История изучения речи

 

Разговор об истории и методах изучения речи нужно начать с уточнения, что это междисциплинарная проблема. Нет и общепринятого определения – каждая дисциплина выдвигает свое, ставя акценты на тех аспектах, которые она изучает. Для начала возьмем за основу краткую формулу: речь – это коммуникация посредством языка.

 

Переплетение научных дисциплин в изучении речи

 

На примере связей психиатрии и неврологии с разными областями знания по вопросу речи и языков можно продемонстрировать, как приведенные дисциплины связаны между собой, хотя и кажутся далекими на первый взгляд.

 

Ген FOXP2 – его продукт является транскрипционным фактором и необходим для развития речевых навыков – обнаружили при исследовании семейства, в котором наследовались тяжелые нарушения речи [1], и теперь это главный герой в исследованиях по эволюционной антропологии: исследуется у каких представителей рода Человек он появился, какой была его молекулярная эволюция и чем он отличается у современного человека.

 

Ситуация ребенка, обучающегося родной речи, интересна одновременно для многих специальностей: ей занимается и лингвистика (детская речь относится к так называемому “отрицательному языковому материалу”, наравне с речью психиатрических и неврологических больных, неграмотных), и антропология (некоторые ученые предполагают, что, впервые осваивая речь, ребенок проходит путь, похожий на тот, что проходили первобытные люди, когда речь только зарождалась [2] ); изучают ее также неврология и психиатрия, поскольку правильное речевое развитие в первую очередь свидетельствует о нормальном интеллекте ребенка, а любые отклонения важно заметить как можно раньше – каждая из этих областей черпает сведения в других.

 

Речь психиатрического и неврологического больного представляет интерес также для филолога и для философа, как некий маргинальный по отношению к обычному опыт, который позволяет по-новому взглянуть на мышление или, в случае художественного произведения, усиливает впечатление. С другой стороны, например, психоанализ, хотя изначально разрабатывался в качестве подспорья в клинической практике, как психотерапевтическая методика, лечение беседой, теперь прижился в культурологическом, в том числе и филологическом, анализе.

 

Джакомо Риццолатти, впервые обнаруживший зеркальные нейроны, исследовал нейробиологию поведения обезьян, но это открытие смогло прояснить многие вопросы о восприятии и научении речи [3].

 

Такие специфические практические разделы лингвистики, как наука о шифровании и компьютерном анализе речи, могут открыть новые возможности для нейробиологии и психиатрии. Разработка перед началом второй мировой войны вокодера – средства для передачи устной речи в очень упрощенном, но все еще узнаваемом виде – заставила ученых задуматься, что именно в звуковом компоненте речи, как бы он ни разнился от человека к человеку,  принципиально важно для распознавания, и как вообще это распознавание происходит в мозге [4]. Методы семантического и акустического анализа речи, который становится проще, точнее и быстрее благодаря компьютерной лингвистике, могут применяться для распознавания некоторых психических заболеваний и предсказания рецидива [5].

 

История изучения нейробиологической основы речи определяется во многом методами исследования мозга, которые существовали в конкретную эпоху.

 

Основой для практически любого другого метода является нейропсихологический, который включает наблюдение за спонтанной речью пациента и простые задания для оценки разных аспектов ее воспроизведения и понимания: назвать предмет, ответить на вопрос, выполнить команду, повторить выражение или объяснить его смысл. Если на начальных этапах развития учения о нейрофизиологии речи ставился вопрос, способен ли конкретный пациент к ее воспроизведению или восприятию в целом, то теперь ученых интересуют особенности в использовании отдельных лингвистических категорий. Однако способ, которым речевые явления классифицируют лингвисты, может не иметь прямой корреляции с мозговыми процессами, биологически речь может быть организована несколько иначе.

 

Учебники неврологии обычно начинают рассказ с работ Поля Брока, но прежде нужно упомянуть одну важную веху в истории нейронаук. Сейчас представление о том, что определенные нервные функции обеспечиваются активностью нейронов определенных зон коры – то есть, локализационизм – является господствующим (хотя и трансформируется в свете новых данных в теорию крупномасштабных нейронных сетей [6]). Но некогда один из пионеров нейрофизиологии и нейропсихологии, французский врач Мари-Жан-Пьер-Флуранс в 1824 году провозглашал, что мозг “эквипотенциален”, и любой его отдел может выполнять любую функцию [7]. Работа Поля Брока появилась в 1861 году в ряду клинических случаев, которые демонстрировали изолированное выпадение функции при поражении определенной области, и замечательна тем, что попыталась применить новую теорию, не оставляющую в работе мозга никаких тайн, к “самой человеческой” психической функции – речи.

 

Итак, первый метод исследования – морфологический. Только вскрытие выявило причину заболевания у “Господина Тана” – самого известного пациента Поля Брока, который при жизни не мог произнести ничего, кроме “тан, тан, тан”. Оказалось, что задние отделы нижней лобной извилины слева у него разрушены каким-то процессом и замещены полостью с серозной жидкостью; эту область назвали “моторным центром речи”. Та же локализация у нескольких больных с похожими симптомами навела Брока на мысль, что важна не только область, но и сторона расположения, хотя почти за 30 лет до него в 1836 году эту мысль высказывал сельский врач Марк Дакс [8] – но его доклад внимания не привлек.

 

Идею о межполушарной асимметрии активно поддержал Хьюлингс Джексон, кроме того, он высказал предположение, что правое полушарие играет свою, но качественно отличающуюся роль в понимании и воспроизводстве речи.

 

Важные работы в этом же направлении представил в 1874 году Карл Вернике – он рассказал о сенсорной афазии в результате поражения задних отделов верхней височной извилины и обнаружил дугообразные волокна, соединяющие моторный и сенсорный центры; а также Жюль Дежерин – в 1891 году он обнаружил в задне-нижней теменной области центры, связанные с чтением и письмом, и выдвинул термин “аграфия”, подобно “афазии”, как называли расстройство речи при поражении моторного и сенсорного центров.

 

Основываясь на этих данных, Лихтгейм в 1885 году создал самую простую и широко известную классификацию афазий, добавив к ней “центр смыслов”, который морфологическому методу обнаружить не удалось.

 

Классическая модель обработки языка (с) Gazzaniga, Michael S, Richard B Ivry, 2014

 

Эта схема доступно объясняет происхождение нарушений речи после сосудистых и травматических повреждений мозга и приводится в каждом учебнике неврологии. Однако с точки зрения современной нейронауки она имеет лишь историческое значение по нескольким причинам:

 

– названия “моторная” и “сенсорная” афазия неточны, поскольку и та, и другая сопровождаются нарушением понимания речи, так же как и нарушением речевоспроизведения, хотя и разного характера (поэтому более корректными считаются термины “афазия Брока” и “афазия Вернике”)

 

– впрочем, и эти термины лишь приблизительны, поскольку современные методы исследования редко выявляют, например, классическую “афазию Вернике” при поражении в “зоне Вернике” [9].

 

– ученых интересует, как конкретно звуковой сигнал узнается в качестве звука речи, где “хранятся” и как “модифицируются” согласно правилам грамматики слова, чтобы выразить мысль – ничего этого теория Вернике-Лихтгейма не объясняет.

 

Сопоставление имеющегося у пациента поражения с симптомами – и сейчас актуальный метод в науке о речи, но теперь данные о локализации очага становятся известны не из протокола вскрытия, а из результатов таких методов, как компьютерная или магнитно-резонансная томография. С одной стороны, не теряет значимости индивидуальный подход, изучение клинических случаев, поскольку сочетание пораженных областей у каждого пациента индивидуально. С другой стороны, сейчас есть все возможности для накопления большого массива данных и статистического подтверждения корреляции симптомов (вплоть до очень конкретных, как, например, трудности в употреблении глаголов, понимании смысла метафор) и расположения очага. Существует два подхода к построению такого исследования:

 

метод наложения и вычитания пораженных участков: набирают две группы пациентов, одна демонстрирует интересующий симптом, вторая – нет (возможно наличие других симптомов). На «карту» наносятся друг за другом все очаги поражения у пациентов из первой группы, а затем с изображения «убирают» сегменты, поражение которых у других пациентов не ассоциируется с данным симптомом.

 

– метод воксельного картирования: исходная группа пациентов может иметь самые разные симптомы и очаги поражения, но по данным визуализации для каждого вокселя пациентов делят на две группы в зависимости от наличия или отсутствия интересующего симптома.

 

Кроме анатомических и патологоанатомических исследований на первом этапе изучения биологических основ речи была доступна микроскопия, то есть второй основной метод – гистологическое исследование. Обширный труд Бродмана, который выделил в коре головного мозга отличающиеся по составу клеточных слоев поля, появился в 1909 году; собственные номера на карте Бродмана и цитоархитектоническую характеристику получили в том числе центр Брока (классически BA44 и 45) и Вернике (BA41). С одной стороны, стало возможно более или менее точно указать положение центра; с другой – появилось понимание, что границы их варьируются в течение жизни и от индивида к индивиду. Есть длинный список рядом расположенных областей, которые могут входить (или не входить) в состав моторного и сенсорного центра [10].

 

Во второй половине XX века появилось множество методов получить больше информации из гистологического среза: иммуногистохимический анализ, изучение плотности рецепторов, мембранных белков. Кроме того, с развитием компьютерной техники появился морфометрический анализ, то есть различия в количестве слоев и их клеточном составе можно зарегистрировать на основе подсчетов, а не описаний. Так, например, было обнаружено, что извилина Гешля имеет собственную внутреннюю цитоархитектонику, хотя по Бродману представляет собой единственное поле [10].

 

Следующий этап в изучении нейрофизиологии речи связан с третьей группой методов – изучением последствий нейрохирургических операций.

 

Одним из первых отметил важность таких наблюдений советский ученый Александр Романович Лурия: в 1941-1944 годах он работал в нейрохирургическом госпитале. Зная о локализации поражения изначально, он исходил из этого в поисках особенностей речевых расстройств и создал собственное учение об афазии, основываясь на этих данных.

 

После того как широкое признание получил электроэнцефалографический метод (самостоятельно для исследования речи его применят позже) начала активно развиваться эпилептология, появилась возможность помочь пациентам хирургическими методами: в частности, практиковалось удаление эпилептогенного очага и пересечение мозолистого тела.

 

Удаление очага требовало точно его локализовать и убедиться, что не будут повреждены функциональные участки мозга; с этой целью проводили пробную электростимуляцию. Поскольку пациент находится в сознании, есть возможность проследить, как стимуляция отражается в том числе и на высшей нервной деятельности, узнать это из самоотчета. Изучение речи таким способом принесло славу Уайлдеру Пенфилду: его монография «Речь и мозговые механизмы» вышла в 1959 году, но во многом до сих пор сохраняет актуальность [11]. Впоследствии (уже в 2002 году) его последователь Гюг Дюффо представил одну из самых подробных на сегодняшних день работ из этой же серии, основанную на интраоперационной трактографии [12].

 

Пациенты с «разделенным мозгом», перенесшие каллозотомию, стали интереснейшим объектом для изучения межполушарной асимметрии и роли каждого из полушарий в понимании и продукции речи. Одним из первых такую работу провел в 1964 году нейропсихолог Майкл Газзанига под руководством Роджера Сперри.

 

Вдохновлена эпилептологической хирургией и четвертая группа методов, основанная на инактивации полушарий мозга, к ней относятся унилатеральная ЭСТ и тест Вада. Оба метода приобрели самостоятельное значение для нейробиологии речи, поскольку позволяют более подробно изучить межполушарную асимметрию.

 

Тест Вада был разработан в 1949 году и состоит в интракаротидном введении амитала натрия. Таким образом достигается поочередное «усыпление» каждого из полушарий, и при усыплении доминантного развивается афазия – таким образом оно и определяется. Эта проверка необходима в хирургии эпилепсии, поскольку доминантное полушарие «по речи» не всегда совпадает с доминантным полушарием «по ведущей руке». Зная, с какой стороны центр речи, можно рассчитывать объем вмешательства, потому что очаг резистентной эпилепсии часто располагается там же, в височной доле. Именно благодаря этому методу мы знаем о возможности и распространенности «атипичного» распределения речевой функции между полушариями. Кроме того, с помощью теста Вада проводятся интересные исследования о «распределении языков» у билингвов, у знающих второй язык, как иностранный, или у владеющих жестовым языком. [10]

 

Унилатеральная электросудорожная терапия дает сходный с Вада тестом эффект «инактивации» одного из полушарий. ЭСТ до сих пор используется в качестве метода лечения психических расстройств, но основные исследования межполушарной асимметрии с ее помощью относятся к концу 1960-х – 1970-м годам. Прежде экспериментальные методы исследования речи не касались пациентов с психическими расстройствами, но с введением ЭСТ появилась первая возможность судить об особенностях нейробиологии речи в этом случае [13].

 

Хотя полученная в результате подобных манипуляций информация очень ценна, проводить такие эксперименты затруднительно, поскольку объектом здесь становятся живые люди. От приведенных травматичных операций в настоящее время уходят, стремясь к минимальному объему вмешательства. Немаловажно, что на этом этапе исследования речи практически не касались «здоровых» индивидов. Кроме того, не вполне ясно, как интерпретировать полученные результаты.

 

После операции или во время электростимуляции пациенту предлагают выполнить простые задания, о которых говорилось выше. Основной результат, который получает исследователь в сравнении с нормой – это невозможность воспроизведения речи: пациент внезапно прерывается при электростимуляции (speech arrest) или не может подобрать, вспомнить слово (аномия); либо он отвечает неверно, замечая или не замечая собственную ошибку. При этом можно с уверенностью сказать, что исследуемая область влияет на процесс, но на каком этапе он прервался, судить нельзя.

 

Здесь же нужно упомянуть об одном методе, который появился в привычном нам виде в 1985 году, но его принцип схож с электростимуляцией – транскраниальной магнитной стимуляции. При тех же преимуществах он лишен многих упомянутых недостатков: не требует краниотомии, последствия единичного стимула обратимы, и исследование не так затруднительно проводить на здоровых добровольцах.

 

Пятая группа методов, которые в изучении речи стали применяться несколько позже, чем в эпилептологии, представляет собой не стимуляцию, а запись естественной электрической активности нейронов. Такая запись может проводиться во время нейрохирургической операции с использованием точечного датчика (такое исследование проводил, например, Крейтцфельд в 1989 году) или целой сетки, которая накладывается на поверхность мозга – последняя методика называется электрокортикографией (наравне со стимуляцией она использовалась Пенфилдом и другими нейрохирургами при операциях по поводу эпилепсии). Но гораздо доступнее запись с поверхности черепа – электроэнцефалография. Хотя метод был продемонстрирован научному сообществу и получил признание в 1934 году, использоваться именно для изучения речи он начал в исследованиях 1990-х годов в первую очередь с использованием метода вызванных потенциалов. Наиболее известные работы в этой методике касаются процессов семантического анализа [14].

 

Еще один метод, по принципу работы и характеристикам близкий к ЭЭГ – магнитоэнцефалография (МЭГ), он основан на визуализации магнитных полей, возникающих вследствие электрической активности мозга. Первый аппарат был представлен в 1983 году.

 

Преимущество ЭЭГ и МЭГ – высокое временное разрешение, то есть способность отражать процессы практически в тот же момент, в который они происходят. Недостаток ЭЭГ – слабое пространственное разрешение: можно отметить, в каких отведениях та или иная волна более выражена, но даже в случае современных многоканальных аппаратов этого недостаточно для точной локализации. МЭГ обладает более высоким пространственным разрешением и может использоваться с этой целью в нейрохирургии.

 

Шестая группа методов объединена под названием функциональной нейровизуализации. Их общая характеристика – высокое пространственное разрешение, то есть способность очень точно локализовать в мозге функциональную область. В то же время недостатком является невысокое временное разрешение, поскольку изменения, которые регистрируются такими методами (например, изменения в кровотоке) происходят не мгновенно. Тем не менее, в современной науке о физиологии речи эти методы являются ведущими, с их использованием выполняется наибольшее количество работ. Современные представления о путях передачи сигнала при восприятии и воспроизведении речи основаны большей частью на данных функциональной нейровизуализации: это модель двойного потока в модификации Хикока-Попеля и Раушекера-Скотта, которые относятся к 2007-2009 годам.

 

позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) основана на явлении распада изотопов, испускающих позитроны, что регистрируется импульсными детекторами; первый прототип появился в 1952 году.

 

– первый рабочий аппарат для выполнения однофотонной эмиссионной компьютерной томографии появился в 1970-е годы. Метод основан на компьютерной обработке серии сцинтиграмм.

 

– два метода основаны на явлении ядерно-магнитного резонанса: функциональная МРТ и диффузно-тензорная МРТ. Функциональная МРТ предложена в 1990 году. Существуют две основных ее разновидности: BOLD-МРТ, основанная на определении уровня кислорода в крови, и перфузионная МРТ, которая учитывает объем кровотока. Диффузно-тензорная МРТ позволяет изучать проводящие пути, соединяющие эти области, путем расчета направлений диффузии воды.

 

Автор текста: Шишковская Т.И.

 

Редактор: Филиппов Д.С.

 

Источники:

 

  1. Lai C. S. L. et al. A forkhead-domain gene is mutated in a severe speech and language disorder //Nature. – 2001. – Т. 413. – №. 6855. – С. 519.
  2. Бурлак С. А. Эволюционные механизмы и этапы формирования человеческого языка //Москва. – 2013. – С. 2.
  3. Kohler E. et al. Hearing sounds, understanding actions: action representation in mirror neurons //Science. – 2002. – Т. 297. – №. 5582. – С. 846-848.
  4. Баарс Б., Гейдж Н. Мозг, познание, разум: введение в когнитивные нейронауки: в 2 ч./Под ред //Б. Баарса, Н. Гейдж. – 2014
  5. Cummins N. et al. A review of depression and suicide risk assessment using speech analysis //Speech Communication. – 2015. – Т. 71. – С. 10-49.
  6. Bressler S. L., Menon V. Large-scale brain networks in cognition: emerging methods and principles //Trends in cognitive sciences. – 2010. – Т. 14. – №. 6. – С. 277-290.
  7. Kemmerer, D. (2015) Cognitive Neuroscience of Language. Psychology Press. Taylor and Francis Group, New York and London.
  8. Dax M. Observations tendant à prouver la coïncidence constante des dérangements de la parole avec une lésion de l’hémisphère gauche du cerveau // Compt. rend. hebdom. séan. l’Acad. Scien. — 1863. — № 56. — P. 536.
  9. Bogen J. E., Bogen G. M. Wernicke’s region–where is it? //Annals of the New York Academy of Sciences. – 1976. – Т. 280. – №. 1. – С. 834-843.
  10. Handbook of neuroscience of language, edited by B. Stemmer and H. A. Whittaker, 2008, Elsevier
  11. Penfield W., Roberts L. Speech and brain mechanisms. – Princeton University Press, 2014.
  12. Duffau H. et al. Intraoperative mapping of the subcortical language pathways using direct stimulations //Brain. – 2002. – Т. 125. – С. 1-16.
  13. Serafetinides E. A. et al. Schizophrenic symptomatology and cerebral dominance patterns: A comparison of EEG, AER, and BPRS measures //Comprehensive psychiatry. – 1981. – Т. 22. – №. 2. – С. 218-225.
  14. Gazzaniga, Michael S, Richard B Ivry, and G. R Mangun. Cognitive Neuroscience: the Biology of the Mind. Fourth edition. New York: W. W. Norton & Company, Inc., 2014.