Raten Sie, was Sie sagen möchten? Kein Gedankenlesen, sondern prädiktive Verarbeitung im Gehirn

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Xiaoqing Forschungsgruppe (Schlüssellabor für Verhaltenswissenschaften, Institut für Psychologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

In der alltäglichen sprachlichen Kommunikation ahnen die Menschen oft, was ihr Gegenüber sagen wird. Wenn Ihnen beispielsweise ein Freund sagt: „Ich habe Sojamilch und …“ zum Frühstück, haben Sie, noch bevor er zu Ende gesprochen hat, anhand der Information wie „Sojamilch“ bereits erraten, dass er als Nächstes „Teigstangen“ sagen wird.

Wenn er wirklich „youtiao“ sagen würde, würden Sie es schneller und einfacher verstehen, als wenn er „mantou“ sagen würde.

Diese prädiktive Verarbeitung ist im Sprachverständnisprozess vorherrschend und einer der wichtigsten Gründe, warum das menschliche Gehirn ein effizientes Sprachverständnis erreichen kann . Bisherige wissenschaftliche Untersuchungen konzentrierten sich jedoch hauptsächlich darauf, wie Menschen Zielinformationen verarbeiten, nachdem die vorhergesagten Zielinformationen (im Beispiel „youtiao“) erscheinen. Eine lohnendere und anspruchsvollere Forschungsfrage lautet jedoch: Wie kommt diese Vorhersage zustande?

Arbeitsspeicher: Eine temporäre Speicher-Workstation

Daniel Kahneman, Nobelpreisträger für Wirtschaftswissenschaften und Psychologe, erklärte in seinem Buch „Schnelles Denken, langsames Denken“ systematisch die beiden am Denkprozess beteiligten Systeme: System 1 ist das „schnelle System“, das automatisch und unbewusst ist; System 2 ist das „langsame System“, das kognitive Anstrengung erfordert, logisch und bewusst ist .

Er glaubt, dass, wenn jemand Sojamilch hört und an frittierte Teigstangen denkt, die assoziative Verarbeitung zwischen diesen Konzepten von System 1 abhängt. Kann also der Vorhersageprozess beim Sprachverständnis abgeschlossen werden, indem man sich ausschließlich auf System 1 verlässt? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir zunächst verstehen, was „Arbeitsgedächtnis“ ist.

Das Arbeitsgedächtnis bezeichnet ein Gedächtnissystem, das Informationen vorübergehend speichert und verarbeitet . Da es sich um einen temporären „Arbeitsplatz“ handelt, ist die Kapazität der zu speichernden und zu verarbeitenden Informationen begrenzt.

Die Kapazität des Arbeitsgedächtnisses wird von vielen Faktoren beeinflusst, beispielsweise vom Alter. Es vergrößert sich während der Kindheit und Jugend und nimmt im Alter allmählich wieder ab.

Im Jahr 1956 schlug Miller vor, dass die Kapazität des Arbeitsspeichers 7±2 „Chunks“ beträgt, d. h., im Arbeitsspeicher sind im Allgemeinen 5-9 Informationsblöcke gespeichert. Der Inhalt jedes „Brockens“ ist bei verschiedenen Menschen unterschiedlich, was zu großen individuellen Unterschieden in der Menge an Informationen führt, die im Arbeitsgedächtnis gespeichert und verarbeitet werden können.

Arbeitsgedächtniskapazität (Bildquelle: Autor)

Beispielsweise ist es für Menschen schwierig, sich eine Folge von 18 Ziffern zu merken. Handelt es sich bei dieser Nummer jedoch um eine ID-Nummer, lässt sie sich leichter merken, wenn man sie in mehrere „Blöcke“ wie Provinz, Stadt, Bezirkscode (Kreiscode) und Geburtsdatum unterteilt.

Was ist der Vorhersageprozess beim Sprachverständnis?

Kehren wir zum Vorhersageprozess beim Sprachverstehen zurück. Wenn wir uns angesichts der begrenzten Kapazität des Arbeitsspeichers nur auf das automatisierte System 1 verlassen, wird der Vorhersageprozess nicht von der Kapazität des Arbeitsspeichers beeinflusst. Wenn System 2 auch an der prädiktiven Verarbeitung beteiligt ist, werden Personen mit unterschiedlichen Arbeitsgedächtniskapazitäten auch bei der prädiktiven Verarbeitung unterschiedliche Leistungen erbringen.

Um verschiedene Hypothesen zu überprüfen, hat die Forschungsgruppe von Li Xiaoqing am Institut für Psychologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften kürzlich eine EEG-Studie durchgeführt.

Beispiel für den Ablauf eines EEG-Experiments (Bildquelle: Pixabay)

Die Forscher rekrutierten 160 College-Studenten und wählten durch einen Arbeitsgedächtniskapazitätstest zwei Gruppen aus: eine Gruppe mit 24 Personen mit hoher Arbeitsgedächtniskapazität und die andere Gruppe mit 24 Personen mit niedriger Arbeitsgedächtniskapazität.

Zwei Gruppen von College-Studenten lasen und verstanden eine Reihe von Sätzen, die auf einem Computerbildschirm angezeigt wurden. Es gibt drei Arten von Strafen: stark restriktiv, mäßig restriktiv und wenig restriktiv.

Die Einschränkung bezieht sich hier auf die Wahrscheinlichkeit, dass Menschen dasselbe Wort auf Grundlage der Informationen im Satzkontext vorhersagen können.

Wenn beispielsweise 9 von 10 Personen vorhersagen können, dass das Wort „Hammer“ im Kontext „Um die Nägel in das Brett zu schlagen, kaufte er …“ vorkommt, dann sagen wir, dass die Restriktion dieses Kontexts 90 % beträgt.

Demnach liegt die Vorhersagewahrscheinlichkeit für das Nomen „Hammer“ bei 90 %. Ebenso hat „Hammer“ eine mittlere Vorhersagewahrscheinlichkeit im mäßig restriktiven Kontext „Um die harte Walnuss zu knacken, kaufte er …“; „Bücher“ hat eine niedrige Vorhersagewahrscheinlichkeit im wenig restriktiven Kontext „Um diese Aufgabe gut zu erledigen, kaufte er …“

Gehirnwellen-Konzeptkarte (Bildquelle: Veer-Bibliothek)

Im Rahmen der Studie wurden die Gehirnströme von Personen beim Lesen von Sätzen aufgezeichnet und vor allem die Amplitude der Gehirnströme analysiert. Einfach ausgedrückt: Je größer die Amplitude der EEG-Wellen, desto schwieriger ist die kognitive Verarbeitung.

Durch Forschung haben Forscher folgende Entdeckungen gemacht:

Die erste Erkenntnis war, dass College-Studenten beim Lesen des Verbs vor dem Zielnomen (wie „买“ im Beispiel) größere EEG-Wellen aufwiesen, wenn sie „买“ in einem stark restriktiven Kontext lasen, als wenn sie „买“ in einem weniger restriktiven Kontext lasen. Dieses Phänomen wurde nur in der Gruppe mit hoher Arbeitsgedächtniskapazität beobachtet.

Die Forscher führten weitere Analysen mithilfe mathematischer Modelle durch und fanden heraus, dass die EEG-Amplitude beim Verb in einem stark restriktiven Kontext positiv mit der vorhergesagten Wahrscheinlichkeit des nachfolgenden Zielnomens korreliert, d. h., je größer die vorhergesagte Wahrscheinlichkeit des Nomens, desto größer die durch das Verb verursachte EEG-Amplitude.

Beispielsweise beträgt die Vorhersagewahrscheinlichkeit für „Kuchen“ im stark restriktiven Kontext „Um den Geburtstag ihrer Mutter zu feiern, kaufte sie …“ 100 %, sodass die durch „kaufte“ in diesem Kontext ausgelösten Gehirnwellen stärker sind als die durch „kaufte“ im vorherigen stark restriktiven Beispiel ausgelösten Gehirnwellen, da die Vorhersagewahrscheinlichkeit für „Hammer“ 90 % beträgt.

Dieses Ergebnis lässt darauf schließen, dass Menschen mit einer hohen Arbeitsgedächtniskapazität nun hart daran arbeiten, die gleich erscheinenden Substantive zu aktivieren und im Arbeitsgedächtnis zu speichern.

Die zweite Erkenntnis besteht darin, dass nach dem Auftreten der Zielnomen, wie etwa „Hammer“ und „Buch“ im Beispiel, die durch die Nomen hervorgerufene EEG-Amplitude in der Gruppe mit hoher Arbeitsgedächtniskapazität allmählich abnahm, während die Vorhersagewahrscheinlichkeit der Nomen zunahm, d. h. „Hammer“ in einem stark restriktiven Kontext < „Hammer“ in einem mittelrestriktiven Kontext < „Buch“ in einem schwach restriktiven Kontext, während in der Gruppe mit geringer Arbeitsgedächtniskapazität nur der EEG-Effekt „stark restriktiv < schwach restriktiv“ auftrat.

Dies lässt darauf schließen, dass hochprädiktive Substantive bessere semantische Verständniseffekte haben, da sie mit den im Arbeitsgedächtnis gespeicherten Substantiven identisch sind, und dass Personen mit einer hohen Arbeitsgedächtniskapazität bestimmte Vorteile beim Sprachverständnis haben.

Die Forscher analysierten das mathematische Modell weiter und stellten fest, dass der Unterschied in der induzierten EEG-Wellenamplitude umso größer war, je größer der Unterschied in der vorhergesagten Wahrscheinlichkeit des Zielnomens war. Dies deutet darauf hin, dass die durch das Zielnomen unter verschiedenen Bedingungen induzierte EEG-Wellenamplitude tatsächlich mit seiner vorhergesagten Wahrscheinlichkeit zusammenhängt.

EEG-Wellen am Cz-Elektrodenpunkt während der Prädiktionsgenerierungs- (Verbposition) und Prädiktionsintegrationsphase (Nomenposition) von Personen mit hoher Arbeitsgedächtniskapazität (links) und niedriger Arbeitsgedächtniskapazität (rechts) (Bildquelle: Referenz [1], angepasst)

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Unterschiede im prädiktiven Sprachverständnis von Personen mit unterschiedlicher Arbeitsgedächtniskapazität darauf hinweisen, dass die prädiktive Verarbeitung beim Sprachverständnis den Verständnisprozess von Menschen tatsächlich fördern kann, die Vorhersage selbst jedoch ein Bedeutungsberechnungsprozess ist, der kognitive Anstrengung erfordert und nicht einfach aus der automatischen assoziativen Aktivierung zwischen Konzepten resultiert, wie im Beispiel von Daniel Kahneman.

Wir können es das „Entenpaddel“-Phänomen beim Sprachverständnis nennen. Die Ente auf dem Wasser sieht entspannt und zufrieden aus, aber tatsächlich hören ihre Schwimmhäute unter Wasser nie auf, sich zu bewegen. Es scheint, als würden wir Sprache leicht und schnell verstehen, doch in Wirklichkeit führt unser Gehirn ständig prädiktive Verarbeitungsprozesse durch.

Paddelnde Enten (Bildquelle: Pixabay)

Wie können die Informationskapazität und Vorhersagefähigkeit des Gehirns verbessert werden?

Da diese Studie ergab, dass die Kapazität des Arbeitsgedächtnisses eng mit der semantischen Vorhersageverarbeitung zusammenhängt, ist es möglich, das Sprachverständnis durch die Verbesserung der Kapazität des Arbeitsgedächtnisses zu fördern?

Zukünftige Forschung könnte dieses Problem weiter untersuchen. Doch bevor wir diese Frage beantworten, müssen wir klären, ob die Kapazität des Arbeitsgedächtnisses durch Training verbessert werden kann?

Die wissenschaftliche Forschung hat eine positive Antwort gegeben. Forscher unterteilen das Arbeitsgedächtnis in domänenspezifisches Arbeitsgedächtnis und domänenübergreifendes Arbeitsgedächtnis .

Ersteres bezieht sich auf das Arbeitsgedächtnis, das sich auf bestimmte Arten von Informationen bezieht , wie etwa das verbale Arbeitsgedächtnis, das digitale Arbeitsgedächtnis usw. Letzteres ist nicht auf eine bestimmte Art von Informationen beschränkt und kann als Kontrollsystem bezeichnet werden , das Prozesse wie die Kontrolle der Aufmerksamkeit, die Kontrolle des Informationsflusses in das und aus dem Arbeitsgedächtnis und die Kontrolle von Störungen durch irrelevante Informationen umfasst.

Verschiedene chinesische Schriftzeichen (Bildquelle: Veer Gallery)

Es gibt unterschiedliche Trainingsmethoden für das spezifische und allgemeine Arbeitsgedächtnis.

Das domänenspezifische Arbeitsgedächtnis erfordert im Allgemeinen ein strategisches Training . Beispielsweise kann durch wiederholtes Üben die Menge an Informationen erhöht werden, die in jedem „Brocken“ enthalten ist. Im Beispiel „Personalausweis“ können beispielsweise mehrere digitale „Brocken“ zusammengesetzt werden, um die im Arbeitsspeicher gespeicherte digitale Kapazität zu erhöhen.

Das domänenübergreifende Arbeitsgedächtnis verwendet ein Kerntraining , das normalerweise multimodale Aufgaben oder Reize umfasst, starke Interferenzen erzeugt oder ein hochintensives kognitives Engagement erfordert. Beispielsweise kann die allgemeine Leistungsfähigkeit des Arbeitsgedächtnisses durch Aufmerksamkeitstraining, kognitives Training und andere Methoden verbessert werden.

Illustration künstlicher Intelligenz (Bild von Pixabay)

Abschluss

Jetzt haben wir ein allgemeines Verständnis des kognitiven Mechanismus der prädiktiven Verarbeitung beim Sprachverständnis, das heißt, Sprachverständnis ist nicht so einfach und leicht, wie es scheint.

Derzeit werden verschiedene große Sprachmodelle wie ChatGPT auf dem Markt eingesetzt. Obwohl diese Modelle eine schnelle Mensch-Computer-Interaktion ermöglichen und den menschlichen Sprachverständnisprozess weitgehend simulieren können, fehlt den ihnen zugrunde liegenden Algorithmen immer noch die Unterstützung durch kognitive neuronale Mechanismen des Menschen.

Wenn zukünftige Forschungen die neuronalen Mechanismen der prädiktiven Verarbeitung beim Sprachverständnis weiter enthüllen können, werden sie sicherlich eine wichtige Rolle bei der Förderung der Entwicklung allgemeiner künstlicher Intelligenz spielen.

Quellen:

[1]Ding, J., Zhang, Y., Liang, P. & Li, X. (2023). Modulation der Arbeitsgedächtniskapazität auf die prädiktive Verarbeitung beim Sprachverständnis. Sprache, Kognition und Neurowissenschaften.

[2]Ding, J., Wang, L. und Yang, Y. (2020). Der Einfluss emotionaler Wörter auf die prädiktive Verarbeitung beim Satzverständnis. Sprache, Kognition und Neurowissenschaft, 35(2): 151–162.

[3]Zheng, Y., Zhao, Z., Yang, X. & Li, X*. (2021). Der Einfluss musikalischer Expertise auf die antizipatorische semantische Verarbeitung beim Online-Sprachverständnis: Eine Elektroenzephalographie-Studie. Gehirn und Sprache, 221, 105006.

[4]Zheng, Y., Gao, P. & Li, X*. (2023). Der modulierende Effekt musikalischer Expertise auf die lexikalisch-semantische Vorhersage beim Sprachverständnis im Störgeräusch: Belege aus einer EEG-Studie. Psychophysiologie.