Komplexe, unbekannte Sätze belasten das Sprachnetzwerk des Gehirns, wie eine Studie zeigt

Mit Hilfe eines künstlichen Sprachnetzwerks haben MIT-Neurowissenschaftler herausgefunden, welche Art von Sätzen die wichtigsten Sprachverarbeitungszentren des Gehirns am wahrscheinlichsten ankurbeln.

Die neue Studie zeigt, dass komplexere Sätze, sei es aufgrund ungewöhnlicher Grammatik oder unerwarteter Bedeutung, in diesen Sprachverarbeitungszentren stärkere Reaktionen hervorrufen. Sätze, die sehr geradlinig sind, greifen diese Regionen kaum an, und unsinnige Wortfolgen bringen dort auch nicht viel.

Die Forscher fanden beispielsweise heraus, dass dieses Gehirnnetzwerk am aktivsten war, wenn ungewöhnliche Sätze wie „Kauf- und Verkaufssignale bleiben eine Besonderheit“ gelesen wurden, die aus einem öffentlich zugänglichen Sprachdatensatz namens C4 stammen. Allerdings wurde es still, wenn man etwas sehr Einfaches las, wie zum Beispiel „Wir saßen auf der Couch.“

„Die Eingabe muss sprachähnlich genug sein, um das System anzusprechen“, sagt Evelina Fedorenko, außerordentliche Professorin für Neurowissenschaften am MIT und Mitglied des McGovern Institute for Brain Research des MIT. „Und wenn die Dinge dann innerhalb dieses Raums wirklich leicht zu verarbeiten sind, dann gibt es keine große Reaktion. Aber wenn die Dinge schwierig oder überraschend werden, wenn es eine ungewöhnliche Konstruktion oder einen ungewöhnlichen Satz von Wörtern gibt, sind Sie es.“ Vielleicht nicht sehr vertraut mit, dann muss das Netzwerk härter arbeiten.

Fedorenko ist der leitende Autor der Studie, die heute in erscheint Natur menschliches Verhalten. Die MIT-Absolventin Greta Tuckute ist die Hauptautorin des Artikels.

Verarbeitungssprache

In dieser Studie konzentrierten sich die Forscher auf sprachverarbeitende Regionen in der linken Gehirnhälfte, zu denen das Broca-Areal sowie andere Teile des linken Frontal- und Temporallappens des Gehirns gehören.

„Dieses Sprachnetzwerk ist sehr selektiv für Sprachen, aber es war schwieriger herauszufinden, was in diesen Sprachregionen tatsächlich vor sich geht“, sagt Tuckute. „Wir wollten herausfinden, welche Arten von Sätzen, welche Arten von sprachlichem Input das Sprachnetzwerk der linken Hemisphäre antreiben.“

Die Forscher begannen mit der Zusammenstellung einer Reihe von 1.000 Sätzen aus einer Vielzahl von Quellen – unter anderem Belletristik, Transkriptionen gesprochener Wörter, Webtexte und wissenschaftliche Artikel.

Fünf menschliche Teilnehmer lasen jeden der Sätze, während die Forscher ihre Sprachnetzwerkaktivität mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) maßen. Anschließend speisten die Forscher dieselben 1.000 Sätze in ein großes Sprachmodell ein – ein Modell ähnlich wie ChatGPT, das lernt, Sprache zu erzeugen und zu verstehen, indem es das nächste Wort in großen Textmengen vorhersagt – und maßen die Aktivierungsmuster des Modells als Reaktion auf jeden Satz Satz.

Nachdem sie alle diese Daten hatten, trainierten die Forscher ein Kartierungsmodell, ein sogenanntes „Kodierungsmodell“, das die im menschlichen Gehirn beobachteten Aktivierungsmuster mit denen im künstlichen Sprachmodell in Beziehung setzt. Nach dem Training könnte das Modell basierend auf der Reaktion des künstlichen Sprachnetzwerks auf diese 1.000 Sätze vorhersagen, wie das menschliche Sprachnetzwerk auf jeden neuen Satz reagieren würde.

Anschließend verwendeten die Forscher das Kodierungsmodell, um 500 neue Sätze zu identifizieren, die maximale Aktivität im menschlichen Gehirn erzeugen würden (die „Antriebs“-Sätze), sowie Sätze, die minimale Aktivität im Sprachnetzwerk des Gehirns hervorrufen würden (die „Unterdrückungs“-Sätze). .

In einer Gruppe von drei neuen menschlichen Teilnehmern stellten die Forscher fest, dass diese neuen Sätze tatsächlich wie vorhergesagt die Gehirnaktivität ankurbelten und unterdrückten.

„Diese ‚geschlossene‘ Modulation der Gehirnaktivität während der Sprachverarbeitung ist neu“, sagt Tuckute. „Unsere Studie zeigt, dass das von uns verwendete Modell (das die Sprachmodellaktivierungen und Gehirnreaktionen abbildet) genau genug ist, um dies zu tun. Dies ist die erste Demonstration dieses Ansatzes in Gehirnbereichen, die an der Kognition auf höherer Ebene beteiligt sind, wie z das Sprachnetzwerk.“

Sprachliche Komplexität

Um herauszufinden, was dazu führt, dass bestimmte Sätze die Aktivität stärker anregen als andere, analysierten die Forscher die Sätze anhand von 11 verschiedenen sprachlichen Eigenschaften, darunter Grammatikalität, Plausibilität, emotionale Wertigkeit (positiv oder negativ) und wie einfach es ist, den Satzinhalt zu visualisieren.

Für jede dieser Eigenschaften baten die Forscher Teilnehmer von Crowdsourcing-Plattformen, die Sätze zu bewerten. Sie verwendeten außerdem eine Rechentechnik, um die „Überraschung“ jedes Satzes zu quantifizieren, also wie ungewöhnlich er im Vergleich zu anderen Sätzen ist.

Diese Analyse ergab, dass Sätze mit höherer Überraschung höhere Reaktionen im Gehirn hervorrufen. Dies steht im Einklang mit früheren Studien, die zeigen, dass Menschen größere Schwierigkeiten haben, Sätze mit höherer Überraschung zu verarbeiten, sagen die Forscher.

Eine weitere sprachliche Eigenschaft, die mit den Antworten des Sprachnetzwerks korrelierte, war die sprachliche Komplexität, die daran gemessen wird, wie sehr ein Satz den Regeln der englischen Grammatik entspricht und wie plausibel er ist, also wie viel Sinn der Inhalt unabhängig von der Grammatik ergibt.

Sätze an beiden Enden des Spektrums – entweder extrem einfach oder so komplex, dass sie überhaupt keinen Sinn ergeben – riefen im Sprachnetzwerk nur sehr wenig Aktivierung hervor. Die meisten Antworten kamen von Sätzen, die einigermaßen Sinn machen, aber Arbeit erfordern, um sie herauszufinden, wie zum Beispiel „Jiffy Lube of – of therapies, ja“, der aus dem Datensatz „Corpus of Contemporary American English“ stammt.

„Wir haben herausgefunden, dass die Sätze, die die höchste Gehirnreaktion hervorrufen, eine seltsame grammatikalische Besonderheit und/oder eine seltsame Bedeutung haben“, sagt Fedorenko. „Diese Sätze haben etwas etwas Ungewöhnliches.“

Die Forscher wollen nun prüfen, ob sie diese Ergebnisse auf Sprecher anderer Sprachen als Englisch übertragen können. Sie hoffen auch herauszufinden, welche Art von Reizen Sprachverarbeitungsregionen in der rechten Gehirnhälfte aktivieren können.