Як мозок передбачає майбутнє, коли ви чуєте мовлення?

Коротко:

• Мозок передбачає наступні звуки, слова й значення під час слухання мовлення.
• Якщо почуте не відповідає прогнозу, мозок реагує; іноді подальша інформація допомагає переосмислити вже почуте.
• Великі мовні моделі допомагають науковцям досліджувати, як мозок обробляє мовлення.

Завдяки мозку ми можемо розмовляти з рідними й друзями та легко розуміти, що вони кажуть. Але чи знали ви, що мозок не просто слухає — він також намагається вгадати, що почує далі? У цій статті ми розглянемо, як мозок робить такі передбачення, наче віщун: як він вгадує, які звуки або слова людина скаже далі, і як науковці досліджують цю дивовижну здатність. Насамкінець ми поговоримо про загадки, які дослідники досі намагаються розгадати, з’ясовуючи, як мозок використовує передбачення для розуміння мовлення.

Мова — важлива частина нашого життя. За допомогою мовлення ми ділимося ідеями та розповідаємо історії. Але як мозок надає сенсу всім звукам, які ми чуємо, коли хтось говорить? Це питання десятиліттями цікавить науковців. Одна з важливих ідей полягає в тому, що мозок не просто пасивно слухає, а поводиться радше як віщун: намагається передбачити, що людина ось-ось скаже, спираючись на те, що вона сказала щойно. Наприклад, якщо хтось каже англійською «liar liar, pants on ...», мозок може вже передбачити наступне слово: «fire» (рисунок 1). Це відбувається тому, що ви так багато разів чули цю фразу, що мозок вивчив її закономірність і може вгадати продовження ще до того, як слово буде вимовлене! Такий процес вгадування називають «прогностичним кодуванням» [1].

Як мозок передбачає, що ви почуєте далі?

Науковці використовували спеціальні методи, щоб вимірювати активність мозку, коли він робить передбачення, подібні до передбачень віщуна. Вони з’ясували, що мозок може передбачати події на 2 секунди вперед — вгадувати, що скаже людина, ще до того, як звук досягне вух слухача! [2]

В одному з найвідоміших досліджень мови й мозку виявили дещо дуже цікаве. Дослідники провели експеримент, у якому люди читали несподівані речення, наприклад «Він намазав теплий хліб шкарпетками», і очікувані речення, наприклад «Він намазав теплий хліб маслом» [3]. Коли останнє слово не відповідало тому, що передбачила людина, відбувалося порушення передбачення, і мозок реагував інакше, ніж тоді, коли слово було очікуваним. Зокрема, науковці виявили, що реакція мозку значно посилюється, коли слово, яке з’являється, не збігається з очікуваним. Отже, коли мозок вгадує «масло», а натомість бачить «шкарпетки», він відчуває невеликий поштовх здивування. Спочатку це явище виявили на письмових реченнях, але воно також виникає, коли ви чуєте усні речення [4].

Цікаво, що мозок реагує на порушення передбачень не лише щодо значення слів, а й тоді, коли слова неправильно поєднані між собою. Наприклад, коли ви чуєте речення «Сорочка була прасована на», реакція мозку значно сильніша, ніж коли речення складене правильно: «Сорочка була випрасувана» [5]. Особливо захоплює те, що різні типи порушень передбачень — наприклад, несподіване слово або граматична помилка — спричиняють різні види реакцій мозку. Отже, мозок чутливий не просто до того, що щось відбувається неочікувано: він по-різному реагує залежно від того, яке саме передбачення було порушено. Усі ці результати показують, що мозок постійно робить припущення наперед і помічає, коли вони виявляються неправильними.

За десятиліття після цих відкриттів науковці з’ясували, що мозок передбачає не лише наступні слова. Схоже, наш мозок одночасно робить багато різних передбачень. Деякі його ділянки передбачають слова, інші — значення речень, а ще інші — звуки мовлення, які науковці називають фонемами [6]. Наприклад, науковці використовували метод візуалізації мозку, який називається магнітоенцефалографією (MEG), щоб дослідити активність мозку, коли люди слухали оповідання (прочитати цю статтю Frontiers for Young Minds, щоб дізнатися більше про роботу MEG). Так само як віщун шукає ознаки, щоб передбачити майбутнє, мозок стежить за кількома останніми звуками в слові. Вони слугують підказками, які допомагають угадати, який звук, імовірно, буде наступним. Якщо наступний звук легко передбачити, мозок швидко рухається далі. Але якщо важко зрозуміти, що буде далі, мозок трохи довше утримує попередні звуки, використовуючи їх для точнішого припущення. Це показує, що мозок не ставиться до всіх звуків однаково: він змінює тривалість збереження інформації залежно від того, наскільки впевнений у тому, що станеться далі.

Насамкінець науковці також виявили докази того, що різні ділянки мозку обмінюються своїми передбаченнями. Наприклад, коли ви чуєте речення «liar liar, pants on ...», одна ділянка мозку може передбачити, що наступним словом буде «fire», і передати це передбачення іншій ділянці, яка обробляє звуки мовлення. Тоді ця ділянка може передбачити звук «f» — перший звук у слові «fire». Крім того, дослідники вважають, що мозок робить передбачення постійно, а не лише в певних ситуаціях, наприклад коли почуті слова римуються [6].

Як майбутнє впливає на минуле?

Ми розглянули, як мозок може передбачати те, що станеться далі, але іноді він робить дещо ще дивовижніше. Так само як віщун іноді може робити припущення про те, що вже сталося з людиною, мозок використовує інформацію, яка надходить, щоб передбачити минуле. В одному дослідженні Ґвільямс і його колеги [7] вивчали, що відбувається, коли перший звук слова нечіткий — наприклад, це суміш звуків «p» і «b». Якщо мозок не впевнений, що саме він щойно почув, він не ухвалює рішення одразу. Натомість він слухає решту слова, перш ніж відреагувати.

Наприклад, якщо слово закінчується звуком «EE», як у слові parakEEt, мозок вирішує, що нечітким початковим звуком, імовірно, було «p». Якщо слово закінчується звуком «AY», як у слові barricAYde, мозок обирає «b». Це трохи схоже на автозаміни в телефоні: спочатку вони можуть бути невпевненими, але після завершення введення використовують усе слово, щоб угадати, що ви мали на увазі (рисунок 2). Хоча вуха чують кожен звук по черзі, ми сприймаємо виправлені слова як єдине ціле. Мозок постійно використовує всі підказки, навіть ті, що надходять уже після події, щоб зрозуміти почуте.

Як науковці використовують мовні моделі для дослідження мозку?

Так само як науковці застосовують спеціальні прилади для запису активності мозку, вони використовують обчислювальні інструменти, щоб досліджувати роботу мови. Один із найпотужніших нових інструментів називається великою мовною моделлю (LLM). LLM — це комп’ютерні системи, які вивчають закономірності мови. Їх навчають, опрацьовуючи величезні обсяги текстів — вебсайти, книжки, новини й навіть розмови — та вивчаючи, які слова часто з’являються разом. Використовуючи ці знання, моделі можуть угадати, яке слово найімовірніше буде наступним у реченні. Наприклад, якщо дати моделі речення «Сьогодні сонячний день, я хочу піти до ...», вона може передбачити слова «пляжу», «парку» або «магазину морозива».

Такі моделі вже використовують у багатьох інструментах, з якими ми щодня взаємодіємо. Коли телефон автоматично виправляє друкарську помилку, пропонує наступне слово під час листування або допомагає перекласти речення іншою мовою, найімовірніше, у фоновому режимі працює LLM. Але LLM корисні не лише в повсякденних технологіях: це також потужні інструменти для науки.

Можливо, ви вже помітили зв’язок! Оскільки ці моделі працюють завдяки передбаченням, вони є чудовим інструментом для перевірки здатності мозку передбачати майбутнє. Це не означає, що вони розуміють або обробляють мову точно так само, як людський мозок. Проте їх створено так, щоб вони дуже добре вивчали закономірності й робили передбачення, тому науковці замислилися, чи допоможуть ці моделі досліджувати, як мозок обробляє мовлення. Так вони почали використовувати мовні моделі в нейронаукових дослідженнях. Деякі науковці нині порівнюють цих штучних віщунів — мовні моделі — з біологічним віщуном, тобто мозком.

В одному експерименті, який очолила дослідниця Шарлотта Кошето (Charlotte Caucheteux) [8], перевіряли, чи використовують мовні моделі, що вгадують слова, стратегію, подібну до тієї, яку застосовує наш мозок. Ось що зробили дослідники. Спочатку вони попросили людей слухати оповідання й одночасно записували активність їхнього мозку. У той самий час вони подали ці оповідання LLM. Потім дослідники порівняли передбачення моделі з реакціями мозку. На диво, вони виявили, що мозок і модель часто працювали синхронно! А збіг ставав ще сильнішим, коли модель не просто намагалася вгадати наступне слово, а й передбачала багато слів наперед. Саме тоді передбачення моделі ще точніше відповідали тому, що робив мозок. Цікаво, що деякі ділянки мозку, здавалося, передбачали події далі в майбутньому, ніж інші. Це свідчить, що різні ділянки зосереджуються на передбаченні різних аспектів мовлення: одні передбачають загальне повідомлення речення, а інші зосереджуються лише на кількох наступних словах.

Ця робота показує, що мозок, імовірно, використовує всілякі підказки — не лише останнє почуте слово, а й загальний зміст речення, — щоб угадати, що буде далі. Вона також демонструє, що використання моделей для дослідження мозку може допомогти нам зрозуміти, як ми надаємо сенсу мові в повсякденному житті.

Загадки, які ще потрібно розгадати

У цій статті ви дізналися, як науковці знайшли підказки, що мозок робить передбачення, допомагаючи нам розуміти мовлення. Наприклад, мозок може використовувати значення речення, щоб передбачити, які менші частини мовлення — слова або звуки — з’являться далі. Ви також побачили, що науковці нині використовують LLM, щоб краще зрозуміти, як мозок обробляє мовлення. Оскільки ці моделі створені для передбачень, їх порівняння з активністю мозку відкриває нові захопливі можливості дослідження того, як ми розуміємо мову.

Але щодо мови й мозку ще залишаються загадки, які потрібно розгадати. Наприклад, ми знаємо, що розумні інженери створили LLM та інструменти на кшталт автозаміни, тому розуміємо принцип їхньої роботи. Проте ми досі не маємо чіткого уявлення, як саме мозку вдається так дивовижно використовувати майбутню інформацію, що надходить, щоб зрозуміти минуле. Зрештою, спостереження, що і моделі, і наш мозок покладаються на передбачення, не означає, що всередині вони працюють однаково. Також невідомо, чи існує в мозку певна група клітин, спеціально призначена для створення передбачень [9]. Хто знає, можливо, саме ви станете науковцем, який це з’ясує!