процесс? Нейробиолог Евгений Федоренко на протяжении 15 лет собирал доказательства существования языковой сети в человеческом мозге и обнаружил некоторое сходство с программой магистра права (LLM). Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Даже в мире, где большие языковые модели (LLM) и чат-боты с искусственным интеллектом стали обычным явлением, сложно полностью принять, что беглое письмо может исходить от бездумной машины. Это потому, что для многих из нас поиск правильных слов — важнейшая часть мысли, а не результат какого-то отдельного процесса.

Но что, если наша нейробиологическая реальность включает в себя систему, ведущую себя подобно LLM? Задолго до появления ChatGPT когнитивный нейробиолог Ева Федоренко начала изучать работу языка в мозге взрослого человека. Специализированная система, которую она описала, называемая «языковой сетью», отображает соответствия между словами и их значениями. Её исследования показывают, что в некотором смысле мы действительно носим в своём мозге биологическую версию LLM — то есть бездумный языковой процессор.

«Можно представить себе языковую сеть как набор указателей, — сказал Федоренко. — Она подобна карте, которая показывает, где в мозге можно найти различные виды значений. По сути, это продвинутый анализатор, который помогает нам сложить фрагменты воедино, а затем всё мышление и всё интересное происходит за его пределами».

Федоренко собирала биологические доказательства существования этой языковой сети в течение последних 15 лет в своей лаборатории в Массачусетском технологическом институте. В отличие от большой языковой модели, человеческая языковая сеть не выстраивает слова в правдоподобно звучащие шаблоны, в которых никого нет дома; вместо этого она действует как переводчик между внешним восприятием (таким как речь, письмо и язык жестов) и представлениями смысла, закодированными в других частях мозга (включая эпизодическую память и социальное познание, которыми не обладают LLM). И человеческая языковая сеть не особенно велика: если бы все ее ткани были собраны вместе, она была бы размером с клубнику. Но когда она повреждена, эффект оказывается глубоким. Поврежденная языковая сеть может привести к формам афазии, при которых сложное познание остается нетронутым, но запертым в мозге, неспособном выразить его или отличить входящие слова от других.

Интерес к языкам у Федоренко проявился рано. В 1980-х годах, когда она росла в Советском Союзе, мать заставила её выучить пять языков (английский, французский, немецкий, испанский и польский) в дополнение к родному русскому. Несмотря на значительные лишения, связанные с падением коммунизма в этой стране — по её словам, Федоренко «пережила несколько лет впроголодь», — она была хорошей студенткой и получила полную стипендию в Гарвардском университете. Там она изначально планировала изучать лингвистику, но позже добавила вторую специальность — психологию. «Занятия [по лингвистике] были интересными, но больше напоминали разгадывание головоломок, чем постижение того, как всё устроено в реальности», — сказала она.

Через три года обучения в аспирантуре Массачусетского технологического института Федоренко снова обратилась к нейронауке. Она начала сотрудничать с Нэнси Канвишер, которая первой открыла веретенообразную область лица – область мозга, специализирующуюся на распознавании лиц. Федоренко хотела найти то же самое для языка. Работы было невпроворот. «В то время можно было прочитать практически всё, что было опубликовано [по этой теме], и я считала, что основы довольно слабы», – сказала Федоренко. «Как вы можете себе представить, эта [оценка] не пользовалась особой популярностью у некоторых людей. Но со временем они поняли, что я никуда не денусь».

После постоянного потока результатов в 2024 году Федоренко опубликовала всеобъемлющий обзор в журнале Nature Reviews Neuroscience, в котором определила языковую сеть человека как «естественный вид»: интегрированный набор областей, специализирующихся исключительно на языке, который находится в «каждом типичном взрослом человеческом мозге», написала она.

Quanta поговорила с Федоренко о том, чем языковая сеть похожа на пищеварительную систему, что ей известно о работе языкового декодера и действительно ли она верит, что у людей есть степень магистра права. Беседа была сокращена и отредактирована для ясности.

Что такое языковая сеть?

В мозге взрослого человека есть базовый набор областей, которые действуют как взаимосвязанная система для вычисления языковой структуры. Они хранят соответствия между словами и их значениями, а также правила составления слов. Когда вы изучаете язык, вы учитесь именно этому: вы усваиваете эти соответствия и правила. И это позволяет нам использовать этот «код» невероятно гибко. Вы можете преобразовывать мысли в последовательности слов на любом знакомом вам языке.

Это звучит очень абстрактно. Но вы называете языковую сеть «естественным типом» — означает ли это, что это нечто физическое, на что можно указать, например, пищеварительная система?

Совершенно верно. Эти системы, обнаруженные людьми [в мозге], включая речевую сеть и некоторые части зрительной системы, подобны органам. Например, веретенообразная зона лица — это естественный тип: её можно осмысленно определить как единое целое. В речевой сети у большинства людей есть три основных области во фронтальной коре. Все три расположены сбоку от левой лобной доли. Есть также пара областей, расположенных вдоль средней височной извилины, этого большого куска мяса, который проходит вдоль всей височной доли. Это основные области.

Эту общность можно увидеть несколькими способами. Например, если поместить человека на аппарат фМРТ (функциональной магнитно-резонансной томографии), можно сравнить реакцию на язык с контрольной группой. Эти области всегда совпадают. Мы уже просканировали около 1400 человек и можем построить вероятностную карту, которая оценивает, где эти области будут располагаться. Топография немного различается у разных людей, но общие закономерности весьма схожи. Где-то в пределах этих обширных лобных и височных областей у каждого человека есть ткань, которая надёжно выполняет лингвистические вычисления.

Чем это отличается от других частей анатомии мозга, которые, как известно, связаны с языком, например, от зоны Брока ?

Зона Брока на самом деле невероятно противоречива. Я бы не назвал её речевой зоной; это артикуляционная зона планирования движений. Сейчас она задействована в планировании движений мышц моего рта таким образом, чтобы я мог произнести то, что говорю. Но я мог бы произнести кучу бессмысленных слов, и она бы тоже была задействована. То есть эта зона берёт некое звуковое представление речи и вычисляет набор двигательных движений, необходимых для её воспроизведения. Это нисходящая зона, куда языковая сеть посылает информацию.

Вы также сказали , что язык — это не то же самое, что мысль. Итак, если языковая сеть не генерирует речь и не участвует в мышлении, то что же она делает?

Языковая сеть по сути является интерфейсом между перцептивными и двигательными компонентами низшего уровня и более высокими уровнями, более абстрактными представлениями смысла и рассуждения.

С языком мы делаем две вещи. В процессе производства языка у вас есть эта нечёткая мысль, а затем — словарь — не просто слова, а более крупные конструкции и правила их соединения. Вы просматриваете его, чтобы найти способ выразить смысл, который пытаетесь передать, используя структурированную последовательность слов. Получив это высказывание, вы обращаетесь к двигательной системе, чтобы произнести его вслух, написать или показать жестами.

В понимании языка всё наоборот. Всё начинается с того, что звуковые волны достигают вашего уха, а свет — сетчатки. Вы проводите базовую перцептивную обработку этих данных, чтобы извлечь последовательность слов или высказывание. Затем языковая сеть анализирует их, находя знакомые фрагменты в высказывании и используя их как указатели на сохранённые представления смысла.

В обоих случаях языковая сеть представляет собой хранилище этих соответствий формы и смысла. Это изменчивое хранилище, которое мы постоянно обновляем на протяжении всей жизни. Но как только мы узнаем этот код, мы сможем гибко использовать его как для восприятия мысли и её выражения, так и для восприятия чужой последовательности слов и расшифровки её смысла.

Зачем нам эта система? Чтобы мы могли передавать свои мысли и делиться ими. Телепатии тут нет, верно?

Насколько глубоко простирается эта биологическая специализация? Существуют ли в языковой сети отдельные клетки, реагирующие на определённые высказывания, подобно тому, как концепт-нейроны реагируют только на определённые понятия?

Подозреваю, что это несколько распределённо внутри системы, поскольку язык очень контекстуализирован. Но да, вполне возможно, что существуют клетки, реагирующие на определённые аспекты языка.

Существует препринт группы Ицхака Фрида из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, в котором рассматривается работа отдельных клеток и обнаруживаются некоторые из свойств, которые мы обнаружили с помощью фМРТ и внутричерепных записей на уровне популяции. Например, клетки реагируют как на письменный, так и на слуховой язык схожим образом. И искать эти клетки следует в языковой сети.

Какие типы закономерностей или особенностей усваиваются?

Механизм распознавания объектов в мозге находится на том же уровне абстракции, что и языковая сеть. Он не так уж сильно отличается от некоторых более высокоуровневых визуальных областей, таких как нижневисочная кора, хранящая фрагменты формы объектов, или веретенообразная зона лица, хранящая базовый шаблон лица. Вы используете эти представления для распознавания объектов в окружающем мире, но они оторваны от наших знаний о мире.

Знаменитый пример бессмысленного предложения [лингвиста Ноама] Хомского — «Бесцветные зелёные идеи спят яростно» — здесь как нельзя кстати. Вы вроде бы понимаете, что оно означает, но не можете связать его ни с чем в мире, потому что оно бессмысленно. Мы и несколько других групп имеем доказательства того, что языковая сеть реагирует на предложения типа «бесцветный зелёный» так же сильно, как и на правдоподобные предложения, сообщающие нам что-то важное. Я не хочу называть это «глупым», но это довольно поверхностная система.

Похоже, вы утверждаете, что в мозгу каждого человека есть степень магистра права. Вы это имеете в виду?

В общем-то. Думаю, языковая сеть во многом похожа на сеть ранних LLM, которые изучают закономерности языка и то, как слова соотносятся друг с другом. Не так уж сложно представить, правда? Уверен, вы встречали людей, которые говорят очень бегло, и вы слушаете их какое-то время, и думаете: «Нет никакой связности». Но звучит очень бегло. И это без физического повреждения мозга!

Тем не менее, идея о том, что люди создают язык с помощью чего-то бездумного, вроде ChatGPT, кажется противоречащей здравому смыслу.

Да, в том числе и для меня! Когда я начинал [это исследование], я считал, что язык — это действительно ключевая часть высокоуровневого мышления. Существовало представление, что, возможно, люди просто очень хорошо представляют и извлекают иерархические структуры, которые, конечно же, являются ключевым признаком языка, но также присутствуют и в других областях, таких как математика, музыка и аспекты социального познания. Поэтому я полностью ожидал, что некоторые части этой сети будут представлять собой эти самые общие для данной области иерархические процессоры. Но эмпирически это оказалось не так. Ещё в 2011 году было ясно, что все части системы достаточно специализированы для языка. Если вы учёный, вы просто обновляете свои убеждения и живёте с ними.

Источник: www.quantamagazine.org