人类大脑中词性的不变性神经表征

《Current Biology》：Invariant neural representation of parts of speech in the human brain

　　

摘要：阐明语言在大脑中的内部表征对认知科学、脑疾病和人工智能具有重大意义。语言学研究的支柱之一是词语具有明确功能的概念，通常被称为词性（parts of speech, POS）。本研究从20名药物难治性癫痫患者体内的1,801个电极记录了侵入性神经生理反应，同时向患者呈现由形容词和名词组成的双词短语。研究人员观察到能够区分这两种词性的神经信号。词性的表征在视觉和听觉呈现模态之间表现出不变性；对词长、词序、词频和语义等词属性具有稳健性；甚至在不同语言之间也能泛化。选择性信号局限于左侧外侧眶额皮层（lateral orbitofrontal cortex, LOF）的一个小区域。这种选择性、不变性和局部化的词性表征扩展了经典的前颞叶语言模型，为大脑如何表征语言基本构建单元的机制性和因果性测试提供了靶点，并引入了一种系统方法来阐明更复杂语言方面的协调运作。

论文解读：

**一、研究背景与问题**

语言在人类日常活动和社交互动中扮演着核心角色。早期神经学和电刺激研究已突显了特定脑区在语言理解和产生中的关键作用，如经典的前颞叶语言模型所描述的额叶和颞叶区域。然而，由于非人类动物模型研究的困难以及人类神经生理学检查的难度，阐明语言表征背后的神经回路一直进展缓慢。尽管神经生理学实验已开始研究与单词或短语呈现相关的神经信号，包括正字法特征、语义编码、语音特征等，但先前的研究缺乏解析词性（parts of speech, POS）处理相关神经回路所需的时空分辨率，也未评估词性表征的不变性程度。词性是语言学研究的基石，指词语在句子中的特定功能角色，如冠词、名词、形容词和动词等，这些词性在不同语言中普遍存在，依据既定语法规则组合，并在人工智能算法中发挥关键作用。脑损伤患者在名词和动词的检索方面表现出缺陷，但具体涉及哪些神经回路仍不清楚。因此，本研究旨在探究人类大脑中词性的表征机制及其不变性特征。

**二、研究方法概述**

本研究从20名药物难治性癫痫患者（来自波士顿儿童医院、布莱根妇女医院和台北荣民总医院）体内植入了1,801个电极（灰质840个，白质961个），通过立体脑电图（stereo electroencephalography, sEEG）记录颅内场电位。实验采用听觉或视觉两种模态呈现由形容词和名词组成的双词短语，参与者需判断两个词是否相同。研究人员重点分析伽马频段（65–150 Hz）的神经信号，并使用广义线性模型（generalized linear model, GLM）区分词性、语法、音节数和词长等预测因子的贡献。此外，采用支持向量机（support vector machine, SVM）分类器进行单试次解码分析，检验词性信息是否可在个体试次水平上被解码。

**三、主要研究结果**

**（一）神经信号反映视觉、听觉和多模态输入**

研究人员观察到565个电极（31.4%）对听觉刺激有响应，532个电极（29.5%）对视觉刺激有响应，其中293个电极对两种模态均有响应。多模态电极的数量显著高于随机预期（p < 10??，置换检验）。单模态电极在响应幅度上存在显著差异，而多模态电极对视听刺激的潜伏期和幅度差异较小。

**（二）多模态神经信号区分不同词性**

研究发现234个电极能够区分名词与形容词，其中89个仅对听觉刺激有选择性，97个仅对视觉刺激有选择性，48个对两种模态均有选择性。这些多模态选择性电极的数量显著高于随机预期（p < 10??，置换检验）。特别值得注意的是，在左侧外侧眶额皮层（LOF）中，38个电极中有21%在听觉和视觉呈现过程中均能区分名词与形容词，而右侧LOF的75个电极中仅有1.3%具有此功能，半球差异具有统计学显著性（p < 10??，置换检验）。

**（三）名词与形容词的神经选择性对词属性、短语语法、使用频率和词子类具有稳健性**

通过GLM分析控制词长（视觉）和音节数（听觉）等潜在混淆因素后，14个电极显示仅词性标签能显著解释神经响应，其中13个（93%）在听觉和视觉输入下均能区分名词与形容词。进一步分析表明，即使匹配了Google Books Ngram词频分布后，LOF中的电极仍能稳健地区分词性。此外，大多数电极在不同名词子类（动物/食物）和形容词子类（具体/抽象）之间表现出泛化能力。

**（四）名词与形容词的增强神经信号在解剖学上分离**

79%的词性选择性电极对名词的响应显著强于形容词，其余21%则相反。名词偏好电极和形容词偏好电极在MNI305坐标系的三个轴向上均表现出显著的解剖学分离：内侧-外侧轴（p < 0.01）、腹侧-背侧轴（p < 0.05）和后侧-前侧轴（p < 0.05）。LOF中的电极倾向于对名词表现出更强的响应（约90%，p < 10??，置换检验）。

**（五）外侧眶额皮层电极群体可在单试次中区分名词与形容词，并跨词位置和模态泛化**

SVM分类器解码分析显示，左侧LOF在词起始约300 ms后开始显著解码名词与形容词，在约500 ms时达到峰值准确率63.6% ± 1.1%，而右侧LOF的解码性能较低。分类器能够跨词位置（词1训练/词2测试，反之亦然）和跨模态（听觉训练/视觉测试，反之亦然）泛化。去除多模态响应电极后，左侧LOF的解码性能降至偶然水平（51.9% ± 3.4%），而仅使用多模态电极时性能显著高于偶然水平（63.8% ± 2.6%）。除左侧LOF外，左侧颞上皮层和左侧梭状回也显示出统计学显著的解码性能，但结果不如LOF稳健，且不能一致地跨词位置或模态泛化。

**（六）区分不同词性的多模态神经信号在语言间保守**

一名双语（英语/西班牙语）参与者的左侧LOF电极在两种语言中均能区分名词与形容词，GLM分析显示词性是唯一显著预测因子。该参与者共有3个电极显示多模态词性选择性，全部位于左侧LOF的眶H形沟内。此外，来自英语单语患者（n = 16）和台湾语单语患者（n = 3）的LOF电极也显示词性区分能力。在8名LOF区域有电极覆盖的参与者中，4名（50%）表现出名词与形容词的区分能力。

**四、讨论与结论**

本研究描述了选择性区分名词和形容词两种词性的神经生理信号，这种选择性对词长、音节数和词频具有稳健性，并在感觉模态、词位置、语法和语义子类之间泛化。这些神经信号可在单试次水平上区分词性，且选择性电极聚集在左侧LOF的一个小区域内（眶H形沟后部）。词性选择性和不变性在英语、台湾语和西班牙语使用者中均有体现，且在双语参与者中，同一左侧LOF电极在英语和西班牙语中均能区分名词和形容词。

临床方面，携带不变词性信号的LOF局灶位点可能为语言映射和切除手术风险评估提供参考。鉴于语言的强侧化特征，精确理解这些患者的神经结构极为重要。研究结果可能有助于指导癫痫手术方法。

本研究的局限性包括：结果来自癫痫患者；电极位置严格由临床标准决定，采样广泛但不详尽；参与者数量和电极数量有限，尤其只有一名双语参与者；研究仅聚焦于名词和形容词两种词性，未来应检查代词、动词、副词、介词和连词的表征；研究提供了词性表征的相关性证据，但未来应评估这些信号是否对在线语言解释具有因果必要性。

总之，这些结果首次揭示了表征语言基本组成部分的高度局部化结构。名词与形容词的表征对呈现模态、词属性、语法和词子类具有不变性，甚至在不同语言间也能泛化。这些发现提出了关于语言模型中的下一个词预测与大脑产生稳定、不变词性表征的隐含偏差之间关系的有趣问题，为阐明更复杂语言概念的神经表征以及弥合语言学与神经表征之间的鸿沟打开了大门。该研究发表于《Current Biology》。