Нейролингвистика - Neurolinguistics

Поверхность человеческого мозга с пронумерованными областями Бродмана
Изображение нервных путей в головном мозге, полученное с помощью тензорной диффузионной визуализации.

Нейролингвистика - это исследование нейронных механизмов человеческого мозга, которые контролируют понимание, производство и усвоение языка . В качестве междисциплинарной области нейролингвистика использует методы и теории из таких областей, как нейробиология , лингвистика , когнитивная наука , коммуникативные расстройства и нейропсихология . Исследователи привлекаются к этой области из самых разных областей, они приносят с собой различные экспериментальные методы, а также широко варьируются теоретические точки зрения. Большая часть работы в нейролингвистике основана на моделях психолингвистики и теоретической лингвистики и сосредоточена на исследовании того, как мозг может реализовывать процессы, которые, по мнению теоретиков и психолингвистики, необходимы для создания и понимания языка. Нейролингвисты изучают физиологические механизмы, с помощью которых мозг обрабатывает информацию, связанную с языком, и оценивают лингвистические и психолингвистические теории, используя афазиологию , визуализацию мозга , электрофизиологию и компьютерное моделирование .

История

Нейролингвистика исторически уходит своими корнями в развитие в 19 веке афазиологии , изучения языковых дефицитов ( афазий ), возникающих в результате повреждения мозга . Афазиология пытается соотнести структуру с функцией, анализируя влияние травм головного мозга на обработку речи. Одним из первых, кто установил связь между определенной областью мозга и речевой обработкой, был Поль Брока , французский хирург, который провел вскрытие трупов многих людей с нарушениями речи и обнаружил, что у большинства из них было повреждение головного мозга (или поражения ) левая лобная доля , в области, ныне известной как область Брока . В начале 19 века френологи заявили, что разные области мозга выполняют разные функции и что язык в основном контролируется лобными областями мозга, но исследование Брока, возможно, было первым, предлагающим эмпирические доказательства такой взаимосвязи, и был описан как «эпохальный» и «ключевой» в области нейролингвистики и когнитивной науки. Позже Карл Вернике , в честь которого названа область Вернике , предположил, что разные области мозга были специализированы для разных лингвистических задач, причем область Брока отвечала за двигательное производство речи, а область Вернике - на слуховое восприятие речи. Работы Брока и Вернике установили область афазиологии и идею о том, что язык можно изучать, исследуя физические характеристики мозга. Ранние работы в области афазиологии также выиграли от работ Корбиниана Бродмана в начале двадцатого века , который «нанес на карту» поверхность мозга, разделив ее на пронумерованные области, основанные на цитоархитектуре (структуре клетки) и функциях каждой области ; эти области, известные как области Бродмана , до сих пор широко используются в нейробиологии.

Термин «нейролингвистика» был придуман Эдит Кроуэлл Трагер, Анри Гекаеном и Александром Луриа в конце 1940-х и 1950-х годах; Книга Лурии «Проблемы нейролингвистики», вероятно, первая книга с нейролингвистикой в ​​названии. Гарри Уитакер популяризировал нейролингвистику в Соединенных Штатах в 1970-х, основав в 1974 году журнал «Мозг и язык».

Хотя афазиология является историческим ядром нейролингвистики, в последние годы эта область значительно расширилась, отчасти благодаря появлению новых технологий визуализации мозга (таких как ПЭТ и фМРТ ) и чувствительных ко времени электрофизиологических методов ( ЭЭГ и МЭГ ), которые могут выделить закономерности активации мозга, когда люди выполняют различные языковые задачи; Электрофизиологические методы, в частности, появились как жизнеспособный метод изучения языка в 1980 году с открытием N400 , реакции мозга, которая, как было показано, чувствительна к семантическим проблемам в понимании языка. N400 был первым выявленным потенциалом событий, связанных с языком , и с момента его открытия ЭЭГ и МЭГ стали все более широко использоваться для проведения языковых исследований.

Дисциплина

Взаимодействие с другими полями

Нейролингвистика тесно связана с областью психолингвистики , которая пытается выяснить когнитивные механизмы языка, используя традиционные методы экспериментальной психологии ; сегодня психолингвистические и нейролингвистические теории часто информируют друг друга, и между этими двумя областями существует тесное сотрудничество.

Большая часть работы в нейролингвистике связана с проверкой и оценкой теорий, выдвинутых психолингвистами и лингвистами-теоретиками. В целом лингвисты-теоретики предлагают модели для объяснения структуры языка и организации языковой информации, психолингвисты предлагают модели и алгоритмы для объяснения того, как языковая информация обрабатывается в сознании, а нейролингвисты анализируют активность мозга, чтобы сделать вывод о том, как биологические структуры (популяции и сети) нейронов) выполняют эти психолингвистические алгоритмы обработки. Например, в экспериментах по обработке предложений использовались ответы мозга ELAN , N400 и P600 для изучения того, как физиологические реакции мозга отражают различные прогнозы моделей обработки предложений, выдвинутые психолингвистами, такими как «серийная» модель Джанет Фодор и Лин Фрейзер. , и «модель объединения» Тео Воссе и Джерарда Кемпена. Нейролингвисты также могут делать новые прогнозы о структуре и организации языка, основываясь на представлениях о физиологии мозга, «обобщая знания неврологических структур на структуру языка».

Нейролингвистические исследования проводятся по всем основным направлениям лингвистики; Основные лингвистические подполи и то, как нейролингвистика обращается к ним, приведены в таблице ниже.

Подполе Описание Вопросы исследования в нейролингвистике
Фонетика изучение звуков речи как мозг извлекает звуки речи из акустического сигнала, как мозг отделяет звуки речи от фонового шума
Фонология изучение того, как звуки организованы в языке как фонологическая система определенного языка представлена ​​в мозгу
Морфология и лексикология изучение того, как слова структурированы и хранятся в ментальном лексиконе как мозг хранит слова, которые знает человек, и получает к ним доступ
Синтаксис изучение того, как строятся высказывания, состоящие из нескольких слов как мозг объединяет слова в составные части и предложения; как структурная и семантическая информация используется для понимания предложений
Семантика изучение того, как значение закодировано в языке

Рассмотренные темы

Исследования в области нейролингвистики исследуют несколько тем, в том числе то, где обрабатывается языковая информация, как обработка речи происходит с течением времени, как структуры мозга связаны с усвоением и обучением языка и как нейрофизиология может способствовать речевой и языковой патологии .

Локализации языковых процессов

Многие работы в области нейролингвистики, как и ранние исследования Брока и Вернике, посвящены изучению расположения определенных языковых « модулей » в мозгу. Вопросы исследования включают в себя информацию о том, какая информация о языке курса проходит через мозг по мере ее обработки, специализируются ли определенные области на обработке определенных видов информации, как различные области мозга взаимодействуют друг с другом при обработке языка и как различаются места активации мозга, когда субъект производит или воспринимает язык, отличный от своего первого языка.

Временной ход языковых процессов

Другая область литературы по нейролингвистике включает использование электрофизиологических методов для анализа быстрой обработки языка во времени. Временное упорядочение определенных паттернов мозговой активности может отражать дискретные вычислительные процессы, которым мозг подвергается во время языковой обработки; например, одна нейролингвистическая теория синтаксического анализа предложений предполагает, что три ответа мозга ( ELAN , N400 и P600 ) являются продуктами трех различных этапов синтаксической и семантической обработки.

Овладение языком

Еще одна тема - взаимосвязь между структурами мозга и овладением языком . Исследования в области усвоения первого языка уже установили, что младенцы из всех языковых сред проходят похожие и предсказуемые стадии (такие как лепет ), и некоторые исследования нейролингвистики пытаются найти корреляции между стадиями развития речи и стадиями развития мозга, в то время как другие исследования исследуют физические изменения (известные как нейропластичность ), которые мозг претерпевает во время овладения вторым языком , когда взрослые изучают новый язык. Нейропластичность наблюдается, когда индуцируются как овладение вторым языком, так и опыт изучения языка; в результате этого языкового воздействия делается вывод о том, что увеличение серого и белого вещества может быть обнаружено у детей, молодых людей и пожилых людей.

Пинг Ли, Дженнифер Лего, Кейтлин А. Литкофски, май 2014 г. Нейропластичность как функция изучения второго языка: анатомические изменения в коре головного мозга человека: журнал, посвященный изучению нервной системы и поведения, 410.1016 / j.cortex. 2014.05.00124996640

Языковая патология

Нейролингвистические методы также используются для изучения расстройств и нарушений речи, таких как афазия и дислексия , и их соотношения с физическими характеристиками мозга.

Используемая технология

Изображения мозга, записанные с помощью ПЭТ (вверху) и фМРТ (внизу). На изображении ПЭТ красные области являются наиболее активными. На изображении фМРТ самые желтые области - это области, которые показывают наибольшую разницу в активации между двумя задачами (наблюдение за движущимся стимулом по сравнению с просмотром черного экрана).

Поскольку одним из направлений этой области является тестирование лингвистических и психолингвистических моделей, технология, используемая для экспериментов, имеет большое значение для изучения нейролингвистики. Современные методы визуализации мозга внесли большой вклад в растущее понимание анатомической организации языковых функций. Методы визуализации мозга, используемые в нейролингвистике, можно разделить на методы гемодинамики , электрофизиологические методы и методы, которые напрямую стимулируют кору.

Гемодинамический

Гемодинамические методы используют тот факт, что когда какая-то область мозга работает над задачей, кровь отправляется для снабжения этой области кислородом (так называемая реакция, зависящая от уровня кислорода в крови, или ЖИРНАЯ реакция). К таким методам относятся ПЭТ и фМРТ . Эти методы обеспечивают высокое пространственное разрешение , позволяя исследователям точно определять местоположение активности в головном мозге; временное разрешение (или информация о времени активности мозга), с другой стороны, оставляет желать лучшего, поскольку ЖИРНЫЙ ответ происходит намного медленнее, чем обработка речи. В дополнение к демонстрации того, какие части мозга могут выполнять определенные языковые задачи или вычисления, гемодинамические методы также использовались для демонстрации того, как структура языковой архитектуры мозга и распределение связанной с языком активации могут изменяться со временем в зависимости от лингвистическое воздействие.

В дополнение к ПЭТ и фМРТ, которые показывают, какие области мозга активируются определенными задачами, исследователи также используют визуализацию тензора диффузии (DTI), которая показывает нервные пути, которые соединяют различные области мозга, тем самым обеспечивая понимание того, как взаимодействуют разные области. Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) - еще один гемодинамический метод, используемый в языковых задачах.

Электрофизиологический

Волны мозга, записанные с помощью ЭЭГ

Электрофизиологические методы используют тот факт, что когда группа нейронов в головном мозге срабатывает вместе, они создают электрический диполь или ток. Методика ЭЭГ измеряет этот электрический ток с помощью датчиков на коже черепа, а МЭГ измеряет магнитные поля, создаваемые этими токами. В дополнение к этим неинвазивным методам электрокортикография также использовалась для изучения языковой обработки. Эти методы позволяют измерять активность мозга от одной миллисекунды до следующей, обеспечивая отличное временное разрешение , что важно при изучении процессов, которые происходят так же быстро, как понимание и воспроизведение речи. С другой стороны, местоположение мозговой активности может быть трудно идентифицировать на ЭЭГ; следовательно, этот метод используется в первую очередь для определения того, как выполняются языковые процессы, а не где . Исследования с использованием ЭЭГ и МЭГ обычно фокусируются на потенциалах, связанных с событием (ERP), которые представляют собой отдельные реакции мозга (обычно представляемые как отрицательные или положительные пики на графике нейронной активности), возникающие в ответ на конкретный стимул. Исследования с использованием ERP могут быть сосредоточены на задержке каждой ERP (как долго после стимула начинается или достигает пика ERP), амплитуде (насколько высок или низок пик) или топографии (где на коже черепа реакция ERP улавливается датчиками). Некоторые важные и общие компоненты ERP включают N400 (негативность, возникающая с задержкой около 400 миллисекунд), негативность несоответствия , ранняя левая передняя негативность (негативность, возникающая в ранней латентности и передняя левая топография), P600 , и потенциал латерализованной готовности .

Экспериментальная дизайн

Экспериментальные методы

Нейролингвисты используют различные экспериментальные методы, чтобы с помощью визуализации мозга сделать выводы о том, как язык представлен и обрабатывается в мозгу. Эти методы включают парадигму вычитания , несоответствие дизайна , исследования, основанные на нарушениях , различные формы прайминга и прямую стимуляцию мозга.

Вычитание

Многие языковые исследования, особенно в фМРТ , используют парадигму вычитания, в которой активация мозга в задаче, которая, как считается, включает в себя некоторый аспект языковой обработки, сравнивается с активацией в базовой задаче, которая, как считается, включает аналогичные неязыковые процессы, но не включает лингвистические процессы. процесс. Например, активации, когда участники читают слова, могут сравниваться с базовыми активациями, когда участники читают цепочки случайных букв (в попытке выделить активацию, связанную с лексической обработкой - обработкой реальных слов), или активации, когда участники читают синтаксически сложные предложения, могут сравниваться для базовой активации, пока участники читают более простые предложения.

Несоответствие парадигмы

Отрицательность несоответствия (MMN) - это строго задокументированный компонент ERP, часто используемый в нейролингвистических экспериментах. Это электрофизиологический ответ, который возникает в мозге, когда субъект слышит «девиантный» стимул в наборе перцептивно идентичных «стандартов» (как в последовательности sssssssddssssssdsssss d ). Поскольку MMN вызывается только в ответ на редкий «странный» стимул в наборе других стимулов, которые воспринимаются как те же самые, он использовался для проверки того, как говорящие воспринимают звуки и категорично организовывают стимулы. Например, знаковое исследование Колина Филлипса и его коллег использовало отрицание несоответствия в качестве доказательства того, что испытуемые, когда им предъявляли серию речевых звуков с акустическими параметрами, воспринимали все звуки как / t / или / d /, несмотря на акустические характеристики. изменчивость, предполагающая, что человеческий мозг имеет представления об абстрактных фонемах - другими словами, испытуемые «слышали» не конкретные акустические особенности, а только абстрактные фонемы. Кроме того, отрицание несоответствия использовалось для изучения синтаксической обработки и распознавания категории слова .

На основании нарушения

Событийный потенциал

Многие исследования в нейролингвистике воспользоваться аномалий или нарушений в синтаксических или семантических правил в экспериментальных раздражителей, а также анализ ответов мозга Вызванные , когда субъект сталкивается с этими нарушениями. Например, предложения, начинающиеся с таких фраз, как * сад был на работе , что нарушает правило структуры английских фраз , часто вызывают реакцию мозга, называемую ранней левой передней негативностью (ELAN). Методы нарушения используются по крайней мере с 1980 года, когда Кутас и Хиллард впервые сообщили о доказательствах ERP того, что семантические нарушения вызывают эффект N400. Используя аналогичные методы, в 1992 году Ли Остерхаут впервые сообщил о реакции P600 на синтаксические аномалии. Дизайн нарушений также использовался для гемодинамических исследований (фМРТ и ПЭТ): например, Эмбик и его коллеги использовали грамматические и орфографические нарушения, чтобы исследовать местоположение синтаксической обработки в мозге с помощью фМРТ. Еще одно распространенное использование схем нарушения - объединение двух видов нарушений в одном предложении и, таким образом, прогнозирование того, как различные языковые процессы взаимодействуют друг с другом; Этот тип исследования нарушений кроссинга широко использовался для изучения того, как взаимодействуют синтаксические и семантические процессы, когда люди читают или слышат предложения.

Грунтовка

В психолингвистике и нейролингвистике прайминг относится к феномену, при котором субъект может быстрее распознать слово, если ему недавно представили слово, похожее по значению или морфологическому составу (т. Е. Состоящее из похожих частей). Если испытуемому предъявлено «основное» слово, например, доктор, а затем «целевое» слово, например, медсестра , если у субъекта быстрее, чем обычно, время отклика на медсестру, тогда экспериментатор может предположить, что это слово медсестра в мозгу. уже был доступен при обращении к слову « доктор» . Прайминг используется для исследования широкого круга вопросов о том, как слова хранятся и извлекаются в мозгу и как обрабатываются структурно сложные предложения.

Стимуляция

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), новый неинвазивный метод изучения мозговой активности, использует мощные магнитные поля, которые прикладываются к мозгу извне. Это метод возбуждения или прерывания мозговой активности в определенном и контролируемом месте, позволяющий имитировать афазические симптомы, давая исследователю больше контроля над тем, какие именно части мозга будут исследованы. Таким образом, это менее инвазивная альтернатива прямой корковой стимуляции , которую можно использовать для аналогичных типов исследований, но требует удаления волосистой части головы субъекта, и, таким образом, она используется только для людей, которые уже подвергаются серьезной операции на головном мозге (например, лица, перенесшие операцию по поводу эпилепсии ). Логика, лежащая в основе ТМС и прямой корковой стимуляции, аналогична логике афазиологии: если определенная языковая функция нарушена, когда определенная область мозга выбита, то эта область должна каким-то образом участвовать в этой языковой функции. На сегодняшний день несколько нейролингвистических исследований использовали ТМС; прямая корковая стимуляция и запись коры (запись активности мозга с помощью электродов, помещенных непосредственно в мозг) использовались с обезьянами макак для прогнозирования поведения человеческого мозга.

Тематические задания

Во многих нейролингвистических экспериментах испытуемые не просто сидят и слушают или наблюдают за стимулами , но также получают инструкции выполнять какую-то задачу в ответ на стимулы. Субъекты выполняют эти задачи во время записи (электрофизиологической или гемодинамической), обычно для того, чтобы убедиться, что они обращают внимание на стимулы. По крайней мере, одно исследование показало, что задача, которую выполняет субъект, влияет на реакцию мозга и результаты эксперимента.

Лексическое решение

Задача лексического принятия решения включает в себя испытуемых, которые видят или слышат изолированное слово и отвечают, является ли оно настоящим словом. Он часто используется в первичных исследованиях, поскольку известно, что испытуемые быстрее принимают лексическое решение, если слово было начато родственным словом (как в «докторе», вводящем «медсестра»).

Оценка грамматичности, оценка приемлемости

Во многих исследованиях, особенно исследованиях, основанных на нарушениях, испытуемые принимают решение о «приемлемости» (обычно грамматической или семантической ) стимулов. Такая задача часто используется для того, чтобы «убедиться, что испытуемые [читают] внимательно предложения и что они [различают] приемлемые предложения от неприемлемых так, как [экспериментатор] ожидает от них []].

Экспериментальные данные показали, что инструкции, данные испытуемым в задаче оценки приемлемости, могут влиять на реакцию мозга испытуемых на стимулы. Один эксперимент показал, что, когда испытуемых проинструктировали оценивать «приемлемость» предложений, они не показали ответ мозга N400 (ответ, обычно связанный с семантической обработкой), но что они показали этот ответ, когда им было дано указание игнорировать грамматическую приемлемость и только оценивать были ли предложения "осмысленными".

Проверка датчика

В некоторых исследованиях используется задача «зондовой проверки», а не явное суждение о приемлемости; в этой парадигме каждое экспериментальное предложение сопровождается «пробным словом», и испытуемые должны ответить, появилось ли пробное слово в предложении. Эта задача, как и задача оценки приемлемости, гарантирует, что субъекты внимательно читают или слушают, но может избежать некоторых дополнительных требований обработки оценок приемлемости и может использоваться независимо от того, какой тип нарушения представлен в исследовании.

Суждение о правдивости

Субъекты могут быть проинструктированы судить не о том, является ли предложение грамматически приемлемым или логичным, а о том, является ли предложение, выраженное предложением, истинным или ложным. Эта задача обычно используется в психолингвистических исследованиях детской речи.

Активное отвлечение и двойная задача

В некоторых экспериментах испытуемым ставится задача «отвлечься», чтобы убедиться, что испытуемые не обращают сознательно внимания на экспериментальные стимулы; это может быть сделано, чтобы проверить, выполняется ли определенное вычисление в мозгу автоматически, независимо от того, выделяет ли субъект на это ресурсы внимания . Например, в одном исследовании испытуемые слушали нелингвистические тона (длинные гудки и гудки) одним ухом и речь в другом ухе, и испытуемым предлагалось нажать кнопку, когда они почувствовали изменение тона; это якобы заставляло испытуемых не обращать явного внимания на грамматические нарушения в речевых стимулах. Испытуемые в любом случае демонстрировали несовпадающий ответ (MMN), предполагая, что обработка грамматических ошибок происходила автоматически, независимо от внимания - или, по крайней мере, испытуемые не могли сознательно отделить свое внимание от речевых стимулов.

Другой родственной формой эксперимента является эксперимент с двойным заданием, в котором испытуемый должен выполнить дополнительное задание (например, последовательное постукивание пальцами или произнесение бессмысленных слогов), отвечая на языковые стимулы; Этот вид экспериментов был использован для исследования использования рабочей памяти в языковой обработке.

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение

Некоторые соответствующие журналы включают Journal of Neurolinguistics and Brain and Language . Оба являются журналами доступа по подписке, хотя некоторые рефераты могут быть общедоступными.

внешние ссылки