Речь и орудийная деятельность контролируются единым центром в базальных ядрах

Недавнее исследование отпечатков мозга на черепных коробках ранних представителей людей говорит о том, что рост мозга начался раньше, чем его структурные перестройки (M. S. Ponce de León et al., 2021. The primitive brain of early Homo). Эти перестройки связаны, по-видимому, с реорганизацией отделов, отвечающих за социальные функции, орудийную и языковую деятельность человека. Они начались, судя по изученным черепам, 1,5–1,7 млн лет назад. Теперь ученые доказывают наличие общей нейронной основы для манипуляции орудиями и построения сложных синтаксических структур. Оба этих вывода поддерживают гипотезу о происхождении языка в связи со становлением орудийной деятельности. Рисунок с сайта the-scientist.com

Европейские нейрофизиологи изучали, какие нервные центры мозга активируются при решении лингвистических тестов и при орудийной деятельности. Они обнаружили заметное перекрывание активных зон при выполнении заданий этих двух типов: общие зоны располагаются в базальных ядрах переднего мозга. В экспериментах по обучению удалось подтвердить, что речевая и орудийная функции не просто занимают общее пространство в мозге, но и координируются какими-то общими нейронными контурами. Об этом свидетельствует эффект переноса при обучении: тренировка орудийной функции вызывает улучшение результатов по лингвистике, и наоборот — лингвистическая тренировка ведет к увеличению ловкости в манипуляции орудиями. Общая нейробиологическая основа в данном случае говорит в пользу коэволюции в становлении языка и орудийной деятельности.

Проблема взаимосвязи между развитием орудийной деятельности и эволюцией языка — это давний интерес антропологов. Например, хорошо известно, что у детей формирование навыков, связанных с мелкой моторикой рук, способствует обучению речи. Однако природу этой связи ученые пока не до конца понимают. Также трудно выяснить, как она сформировалась. Так как древнейшая орудийная технология — олдувайская индустрия — не снабжена сопроводительными палеоаудиозаписями, антропологам приходится искать обходные пути.

Один из них предлагает экспериментальная антропология, а именно — мастерские по изготовлению «олдувайских» орудий. В серии таких экспериментов нейробиологи в содружестве с антропологами изучали, какие участки мозга управляют производством олдувайских орудий, а также более поздних и соответственно более совершенных ашельских орудий. Затем они сравнили картины активации мозга при изготовлении примитивных и продвинутых типов орудий с центрами речевой активности (подробно об этом исследовании рассказано в новости Что могут палеолитические орудия рассказать о мышлении наших предков?, «Элементы», 23.11.2010). Из этих экспериментов ученые смогли заключить, что как речь, так и орудийная деятельность развивались в связи со становлением неких функций мозга, связанных со сложными, запланированными действиями. Они отказались от идеи, что мозг и речь развивались исключительно в ответ на усложнение орудийной деятельности. По их предположению, у сложной орудийной деятельности и речи могла быть какая-то общая нейробиологическая основа.

Группа европейских нейрофизиологов под руководством Симона Тибо (Simon Thibault) и Клаудио Броццоли (Claudio Brozzoli) из Исследовательского нейробиологического центра в Лионе работала именно в русле данной идеи: ученые пытались выявить эту общую нейробиологическую основу. Их рассуждения основывались на очевидном факте, что орудийная деятельность и речь предполагают использование взаимоподчиненных (вложенных) действий. Управление тем или иным орудием требует сначала управления рукой, которая в свою очередь управляет предметом. Тем самым предмет является продолжением руки, а мозг должен уметь учитывать это «продолжение». Аналогично и в речи: она включает ряд смыслов, подчиненных друг другу, порождая сложносочиненные и сложноподчиненные структуры. Мозг должен уметь выстраивать и распознавать такие последовательности. Если у этих правил следования и подчинения есть какой-то нейробиологический знаменатель, то имеет смысл прицельно его поискать.

С этой целью была проведена серия экспериментов, очень продуманных и основательно исполненных.

Схема двухэтапных экспериментов, направленных на выявление связи между речью и орудийной деятельностью. Первый этап: регистрация с помощью МРТ картины возбуждений при орудийной деятельности и при разборе сложных предложений, а также поиск общих элементов в активации нейронных центров. Второй этап: выполнение задач по орудийной деятельности и проверка эффективности лингвистического распознавания (в обоих порядках). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

На первом этапе выясняется, есть ли общая нейробиологическая база у этих двух функций. И если она есть, — а она нашлась, как следует из результатов томографического сканирования во время выполнения моторных и лингвистических задач, — то важно подтвердить ее функциональную общность. Если выявленные центры активации совмещены не только топологически, но и функционально, то лингвистическая тренировка должна улучшать моторную орудийную функцию, и наоборот, моторная тренировка должна улучшать лингвистическое распознавание подчиненных предложений. Из этого следует второй этап экспериментов: тесты на орудийную деятельность, вслед за которыми шла проверка эффективности лингвистического распознавания, и наоборот (тренировка лингвистических тестов, за которыми шла проверка эффективности выполнения орудийных заданий).

Двадцати участникам первого этапа предложили оценить три предложения: «Автор восхищается поэтом и написал статью» («The writer admires the poet and writes the paper»), «Автор, который восхищается поэтом, написал статью» («The writer that admires the poet writes the paper») и «Автор, которым восхищается поэт, написал статью» («The writer that the poet admires writes the paper»). Испытуемые должны были каждый раз, нажимая пальцем на кнопку мыши, оценивать правдивость утверждения «поэт восхищался автором». Во время тестирования голова испытуемого находилась в томографе, так что можно было регистрировать не только правильность ответа и время реакции, но и активацию нейронов в мозге.

Те же испытуемые должны были пройти и моторный (орудийный) тест, где им предлагалось передвинуть фигурку с одной стороны доски на другую просто рукой или с помощью плоскогубцев (как им удавалось заниматься тем и другим с головой в томографе, можно увидеть на видео из дополнительных материалов к обсуждаемой статье). На этот раз регистрировали активацию нейронов во время подготовки к заданию (4 секунды) и во время выполнения самого задания (4 секунды), а также точность его выполнения.

На томограммах в лингвистических и моторных тестах выявились общие центры активации в базальных ганглиях. При этом важно подчеркнуть, что были и специальные контроли — движение просто рукой и движение рукой с ограничениями движений. Тест с ограниченным движением был нужен для того, чтобы имитировать ограничения, связанные с удержанием плоскогубцев (выступавших в роли орудия в эксперименте). Эти два контроля отличались картиной своей активации в мозге от той, что получалась при манипуляциях плоскогубцами. И соответственно имели мало общего с картиной активации, которая регистрировалась при решении лингвистических тестов.

Активация нейронных центров (по МРТ) во время выполнения лингвистических и орудийных заданий. Вверху — в ходе распознавания сложноподчиненных предложений возбуждаются участки в левой нижней лобной извилине, зоне Брока и в базальных ядрах; в середине — в ходе выполнения орудийного задания активизируются центры в префронтальной и теменной области коры и базальные ядра; внизу — общими зонами возбуждения (они обведены пунктиром) при выполнении лингвистических и орудийных задач оказались базальные ядра, в особенности хвостатое ядро (Cau) и бледный шар (GPi). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

На следующем этапе исследований требовалось подтвердить, что активация выявленных зон в базальных ядрах приводит к повышению эффективности обеих функций (и речевой, и орудийной). Было ранее показано, что если подобная связь имеется, то выявить ее можно путем тренировки одной из функций (это так называемый эффект переноса, см. Transfer of learning). В случае переноса будет заметно улучшение результатов связанной, но не тренированной функции.

Испытуемые проходили моторную тренировку и должны были в результате научиться как можно быстрее переставлять фигурки в пазы на доске с помощью плоскогубцев. Фиксировалось число фигурок, правильно установленных за 2 минуты. Затем следовал этап лингвистической тренировки — как можно правильнее определить смысл сложноподчиненных предложений. А после предлагался ключевой этап — снова попереставлять фигурки на доске. При перестановке фигурок рукой (это был контроль) лингвистическая тренировка никак не влияла на результат. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Чтобы выявить такой перенос, испытуемым предлагалась лингвистическая тренировка (та же, что и в первом эксперименте — на предложениях про автора и поэта), а затем они выполняли серию орудийных заданий (как и в первом эксперименте, передвигали фигурки по доске). И наоборот — после тренировки орудийных движений им предлагались лингвистические тесты.

Испытуемые проходили лингвистический тест, затем следовала моторная тренировка. В качестве контроля предлагались два вида тренировок — «невооруженной» рукой и рукой с ограничением движения. Ключевой этап состоял в регистрации результатов лингвистического теста после тренировки. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

После статистической обработки результатов выполнения тестов удалось показать с учетом контролей, что у испытуемых и вправду задания выполняются лучше после комплементарной тренировки, чем до нее. Иными словами, ученые зарегистрировали двунаправленный эффект переноса: от орудийной деятельности к лингвистической и в обратном направлении.

Эффект переноса интересен сам по себе — не так уж часто нейробиологам удавалось его зарегистрировать. Но в данном случае он важен и с точки зрения понимания эволюции языка. Если у этих двух функций есть общая нейробиологическая база с общими нейронными контурами — в базальных ганглиях и, возможно, где-то еще, — то они должны были эволюционировать взаимосвязано. Развитие одной неизбежно должно было в той или иной мере привести к развитию другой.

Источник: Simon Thibault, Raphaël Py, Angelo Mattia Gervasi, Romeo Salemme, Eric Koun, Martin Lövden, Véronique Boulenger, Alice C. Roy, Claudio Brozzoli. Tool use and language share syntactic processes and neural patterns in the basal ganglia // Science. 2021. DOI: 10.1126/science.abe0874.

Елена Наймарк