Frases complexas e desconhecidas fazem com que a rede de linguagem do cérebro trabalhe mais, revela estudo

Com a ajuda de uma rede de linguagem artificial, os neurocientistas do MIT descobriram que tipo de frases têm maior probabilidade de ativar os principais centros de processamento de linguagem do cérebro.

O novo estudo revela que frases mais complexas, seja por causa de uma gramática incomum ou de um significado inesperado, geram respostas mais fortes nesses centros de processamento de linguagem. Frases muito diretas mal envolvem essas regiões, e sequências de palavras sem sentido também não fazem muito por elas.

Por exemplo, os pesquisadores descobriram que essa rede cerebral era mais ativa ao ler frases incomuns como “Os sinais de compra e venda continuam sendo particulares”, retiradas de um conjunto de dados de linguagem disponível publicamente chamado C4. No entanto, ficou quieto ao ler algo muito direto, como “Estávamos sentados no sofá”.

“A entrada deve ser semelhante a uma linguagem o suficiente para envolver o sistema”, diz Evelina Fedorenko, professora associada de neurociência no MIT e membro do Instituto McGovern de Pesquisa do Cérebro do MIT. “E então, dentro desse espaço, se as coisas são realmente fáceis de processar, então você não tem muita resposta. Mas se as coisas ficarem difíceis, ou surpreendentes, se houver uma construção incomum ou um conjunto incomum de palavras que você está talvez não esteja muito familiarizado, então a rede terá que trabalhar mais.”

Fedorenko é o autor sênior do estudo, que aparece hoje no Natureza Comportamento Humano. A estudante de pós-graduação do MIT, Greta Tuckute, é a autora principal do artigo.

Linguagem de processamento

Neste estudo, os investigadores concentraram-se nas regiões de processamento da linguagem encontradas no hemisfério esquerdo do cérebro, que inclui a área de Broca, bem como outras partes dos lobos frontal esquerdo e temporal do cérebro.

“Essa rede linguística é altamente seletiva em relação ao idioma, mas tem sido mais difícil descobrir o que realmente está acontecendo nessas regiões linguísticas”, diz Tuckute. “Queríamos descobrir que tipos de frases, que tipos de input linguístico, impulsionam a rede linguística do hemisfério esquerdo.”

Os pesquisadores começaram compilando um conjunto de 1.000 frases retiradas de uma ampla variedade de fontes – ficção, transcrições de palavras faladas, textos da web e artigos científicos, entre muitos outros.

Cinco participantes humanos leram cada uma das frases enquanto os pesquisadores mediam a atividade da rede linguística usando ressonância magnética funcional (fMRI). Os pesquisadores então alimentaram essas mesmas 1.000 frases em um grande modelo de linguagem – um modelo semelhante ao ChatGPT, que aprende a gerar e compreender a linguagem prevendo a próxima palavra em grandes quantidades de texto – e mediram os padrões de ativação do modelo em resposta a cada frase.

Depois de terem todos esses dados, os pesquisadores treinaram um modelo de mapeamento, conhecido como “modelo de codificação”, que relaciona os padrões de ativação observados no cérebro humano com aqueles observados no modelo de linguagem artificial. Uma vez treinado, o modelo poderia prever como a rede da linguagem humana responderia a qualquer nova frase com base em como a rede da linguagem artificial respondia a essas 1.000 frases.

Os pesquisadores então usaram o modelo de codificação para identificar 500 novas sentenças que gerariam atividade máxima no cérebro humano (as sentenças “drive”), bem como sentenças que provocariam atividade mínima na rede de linguagem do cérebro (as sentenças “suprimir”). .

Num grupo de três novos participantes humanos, os investigadores descobriram que estas novas frases realmente impulsionavam e suprimiam a atividade cerebral conforme previsto.

“Essa modulação em ‘circuito fechado’ da atividade cerebral durante o processamento da linguagem é nova”, diz Tuckute. “Nosso estudo mostra que o modelo que estamos usando (que mapeia as ativações do modelo de linguagem e as respostas cerebrais) é preciso o suficiente para fazer isso. Esta é a primeira demonstração desta abordagem em áreas do cérebro implicadas na cognição de nível superior, como a rede linguística.”

Complexidade linguística

Para descobrir o que fazia com que certas frases impulsionassem mais a atividade do que outras, os investigadores analisaram as frases com base em 11 propriedades linguísticas diferentes, incluindo gramaticalidade, plausibilidade, valência emocional (positiva ou negativa) e quão fácil é visualizar o conteúdo da frase.

Para cada uma dessas propriedades, os pesquisadores pediram aos participantes de plataformas de crowdsourcing que avaliassem as frases. Eles também usaram uma técnica computacional para quantificar a “surpresa” de cada frase, ou quão incomum ela é em comparação com outras frases.

Esta análise revelou que frases com maior surpresa geram respostas mais elevadas no cérebro. Isto é consistente com estudos anteriores que mostram que as pessoas têm mais dificuldade em processar frases com maior surpresa, dizem os investigadores.

Outra propriedade linguística que se correlacionou com as respostas da rede linguística foi a complexidade linguística, que é medida pelo quanto uma frase adere às regras da gramática inglesa e quão plausível ela é, ou seja, quanto sentido o conteúdo faz, além da gramática.

Frases em ambos os extremos do espectro – sejam extremamente simples ou tão complexas que não fazem sentido algum – evocaram muito pouca ativação na rede linguística. As maiores respostas vieram de frases que fazem algum sentido, mas exigem trabalho para entendê-las, como “Jiffy Lube of-oftherapy, yes”, que veio do conjunto de dados Corpus of Contemporary American English.

“Descobrimos que as frases que provocam a resposta cerebral mais elevada têm uma gramatical estranha e/ou um significado estranho”, diz Fedorenko. “Há algo um pouco incomum nessas frases.”

Os pesquisadores agora planejam ver se conseguem estender essas descobertas a falantes de outras línguas além do inglês. Eles também esperam explorar que tipo de estímulo pode ativar regiões de processamento de linguagem no hemisfério direito do cérebro.