Как мозг обрабатывает два языка: учёные впервые увидели работу нейронов и сделали неожиданное открытие

Мозг не переводит слова с одного языка на другой. Он делает нечто более изощрённое. К такому выводу пришли исследователи из Медицинского колледжа Бэйлора и Университета Райса, впервые записав активность отдельных нейронов в мозге билингвов. Результаты, опубликованные в журнале Cell, опровергают десятилетия предположений о том, как мозг справляется с несколькими языками.

Если вы говорите на двух языках, вы знаете, что переход между ними происходит почти автоматически. Вы слышите слово на испанском — вы понимаете его. Вы думаете на английском — говорите на французском. Процесс кажется бесшовным, и долгое время нейробиологи предполагали, что понимают, как это работает: в мозге должен существовать некий ментальный словарь, где эквивалентные слова на разных языках занимают одну и ту же нейронную территорию, соединённую перекрывающимися клетками, которые реагируют на одно и то же значение независимо от того, на каком языке оно выражено.

Новое исследование показало, что эта модель ошибочна.

Что увидели учёные

Исследователи записывали активность отдельных нейронов в гиппокампе четырёх билингвов (испанский и английский), пока те слушали, читали и разговаривали на обоих языках. Это был первый случай, когда учёные изучали работу билингвального мозга на уровне отдельных нейронов в реальном времени.

Логическое предположение состояло в том, что определённые нейроны гиппокампа будут активироваться как на слово «dog», так и на «perro», реагируя одинаково на одну и ту же концепцию независимо от языка. Это должны были быть клетки-мосты, переводчики, нейроны, которые сообщают мозгу, что два разных звука несут одно значение.

Почти ни один нейрон не работал таким образом. Абсолютное большинство нейронов гиппокампа оказались специфичными для языка. Нейрон, который реагировал на «dog» на английском, не реагировал на «perro» на испанском, хотя оба слова обозначают одно и то же животное. Отдельные нейроны, по-видимому, были настроены на слова на одном языке и в значительной степени безразличны к их эквивалентам на другом.

Что использует мозг вместо этого: общая карта

Отсутствие нейронов-переводчиков не означало, что у мозга не было системы для связи двух языков. У него была более элегантная.

Вместо того чтобы связывать отдельные слова через общие клетки, мозг организует все слова на каждом языке в виде геометрической карты. На этой карте слова расположены в соответствии с их значением относительно других слов. «Собака» и «волк» находятся близко, потому что они семантически связанные животные. «Вилка» далеко от них, потому что принадлежит к совершенно другой категории. Пространственные отношения между словами на карте отражают реальные отношения между их значениями.

Ключевое открытие: эта карта имеет одинаковую геометрическую структуру на обоих языках. «Dog» на английской карте занимает позицию относительно соседних концепций, которая зеркально отражает позицию «perro» на испанской карте. Концепции расположены идентично. Различаются только нейроны, используемые для чтения этих позиций.

«Это как смотреть на комнату из другого окна. Всё внутри то же самое, но перспектива другая», — объяснил старший автор исследования Саймер Шет из Медицинского колледжа Бэйлора. Мозг читает одну и ту же концептуальную комнату через специфичные для языка нейроны, каждый из которых даёт свой угол зрения.

Почему это работает лучше, чем нейроны-переводчики

Система нейронов-переводчиков создала бы проблему: интерференцию. Если бы одни и те же клетки реагировали на «dog» и «perro» идентично, мозгу потребовался бы дополнительный механизм для отслеживания того, на каком языке он в данный момент работает. Постоянное различение двух языков при одновременном знании, что они относятся к одному и тому же, требовало бы постоянного разрешения неоднозначности.

Система общей геометрии решает эту проблему без дополнительной работы. Поскольку нейроны для английского и испанского различны, два языка никогда не конкурируют за одни и те же клеточные ресурсы. Но поскольку карта, с которой они читают, имеет одинаковую геометрическую структуру, смысл передаётся идеально. Мозг получает и разделение, и перевод одновременно — встроенные в одну и ту же архитектуру.

Что это значит для изучения новых языков

Старший автор Бенджамин Хейден сформулировал практический вывод из результата. Если мозг хранит значение в виде геометрической карты отношений между концепциями, и эта карта может быть прочитана нейронами, работающими на любом языке, то изучение второго языка не требует построения полностью новой концептуальной системы. Требуется выучить новый набор нейронов, которые могут читать карту под другим углом.

«Наше исследование показывает, что мозг устроен так, чтобы изучать несколько языков», — сказал Хейден. «Как только он картирует отношения между словами, он может применять эти же отношения на разных языках. У всех нас есть потенциал стать билингвами или даже трилингвами».

Это переосмысляет то, что на самом деле включает изучение языка. Самая сложная часть овладения первым языком — построение самой семантической карты, установление всех пространственных отношений между тысячами концепций. Второй язык, согласно этой теории, требует построения новых читающих нейронов, но может в значительной степени повторно использовать существующую карту. Это больше похоже на изучение нового способа ориентироваться в том, что у вас уже есть.

Та же архитектура в моделях ИИ

Исследователи провели ещё одно сравнение, добавляющее неожиданное измерение к открытию. Они проанализировали mBERT — большую языковую модель, обученную понимать более 100 языков, и обнаружили, что она организует слова на разных языках, используя ту же общую геометрическую структуру, которую использует человеческий гиппокамп. Модель ИИ не была разработана с каким-либо знанием того, как человеческий мозг обрабатывает билингвизм. Она пришла к тому же решению через обучение на одних языковых данных. Сходство предполагает, что подход общей геометрии к мультиязычному представлению может быть глубинным решением проблемы обработки нескольких языков в одной системе, которое естественно возникает как в биологических, так и в искусственных нейронных сетях.

Исследователи отмечают, что в их исследовании участвовали только четыре человека, все они были сбалансированными англо-испанскими билингвами, проходившими лечение от эпилепсии с имплантированными электродами. Редкость доступа к такому прямому нейронному записи у живых людей означает, что размер выборки не может быть больше при текущих этических ограничениях. Остаётся проверить, сохраняется ли та же геометрическая организация у людей, изучавших второй язык в более позднем возрасте, или для языков, которые структурно более различны, чем английский и испанский.

Исследование впервые устанавливает, что нейронная архитектура билингвальной обработки языка не соответствует тому, что предполагало научное сообщество. Мозг не переводит. Он читает одну и ту же карту из двух разных окон, и карта существовала до того, как появился любой из языков.