Ученые провели исследование с помощью записей высокого разрешения активности коры головного мозга — электрокортикографии (ЭкоГ). Она представляет собой регистрацию электроэнцефалографии электродами, имплантированными в полость черепа, и обладает высоким пространственным разрешением. Участниками эксперимента стали 10 нейрохирургических пациентов, проходящих обследование на рефрактерную (не поддающуюся лечению медикаментами) эпилепсию: три женщины и семь мужчин в возрасте от 20 до 45 лет.
Пациенты должны были выполнить речевые задания, называя отдельные слова на картинках и составляя предложения с описанием сцен из мультфильмов. Весь сеанс длился 40 минут. В качестве персонажей исследователи выбрали «курицу», «собаку», «Дракулу», «Франкенштейна», «ниндзя» и «медсестру». Эти фонемы, то есть минимальные единицы языка, предлагались с учетом нескольких параметров, например частоты употребления, количества слогов, собственные или нарицательные имена, для облегчения идентификации при анализе.
Затем участникам предстояло составить активные и пассивные синтаксические конструкции. К примеру, на вопрос «Кто кого ударил?» неявно подготавливался ответ «Дракула ударил Франкенштейна», чтобы подлежащее указывало на первый смысловой «ранг» одного имени в ряду других имен. А на «Кого кто ударил?», соответственно, ожидаемым был ответ «Франкенштейн был ударен Дракулой», где подлежащее обозначает не деятеля, а объект действия, а дополнение — действующее лицо. Таким образом, все вопросы имели формат: «Кто кого [глагол]-ing?» или «Кто кого [глагол]-ed?». Всего использовалось 10 глаголов: burn (сжигать), hit (бить), hypnotize (гипнотизировать), measure (измерять), poke (тыкать), scare (пугать), scrap (рвать), spray (распылять), tickle (щекотать), trip (спотыкаться).
Чтобы проанализировать полученные данные, исследователи применили к ним машинное обучение. Сначала они определили уникальный паттерн активности мозга для каждого из слов, произнесенных в самостоятельном значении, по отдельности, а потом изучили эти паттерны с течением времени, то есть в составе набора слов.
Результаты показали, что корковые паттерны, или устойчивые модели активности головного мозга, кодирующие отдельные слова, остаются стабильными при выполнении различных задач. Однако способ, которым мозг упорядочивает речь, меняется в зависимости от синтаксической структуры предложения.
Исследователи также обнаружили, что построение более сложных, пассивных конструкций типа «Франкенштейн был поражен Дракулой» требует от мозга удерживать и обрабатывать больше информации. Любопытно, что этот факт совпадает с лингвистическим наблюдением: в большинстве языков мира их носители предпочитают размещать субъекты перед объектами.
В частности, существует шесть возможных порядков, в которых язык может располагать подлежащие, глаголы и дополнения: подлежащее — глагол — дополнение (как в английском «I eat cake»), подлежащее — дополнение — глагол (как в фарси «man keik mikhoram», буквально «I cake eat») и так далее.
Однако из этих шести логически возможных порядков слов менее пяти процентов языков помещают дополнения перед более семантически значимыми подлежащими (например, дополнение — подлежащее — глагол). По-видимому, отметили авторы статьи, выстраивание нераспространенных структур требует от человека больших когнитивных усилий. Со временем же языковые модели складываются с учетом экономии языковых средств, а влияние на эволюцию языка оказывает динамика префронтальной коры головного мозга.
Научная работа опубликована в журнале Communications Psychology.