【BI&AI】Lecture 13 - Language processing

Language processing

专业术语

Aphasia 失语症
fMRI 功能性磁共振成像
auditory cortex 听觉皮层
motor cortex 运动皮层
primary visual cortex 初级视觉皮层
permotor cortex 前运动皮层

课程概要

What is language

语言是一种用词汇按照语法规则组合来表示和交流信息的系统。

语言可以通过多种方式表达，包括手势、书写和口语。口语是一种人类产生的可听形式的交流方式。对于人类来说，口语是自然而然的：即使没有接受正式培训，在正常的语言环境中长大的孩子都会自然而然地学会理解口语和说话。

然而，阅读和写作需要多年的正式训练，全球超过10%的人口是文盲。

Human Sound and Speech Production
人类的言语涉及超过100块肌肉的协调运动，从控制肺部的肌肉到喉部和口腔的肌肉都参与其中。

The language system in brain

下面的是教科书中的图，但其实语言涉及到的脑区不止这些。

Assessing Hemispheric Language Dominance
以下是几种确定语言半球的方法
（1）Wada程序
一种快速作用的巴比妥类药物，如戊巴比妥钠，被注射到颈部的一侧颈动脉中。该药物优先被血液携带到与注射侧同侧的脑半球，起到麻醉作用，持续约10分钟。效果突然而显著。在几秒钟内，注射侧对侧身体的肢体会出现瘫痪，并伴随感觉丧失。如果注射到脑左半球，被试者丧失了语言功能，那就说明语言相关区域在左半球。这样就可以定位语言相关半球了。

（2）fMRI技术
这个图中的脑影像是在给被试一个词语并要求从四个词语选项中选择一个近义词时收集的。脑扫描显示，额叶、颞叶和顶叶区域仅在左半球激活，因此在这个人身上，左半球在语言方面具有优势。

Aphasia

失语症（Aphasia）是指在脑损伤后部分或完全丧失语言能力，通常不伴随认知能力的丧失或口语肌肉运动能力的丧失。

Broca‘s Aphasia

• 即使该人可以理解听到或阅读的语言，但他们在说话方面有困难。
• 布罗卡失语症（Broca‘s Aphasia）患者往往难以说出任何话，常常停顿以寻找正确的词语。无法找到词语的情况被称为失词症（字面意思是“没有名字”）。
• 布罗卡失语症患者难以重复对他们说的话。

下图是一位医生和有布罗卡失语症患者的对话

Wernicke‘s aphasia

• 在Wernicke失语症中，说话流利但理解能力差。
• 有关Wernicke区功能的可能见解来自它位于颞叶皮层的上方颞回附近，靠近主要听觉皮层。
• Wernicke区可能在将输入的声音与其含义相关联方面发挥关键作用。换句话说，它是一个专门用于存储构成单词的声音记忆的区域。

下图是一个医生与Wernicke失语症患者的聊天

Wernicke–Geschwind model of Language and Aphasia

该模型将大脑分为两个主要的语言加工区域：布洛卡区（Broca's area）和沃尼克区（Wernicke's area）。布洛卡区主要负责语言的生成，而沃尼克区则负责语言的理解。这两个区域之间通过弓状束（arcuate fasciculus）进行连接，形成一个双向通路，使语言的理解和生成得以协同工作。

下图是让被试者重复一个听到的词语在大脑中的路径，首先是听到词语，信息经过一系列处理到达听觉皮层（auditory cortex），再传递到Wernicke区，被试者试图理解语言，然后信息传递到Broca区，被试者生成语言，最后到达运动皮层（motor cortex），控制肌肉发出声音。

下图是让被试者说出看到的词语，跟上一个任务不同的是，这次是从初级视觉皮层（primary visual cortex）开始传递信息，其余部分一致。

Parallel language pathways in current model

• 语言加工的当前模型强调多个处理流程。（双向）
• 该模型包括两条腹侧通路（dorsal pathways）和一条背侧通路（ventral pathways）。
• 一条背侧通路（蓝色）将上颞回（Wernicke区和听觉区）与运动前皮质（permotor cortex）连接，参与言语产生和重复单词的过程。
• 另一条背侧通路（绿色）将上颞回与Broca区连接，被认为参与处理复杂的句法结构，即根据语法系统分析单词排列的过程。
• 腹侧通路（红色）接收语音的声音并提取其含义。