Ongelooflijk gedetailleerde hersenkaart toont activiteit van taalcoderende neuronen

Door te ‘luisteren’ naar hersenactiviteit hebben wetenschappers een kaart met de hoogste resolutie tot nu toe gemaakt van de neuronen die de betekenis van verschillende woorden coderen. De resultaten suggereren dat de hersenen bij alle individuen dezelfde standaardcategorieën gebruiken om woorden te categoriseren – en dat deze categorieën ons helpen om klanken in betekenis om te zetten.

"Deze studie is uitsluitend gebaseerd op Engelse woorden. Maar het is een grote stap voorwaarts in het begrijpen hoe de hersenen woorden opslaan in hun taalbibliotheek", aldus neurochirurg Ziv Williams van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. "Door de overlappende groepen hersencellen in kaart te brengen die reageren op verschillende woorden, kunnen we proberen een thesaurus te bouwen van wat woorden voor de hersenen betekenen."

Semantische kaart

Er is een gebied in de hersenen dat de auditieve cortex wordt genoemd. Dit gebied is verantwoordelijk voor het verwerken van de klank van een woord als het het menselijk oor binnenkomt. Maar het is de prefrontale cortex, het gebied waar de hogere hersenactiviteit plaatsvindt, die de 'semantische betekenis' van een woord verwerkt - de essentie of kern van het woord.

Eerdere experimenten bestudeerden dit proces door beelden van de bloedstroom in de hersenen te analyseren, wat een maat is voor hersenactiviteit. Met zulke methoden kunnen onderzoekers de betekenis van woorden in kleine hersengebieden in kaart brengen.

Williams en zijn collega's ontdekten echter een unieke mogelijkheid om te kijken hoe individuele neuronen taal in realtime coderen. Zijn team rekruteerde tien vrijwilligers die op het punt stonden een epilepsieoperatie te ondergaan. Bij ieder van hen werden elektroden in hun hersenen geïmplanteerd om de bron van hun aanvallen te identificeren. Met de elektroden kon het team de activiteit van ongeveer 300 neuronen in de prefrontale cortex van elke vrijwilliger registreren.

Terwijl vrijwilligers luisterden naar korte zinnen van in totaal ongeveer 450 woorden, registreerden de wetenschappers gedetailleerde informatie over welke neuronen actief waren en wanneer. Williams ontdekte dat er bij elk woord ongeveer twee of drie afzonderlijke neuronen oplichtten, terwijl het team slechts de activiteit van een klein deel van de miljarden neuronen in de prefrontale cortex registreerde. Vervolgens keken de onderzoekers naar de overeenkomsten tussen woorden die dezelfde neurale activiteit veroorzaakten.

Een multipotent neuron

Er zijn woorden waarop dezelfde groep neuronen reageert en die tot vergelijkbare categorieën behoren, zoals actiewoorden of woorden die gerelateerd zijn aan mensen. Het team ontdekte ook dat woorden die de hersenen met elkaar kunnen associëren, zoals 'eend' en 'ei', een aantal van dezelfde neuronen activeren. Woorden met een vergelijkbare betekenis, zoals 'muis' en 'rat', veroorzaken meer vergelijkbare patronen van neurale activiteit dan woorden met een vergelijkbare betekenis, zoals 'muis' en 'wortel'. Andere groepen neuronen reageren op woorden die meer abstracte concepten bevatten, zoals de woorden 'boven' en 'achter'.

De categorieën die het brein aan woorden toekent, waren bij alle deelnemers vergelijkbaar. Dit suggereert dat het menselijk brein op dezelfde manier betekenisgroepen kan synthetiseren. Neuronen in de prefrontale cortex onderscheiden woorden niet op basis van hun klank, maar alleen op basis van hun betekenis. Wanneer iemand bijvoorbeeld het woord 'zoon' in een zin hoort, lichten de woorden die betrekking hebben op familieleden op. Maar deze neuronen reageerden niet op het woord 'Zon' in dezelfde zin, ook al hadden de woorden vrijwel dezelfde uitspraak.

Gedachten lezen

Onderzoekers kunnen tot op zekere hoogte vaststellen wat mensen horen door te kijken naar de activiteit van hun neuronen. Hoewel ze de zinnen niet exact kunnen reproduceren, kunnen ze wel weten dat een zin een dier, een handeling en een soort voedsel bevat, in die volgorde. Onderzoekers konden niet alleen de neuronen identificeren die bij woorden hoorden en hun woordtypen, maar ook de volgorde waarin ze werden uitgesproken. Taal op natuurlijke snelheid zal van cruciaal belang zijn voor de ontwikkeling van toekomstige apparaten voor hersen-computerinterfaces die het spraakvermogen van mensen met een beperking kunnen herstellen.