大脑语义地图the semantics
作者: 北南 / 4018次阅读 时间: 2016年4月30日
来源: 果壳网 标签: semantics 大脑 语义地图
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4A{7X0q]Y:W(e0学生时代的女神从美国来我家做客。到家,女神问:“May I use the bathroom,please?”我暗自感叹女神说英语可真好听,同是女生大家都懂,路途如此遥远,舟车劳顿的她一定是想借浴室(bathroom)泡个澡放松一下。于是我忙不迭拿来毛巾,开始往浴缸放热水……心理学空间J(Q2Uw;R
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结果,哗哗的流水声却让女神面露难色。“我只是想借厕所(bathroom)一用。”女神弱弱地说了一句,“我们果然来自不同世界。”只言片语,让我内心当场崩溃。
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dUq-zG,G JU0大脑怎样加工语义?
8TA!m6b3O*@0这样的误会来自于对“bathroom”这个词的理解差异:美国人习惯用它表示厕所,而英国人却倾向于理解为泡澡的浴室。人与人之间要进行流畅的沟通,有赖于准确理解对方言语背后所要表达的意思。这词语背后的含义,就是所谓的“语义”。对我们来说,人脑对语义的加工至关重要——它不仅仅是语言交流的核心,也是我们思考、计划、获取知识和解决问题的基础。
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$TTE*q(Q0那么,语义加工的基础是什么?在早前,科学家们已经发现人脑中存在由一系列脑区所构成的“语义系统”(semantic system)来对语义信息进行加工编码。不过,其中哪些区域对应着怎样的语义却仍然是个谜——直到一项无比酷炫的研究成果被发表。心理学空间)XH1DvrS

{1zct,^)u4u F4Co0就在今天,加州大学伯克利分校的杰克·加兰特(JackL. Gallant )团队在《自然》杂志上发表论文,宣布首次通过记录人类对语言刺激的反应绘制出了大脑的“语义图谱”。这篇论文,也成为了本周《自然》杂志的封面文章。
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ZB$ND(ATb0本期《自然》封面。这份语义图谱的存在,向人们揭示了“词语变为意义之处”。图片来源:nature心理学空间K{^n!aIk!un

+A,WPa$r0如果大脑是一部词典心理学空间L0UB@9|O a&@Y
乍眼望去,这份大脑语义图谱就像一本被揉皱了的词典,上面密密麻麻地印着英文单词:心理学空间NE`4O `$s3r

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大脑语义图谱示意图。颜色类似的词语语义相近,如红色表示与“人类”“社会活动”相关的词语,蓝色表示与“客观存在事物”相关的词语。图片来源:Alexander G. Huth/nature video
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当然,这里使用的只是效果图。大脑这个系统实在太复杂,实际上科研团队绘制的只是语义特征图谱——它标示出当人听到某一个单词时,大脑的哪些相应位置会做出应答。利用这本皱巴巴的“词典”,研究者得以描述大脑如何储存词语或语义知识。心理学空间-e7_0gT@0}pe/C{R
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词典的载体是纸张,而这部“语义词典”的载体则是7个人的大脑——其中就有这篇论文的第一亚历山大·胡思(Alexander G. Huth)和第二作者温蒂·德·希尔(Wendy A. de Heer)。在实验中,7名志愿者收听播客节目“飞蛾广播时间”(The Moth Radio Hour)中的故事超过2个小时。在此期间,研究者对他们的大脑进行功能性磁共振成像(fMRI),通过测量血氧含量变化来间接测量大脑对某个词语的反应。最终涉及多达10470个词语的语义图谱,就是从这种看上去简单粗暴的方法中逐步诞生的。 
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在探究大脑怎样对这一万多个词语的语义进行编码前,研究者首先确立了这些词语的语义特征。他们计算了这些词语和985个基本英文词汇同时出现的频率,来给这些词语“贴标签”:比如,“火锅”一词和“美食”同时出现的几率较高,而和“风景”同时出现的几率相对较低,那么“火锅”一词就具有较强的“美食”特征和较弱的“风景”特征。 
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随后,他们通过运算研究哪些脑区域会对哪些语义特征产生反应,开始搭建一个模型。如果将志愿者听到的不同单词比作在朋友圈发出的不同图片,建模的过程就有点像调查谁会对什么类型的朋友圈点赞:美食图鸡汤文经验帖秀恩爱,分别会引来特定的人群点赞,而在这个例子里,前来“点赞”的就是那些被特定语义激活的大脑神经元
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#TUqL mbk~0这样建起来的模型靠不靠谱?一试便知。心理学空间a.B` u(q5` g

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UV,]RB0研究者让志愿者收听新的故事,并根据建立的模型来预测他们大脑会发生怎样的应答。通过比较预测结果和脑部实际的反应情况,他们就知道自己的模型是否准确了。结果表明,研究者的模型表现得很好。
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F8] N:ew ?p)nn1a5N+l0大脑词典告诉我们什么?
4x!r9}x3Fi0靠近研究者绘制的这部“大脑词典”,你会看见上面花花绿绿的——研究者将那一万多个单词大致分成了视觉、社交、时间、数字等12个语义类别,用不同的颜色进行标记。从色块的分布我们不难发现,特定的脑区只对某些特定的语义类型做出反应,也即具有“语义选择性”。因此,语义相近的词语存在于大脑相邻近的区域。心理学空间}jP-Ca
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这种应答模式的结果是,具有多个不同含义的词语往往会分布式存在于“大脑词典”的多个区域。例如,听到“top”这个词时,与数字/测量有关的语义网络活动会增加(top表示最大的,最高的),而与建筑相关(top表示顶端,楼顶)及与衣服相关(top表示上衣)的语义网络也会活跃。于是,这些分散成网状的神经活动共同定义了“top”这个词。心理学空间s$V*oG5{!qc

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将大脑词典“摊开”后,我们会发现单词“top”会因为语义差异而激活三个不同的语义区域(红色圆圈)。这三个区域分别是与数字、建筑和衣物相关的语义区。图片来源:Alexander G. Huth/nature video
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另一个一眼就看出特征,在于这些单词几乎布满了全脑。以往人们认为语义信息集中储藏在某些语言相关脑区,而且主要集中在左半球。但胡思和同事所绘制的图谱提示,语义信息其实在大脑有着及其广泛的分布:语义网络在额、顶、颞、枕叶均有分布,而且语义在两个半球的表征分布几乎是对称的。此外,语义网络与人脑其他已知的功能区域也有着紧密的联系——例如在听到“strip(条纹)”一词时,与视觉相关脑区邻近的语义网络区活动会显著提高。心理学空间;hlfH%m

x6u4t,cw}u0更令人惊喜的是,从参与实验的七个志愿者的数据来看,尽管每个人的“大脑词典”各不相同,但却又共享着惊人地相似点。以以下三个志愿者的语义图谱为例,他们的大脑不但所表征的语义内容相近,各种颜色在图谱中的分布也十分类似。正如胡思在论文中说,人类的语义网络是一个错综复杂的系统,但与此同时个体间表现出极大的一致性。
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@ }7nT9k5~;n l0其中三名志愿者的语义图谱,可见各个不同颜色分布的相似性。图片来源:Alexander G. Huth/nature video心理学空间J O^c&lZ_4A M

#Z{8D6gay:A0语义词典如何变化?
%O PHC(sd0这五彩斑斓的“词典”让我对世界又有了新的认识。想来我和女神之间的小误会并不是因为我们看待世界的方式截然不同,而可能只是由于“bathroom”这个词点亮了我们语义系统里的不同区域(一个跟“马桶”比较近,一个跟“浴缸”比较近?或许吧)。 
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这样的尴尬差异,是不是因为受到不同语言文化环境的影响?我不禁脑洞大开:不同环境中生长的人,语义网络会发展出质的不同吗?反之,在相同环境中生活的两个人,他们的语义网络可能变得重合度高吗?如果我身处女神所在的环境,是不是就能慢慢融入女神的世界了呢?
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n1aJ/A4~J;]Hs*K0然而,这些问题我都没有答案。由于这项研究里的志愿者都是来自西方文化,所以要回答以上问题,还得有赖于进一步的跨文化比较研究。想到这里,看着窗外春意盎然的我,内心又闪过一丝凄凉:科学什么时候才能改变我的生活?算了,为了走进女神的世界,我先去钻研一下美国人的“大脑词典”。心理学空间MU;cv\+tI F0^
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啊你问在哪有得看?这个研究小组在网上公开发布了他们绘制的大脑图谱。如果你也想想翻翻这神奇的“词典”,马上前往他们的网站吧:http://gallantlab.org/huth2016/
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如果想更直观地了解大脑图谱,这里还有一个介绍该研究的视频:
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(编辑:Calo)心理学空间J8["cb y ZaGO

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`c$fWVa0作者介绍:
'F[,? MG-x-f0北南,牛津大学语言学系语言与脑实验室博士后心理学空间4GSV*l+ys3P u

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