从单个神经元到句子生成：北京脑所新加盟研究员蔡静揭示人类语言的细胞基础 | Nature
语言是人类最独特、最重要的认知能力之一。从一个词到一句话，人脑如何在瞬间组织出复杂而富有意义的语言表达？尽管神经科学研究已经识别出参与语言加工的多个脑区，但语言产生与理解究竟如何在神经元层面实现，仍是认知神经科学领域长期关注的核心科学问题之一。
近日，研究员蔡静在 Nature 期刊发表最新研究成果 Mapping the neuronal building blocks of human language with language models。该研究结合人类单神经元记录技术与先进大语言模型，在单细胞分辨率下系统解析语言加工的神经机制，首次在单神经元尺度观察到语法和语义信息的动态表征过程，并描绘了语言信息在多个语言相关脑区中的神经编码特征，为理解“语言如何产生于大脑”这一经典科学问题提供了新的研究视角。
1、从单个神经元出发，追踪语言产生的动态过程
语言看似自然流畅，却涉及极其复杂的信息处理过程。人脑不仅需要识别词语本身的含义，还需要理解词语之间的语法关系，并不断整合上下文信息，将一个个词汇组织成具有完整意义的短语和句子。
为了揭示这一过程背后的神经机制，该研究利用高密度Utah微电极阵列记录人脑中单个神经元的活动。该技术能够实时监测单个神经元的放电情况，使研究人员得以在单细胞水平动态观察语言加工过程。通过分析神经元活动与语法结构之间的关系，研究人员系统考察了神经元如何表征词汇意义、语法结构以及句子组合过程中的关键信息，从而揭示大脑如何将离散的词语组织成为具有层次结构的语言表达。
研究发现，单个神经元所携带的语言信息非常丰富。部分神经元不仅能够表征词语意义，还能够编码词语之间的语法关系，以及词语如何逐步组合形成短语和句子的过程。更为关键的是，这种语言能力并非由某个特定脑区独立完成，而是依赖于大量神经元组成的动态网络协同工作。这些神经元会根据语言内容和上下文信息迅速调整活动状态，从而支持复杂而灵活的语言交流。
2、结合大语言模型，解析语言网络的组织方式
为了进一步解析自然语言加工机制，在本研究中，研究人员将先进的大语言模型引入神经数据分析，通过比较人脑与人工智能系统中的信息处理过程，探索语言信息在不同系统中的表征规律。
结果显示，人脑中部分神经元的活动模式与大语言模型中的部分人工神经元呈现出相似特征，提示生物智能与人工智能在语言信息处理过程中可能存在某种趋同的组织原则。这一发现为连接神经科学与脑机接口、人工智能研究搭建了新的桥梁。
3、绘制人类语言功能在不同脑区中的神经组织模式
长期以来，语言能力究竟如何由大量神经元协同实现，一直缺乏直接证据。本研究首次在单神经元尺度观察到语法和语义信息的动态表征过程，并进一步描绘了语言功能从单个神经元、局部神经网络到跨脑区协同活动的多尺度组织模式。
研究表明，词性、语法和句子结构等语言规则并非纯粹抽象的认知概念，而是与具体神经元的活动模式密切相关。神经元能够根据语言内容和上下文信息快速调整活动状态，从而支持灵活而高效的语言交流。这些发现为理解人类语言能力的神经基础提供了重要证据，也为破解“人脑如何产生和理解语言”这一核心科学问题提供了新的线索。
4、为语言脑机接口与神经疾病研究提供新启示
语言能力受损是脑卒中、肌萎缩侧索硬化症（ALS）以及多种神经系统疾病患者面临的重要挑战之一。理解语言功能的神经基础，对于开发更加精准的诊疗技术具有重要意义。
通过识别参与语言加工的关键神经元及其组织方式，本研究加深了对人类语言功能神经基础的理解，为语言相关脑疾病的研究提供了新的视角。同时，这些发现也有望推动新一代语言脑机接口的发展，为失去交流能力的患者重建沟通能力提供理论基础。
未来的研究将进一步探索神经元如何将听到的语言快速转化为复杂概念和意义，解析语言理解过程更深层次的神经机制，并推动神经科学、脑机接口与人工智能等领域的交叉融合发展。
研究员介绍
蔡静博士现已加入北京脑科学与类脑研究所任研究员（PI），实验室聚焦于“中文言语脑机接口开发”与“语言神经机制解析”两大前沿方向，致力于打破学科壁垒，推动基础神经科学发现向临床应用的实质性转化。
实验室持续招收博士后/博士/硕士，以及工程师/技术员/科研助理/实习生，专业背景与学历不限。每位成员都将作为核心力量被委以重任，携手打造高性能语音脑机接口，揭示人类认知神经机制的底层奥秘！
联系方式：jingcai@cibr.ac.cn
实验室主页：https://www.cibr.ac.cn/teamDetail/cibrTeamteam/c31cb1be2bd04583aa0806872bee95e9/Jing%20Cai
