漢語單字詞音,、義加工的腦激活模式
彭聃齡,，徐世勇,，丁國盛,，李恩中，劉穎
（1.北京師范大學(xué)心理學(xué)院,，北京 100875; 2.中國人民大學(xué)勞動(dòng)人事學(xué)院;3.首都鋼鐵公司總醫(yī)院4．匹茲堡大學(xué)學(xué)習(xí)與發(fā)展研究中心）
[摘要] 目的：研究漢字音,、義加工的腦機(jī)制。方法：采用漢字單字詞為實(shí)驗(yàn)材料,，通過功能磁共振成像掃描執(zhí)行語音和語義兩種認(rèn)知任務(wù)的腦區(qū),。結(jié)果：語音任務(wù)激活的腦區(qū)有,，左側(cè)頂葉下部和顳上回（BA 40/39/22,，BA: Brodmann Area, 即布魯?shù)侣謪^(qū),，下同）,，左側(cè)枕中回（BA 18/19）,，右側(cè)枕下回（BA 18/19）,，以及左中央前回（BA 6）。語義任務(wù)激活的腦區(qū)有,，左側(cè)頂葉下部（BA 40/39）和左側(cè)顳上回（BA 22）,，左側(cè)額下回（BA 10/47），右側(cè)額中回和額上回（BA 10/11）,，以及左側(cè)額中回（BA 11）,。語義任務(wù)減去語音任務(wù)激活的腦區(qū)有,，左側(cè)額下回（BA 47），左側(cè)海馬（BA 36）和右側(cè)海馬旁回（BA 36）,。語音任務(wù)減去語義任務(wù)沒有發(fā)現(xiàn)任何腦區(qū)的激活。結(jié)論:在語義任務(wù)中與語音有關(guān)的腦區(qū)得到激活,；而在語音任務(wù)中與語義有關(guān)的腦區(qū)沒有激活,。
[關(guān)鍵詞] 語義任務(wù);語音任務(wù);腦機(jī)制;漢字單字詞
Brain mechanism for the phonological and semantic processing of Chinese character
PENG Dan-ling, XU Shi-yong, DING Guo-sheng, LI En-zhong, LIU Ying
(1.Beijing Normal University, Beijing 100875, China;2.China’s People University;3.General Hospital of Capital Steel Company;4.Learning Research and Developing Center)
[Abstract] Objective: To investigate the brain mechanism of the phonological and semantic activation of Chinese character reading. Methods: Funcrioual magneric resonance imaging (fMRI) was applied to defect the activated brainareas during the phonological and semantic judgment. Results: Phonological processing of Chinese character activated left inferior parietal lobe (BA 39/40), left superior temporal lobe (BA 22), left middle occipital gyrus (BA 18/19), right middle occipital gyrus (BA 18/19), and left precentral gyrus (BA 6). The semantic task activated some areas in left inferior parietal lobe(BA 39/40), left superior temporal lobe(BA 22),left inferior frontal lobe(BA 47/10), right middle and inferior frontal lobe(BA 10/11), and left middle frontal lobe(BA 11). When phonological task was subtracted from semantic task, some areas in left inferior frontal lobe (BA 47), left hippocampus (BA 36) and right Gyrus para-hippocampus (BA 36) were activated. However, no significant activated area was found vice versa. Conclusions: Some brain areas underlying phonological processing is activated during semaantic, while brain areas underlying semantic processing is not activated during the phonological task.
[Key words] phonological task; semantic tasks; brain mechanism; Chinese character
生理心理學(xué)和腦成像的很多研究表明，拼音文字（如英文）詞匯的語音加工與顳上回（主要指威爾尼克區(qū)）,、頂葉的下部以及額葉下部（主要指布洛卡區(qū)）等腦區(qū)有關(guān),，而語義加工可能與顳下回、顳中回以及左前額葉的部分腦區(qū)有關(guān)[1~3],。在拼音文字識(shí)別中,，語音的作用很重要。根據(jù)亞詞匯單元,，如字母和詞素等,，就可以拼出單詞的讀音,。拼音文字的認(rèn)知心理學(xué)的研究也表明,，詞音在書面詞匯識(shí)別中比詞義激活得要早,，在理解單詞的意義時(shí)，往往要借助于單詞的讀音來完成。如有的研究者[4]發(fā)現(xiàn),，被試者在詞匯的范疇判斷任務(wù)中經(jīng)常產(chǎn)生語音引起的虛報(bào)錯(cuò)誤,，如誤將“rows”判斷為花,，原因是“rows”和玫瑰花“rose”的讀音相同,。這說明語音的自動(dòng)激活直接影響到被試者對語義任務(wù)的加工,。
漢字是一種表意文字,，從漢字的亞詞匯單元或亞字單元,，如筆畫和部件,，不能直接提取出整個(gè)漢字的讀音,，因此,，從知覺上來說,，漢字形、義的聯(lián)系可能比形,、音的聯(lián)系要強(qiáng),。一些語言認(rèn)知的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，從漢字提取語義要比提取語音更容易[5],。但也有很多實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),，在漢語的詞匯識(shí)別中，包括單字詞和雙字詞的識(shí)別,，語音的激活早于語義的激活,，語音在語義通達(dá)中可能具有重要的作用[6]。
近年來,，漢字的腦成像研究也引起了國內(nèi)外學(xué)者的重視,，得到了許多有價(jià)值的研究結(jié)果。研究者已經(jīng)探討了漢字形聲字加工和語義加工的腦機(jī)制[7],、同義字和同音字判斷中音,、義加工的神經(jīng)基礎(chǔ)[8]、漢,、英雙語者加工兩種語言的腦功能組織 [9,10],。這些研究既發(fā)現(xiàn)了漢語與英語加工信息加工的某些共同的腦區(qū)，也發(fā)現(xiàn)了與漢語加工有特定關(guān)系的腦區(qū),如左半球前額葉（BA 9）及右半球的一些腦區(qū)（BA 47/45,，40/39）是漢字加工所特有的[7,8],。本研究的目的旨在利用功能磁共振成像技術(shù),，采用與前人不同的認(rèn)知任務(wù)，考察漢語單字詞音、義加工的腦功能定位，并通過直接比較音,、義兩種任務(wù)的腦功能定位模式,，探討漢語單字詞識(shí)別中音,、義兩種語言成分之間的相互關(guān)系,。根據(jù)漢語認(rèn)知心理學(xué)的研究結(jié)果[5,6], 我們預(yù)期，在音,、義兩種不同的任務(wù)中,，大腦的功能定位可能會(huì)出現(xiàn)分離：在語義任務(wù)中可能有語音區(qū)的激活,；而在語音任務(wù)中，可能沒有語義區(qū)的激活。
1 對象與方法
1．1 被試者 8名（5名男性,，3名女性）右利手被試者參加了本實(shí)驗(yàn)。被試者的年齡在19~24歲之間,，母語均為漢語,。所有被試者的視力或者矯正視力正常。在實(shí)驗(yàn)前每個(gè)被試者都簽署了同意參加本次實(shí)驗(yàn)的同意書,。
1．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)中用了語音,、語義兩個(gè)判斷任務(wù)。刺激材料通過一個(gè)與電腦相連的LED投影儀呈現(xiàn),。語音判斷任務(wù)要求被試者判斷在呈現(xiàn)的漢語單字詞的讀音中是否包含韻母/a/,。實(shí)驗(yàn)材料共40個(gè)，其中20個(gè)包含韻母/a/,，如“納”（ na, 4）,，20個(gè)不包含韻母/a/，如“琢”（ zhuo, 2）,。語義任務(wù)要求被試者判斷所呈現(xiàn)的單字詞是否表示積極的意義,。實(shí)驗(yàn)材料共40個(gè)，其中20個(gè)表示積極的意義,，如“優(yōu)”（you, 1）,，20個(gè)為中性意義，如鉤”（gou, 1）,。兩個(gè)任務(wù)的基線條件相同,，要求被試者被試判斷呈現(xiàn)的簡單圖形刺激是否為“+”。每個(gè)刺激呈現(xiàn)1 s,，空屏2 s,。實(shí)驗(yàn)材料之間在字頻和筆畫數(shù)等方面都做了匹配。
每個(gè)被試者完成兩個(gè)回波平面成像（EPI）掃描序列（run）,，每個(gè)序列持續(xù)4 min,，分成8塊（block），其中4塊為實(shí)驗(yàn)任務(wù),，4塊為基線任務(wù),。在一個(gè)掃描序列中，要求被試判斷呈現(xiàn)的每個(gè)單字詞是否包含韻母/a/,，或者是否為“+”,；在另一個(gè)掃描序列中，要求被試者判斷所呈現(xiàn)的單字詞是否表示積極的意義，或者是否為“+”,。如果是,，要求被試者拉動(dòng)連到掃描儀外面的繩子，主試者由此可以判斷反應(yīng)的對與錯(cuò),。其中錯(cuò)誤反應(yīng)的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理時(shí)被刪除,。音、義兩種掃描序列隨機(jī)呈現(xiàn)給被試者,。
1．3 圖像采集 實(shí)驗(yàn)在首都鋼鐵總醫(yī)院的fMRI掃描儀上完成,，該掃描儀的磁場強(qiáng)度為1.5 T。正式實(shí)驗(yàn)前,，通過練習(xí)使參加者熟悉實(shí)驗(yàn)的程序,，并減少由于初次實(shí)驗(yàn)的焦慮情緒對實(shí)驗(yàn)造成的影響。在練習(xí)中觀察參加者是否熟悉了實(shí)驗(yàn)的程序和要求,，在練習(xí)中不能達(dá)到要求的個(gè)別被試者沒有參加正式實(shí)驗(yàn),。
功能像數(shù)據(jù)的采集是通過T2*回波成像完成的。掃描參數(shù)如下,，層厚/層距：5 mm/2 mm；掃描角度： 90º,；掃描范圍：22 cm,；TR/TE：3000 /60；掃描矩陣：128×128,；掃描持續(xù)時(shí)間：240 s,；掃描方向：軸位；層內(nèi)分辨率（In-plan resolution）：1.7 mm,。每個(gè)掃描序列共掃描6層,，每層采集80幅圖像。掃描區(qū)間位于標(biāo)準(zhǔn)腦的z值為17~28 mm之間（為了考察感興趣的腦區(qū),，掃描中我們根據(jù)被試者頭型的變化對z值做了相應(yīng)調(diào)整,，變化范圍為4 mm），這一范圍覆蓋了與音,、義加工有關(guān)的經(jīng)典的語言區(qū),。結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)的采集是通過T1三維掃描技術(shù)完成的。通過這個(gè)序列可以獲得一個(gè)全腦的高分辨率的解剖像,。掃描參數(shù)如下,，層厚/層距：1.3 mm/0； 掃描角度： 45º,； 掃描范圍：22 cm,；TR/TE：11.1 s/4.2；掃描矩陣：256×128；掃描持續(xù)時(shí)間：421 s,； 掃描方向：矢狀位,。
1．4 數(shù)據(jù)處理：所有數(shù)據(jù)都是用AFNI 2.22 ( Analysis of Functional Neuro-images)軟件進(jìn)行處理的。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前,，進(jìn)行了頭動(dòng)的檢查和矯正,。根據(jù)刺激的呈現(xiàn)序列繪制出每種條件下的理想曲線，然后計(jì)算出每個(gè)像素的時(shí)間序列與理想曲線之間的擬合系數(shù),，從而得到每個(gè)被試者在每種條件下的激活圖,。激活圖按照標(biāo)準(zhǔn)腦進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化并重新取樣（重新取樣的分辨率為1 mm ×1 mm × 1 mm），然后將8個(gè)被試者的數(shù)據(jù)按照2 (義,、音) × 8（8名被試者）的混合模型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),。最終得出基于8個(gè)被試者的音、義兩個(gè)任務(wù)的平均激活圖,，以及音與義,、義與音的直接比較的差異圖。最后通過簇（cluster）分析進(jìn)行多重比較過程的閾限矯正,，只有激活量大于200 μL的激活區(qū)域才確認(rèn)為不是由于噪地質(zhì)聲引起的激活,。
2 結(jié)果
全部實(shí)驗(yàn)結(jié)果見Tab 1，表中的坐標(biāo)為激活簇中的峰值激活位置,。其中語音任務(wù)和基線任務(wù)直接比較的結(jié)果顯示）,，峰值激活區(qū)分別位于左側(cè)的頂葉下部和顳上回（BA 40/39/22），左側(cè)的枕葉中回（BA 18/19）,，右側(cè)枕葉的下回（BA 18/19）,，以及左側(cè)的中央前回（BA 6）。語義任務(wù)和基線任務(wù)直接比較的結(jié)果顯示,，峰值激活區(qū)分別位于左側(cè)頂葉下部（BA40/39）和左側(cè)顳上回（BA 22）,，左側(cè)額下回（BA 10/47），右側(cè)額中回和額上回（BA 10/11）,，以及左側(cè)額中回（BA 11）,。
Tab 1 Significant brain regions related to experimental tasks minus baseline and the semantic task minus phonological task
Brain region
Brodmann’s area (BA)
Pixels activated
Coordinates
T value
x
y
z
1.phonological task minus baseline
Left Lpi and TGs
40/22/39
2557
38
44
19
2.78**.
Left GOm
18/19
2164
24
77
14
2.78**.
Right GOi
18/19
1643
-27
71
-23
2.78**.
Left GPrC
6
1075
52
5
13
2.78**.
2.semantic task minus baseline
Left Lpi and TGs
22/39/40
1593
49
53
21
2.78**.
Left Lfi
10/47
1366
43
-29
-8
2.78**.
Right Lfi, Lfm and Lfs
10/11
693
-17
-52
-16
2.78**.
Left Lfm
11
347
42
-49
-15
2.78**.
3.phonological task minus semantic task
Left Hi
36
1901
32
18
-16
2.15*
Right GH
36
1312
-17
23
-22
2.15*
Left Lfi
47
1178
44
-24
-9
2.15*
Note: Lpi, inferior parietal lobe; TGs, superior temporal gyrus; GOm, middle occipital gyrus; GOi, inferior occipital gyrus; Lfi, inferior frontal lobe; Lfs, superior frontal lobe; Lfm, middle frontal lobe; Hi, hippocampus; GPrC, pre-central gyrus; GH, Para-hippocampus Gyrus.Significance: **P<0.01，*P<0.05
我們還做了8名被試者的語義任務(wù)與語音任務(wù)的直接比較（見表1下部）,，結(jié)果發(fā)現(xiàn),，在P<0.05的水平時(shí)，語義任務(wù)與語音任務(wù)直接對比的峰值激活位于左側(cè)額下回（BA47）,，左側(cè)海馬（BA36）和右側(cè)海馬旁回（BA36）,。Fig 1~3分別給出了以上3種比較結(jié)果。
Fig 1,，2,，3插在這里
3 討論
本實(shí)驗(yàn)要求被試者判斷在呈現(xiàn)的漢字中是否有韻母/a/，為了順利完成這個(gè)任務(wù)，被試者首先要提取出漢字的讀音,，然后對漢字的讀音進(jìn)行分析,，在此基礎(chǔ)上才能做出判斷。在這種實(shí)驗(yàn)條件下,，研究的結(jié)果顯示,，語音任務(wù)與基線任務(wù)相比激活了左側(cè)頂葉下部和顳上回（BA 40/39/22）。這些結(jié)果與拼音文字和漢字腦成像的結(jié)果是一致的,。近年來,，很多的研究者發(fā)現(xiàn)，頂下小葉（BA 40/39）與語音存儲(chǔ)和語音的工作記憶有關(guān)[11,12],。最近,，Becker等人[13] 綜述了語音存儲(chǔ)的研究結(jié)果，提出頂下小葉（BA 40）較低的位置（大約是z=22的位置,，這與本研究的結(jié)果非常相似）與“語音環(huán)路”中的語音存儲(chǔ)有關(guān),。很多研究還發(fā)現(xiàn)，左側(cè)顳上回（BA 22）與語音分析有關(guān)[14~16],。根據(jù)上面這些分析,，我們有理由認(rèn)為，與拼音文字類似,，左半球顳-頂葉一些腦區(qū)（BA 39/40/22）的激活是由漢字的語音任務(wù)引起的,。頂下小葉（BA 39/40）可能直接參與漢字的語音存儲(chǔ)與提取，而BA 22參與語音的分析,。另外,，和近期的一些研究結(jié)果一樣[9,10,16,],，我們在語音任務(wù)中還發(fā)現(xiàn),，中央前回（BA 6）和枕葉的一些腦區(qū)也得到了激活。其中中央前回（BA 6）參與了對語音的準(zhǔn)備與判斷[14],。
語義任務(wù)和基線任務(wù)直接比較的結(jié)果顯示,，激活區(qū)位于頂下小葉（BA 40/39）和左側(cè)顳上回（BA 22），左側(cè)額葉（BA 10/47,BA11）,，以及右側(cè)額中回和額上回（BA 10/11）,。其中一些腦區(qū)的激活（如頂、顳葉交界處的BA 40/39,BA 22等）是和語音任務(wù)引起的激活相似的,。在語義任務(wù)中,，頂、顳葉激活區(qū)的峰值坐標(biāo)（49,，53,，21）與語音任務(wù)中頂、顳葉激活區(qū)的峰值坐標(biāo)（38，44,，19）很接近,，說明它們在定位上有一部分是重疊的。另外,，將義,、音兩種任務(wù)的結(jié)果直接比較后（見Fig 3），沒有發(fā)現(xiàn)顳,、頂區(qū)的激活,，也說明這個(gè)腦區(qū)既參與了語音加工，也參與了語義加工,；同時(shí)也說明,，在語義任務(wù)中存在語音的激活。
我們在語義任務(wù)中還發(fā)現(xiàn),，左側(cè)額葉的一些腦區(qū)（BA 10/47,BA 11）也得到了激活,。這一結(jié)果和拼音文字與表意文字的一系列研究結(jié)果一致[6,8,10]。這些研究發(fā)現(xiàn),，左側(cè)BA47和BA10是和語義加工有關(guān)的,。Poldrack 等人[17]總結(jié)了40份研究報(bào)告（見該報(bào)告的附錄B）以及自己的研究結(jié)果，提出BA 47和BA 10是語義執(zhí)行系統(tǒng)的一部分,，通過語義執(zhí)行系統(tǒng)可以監(jiān)控來自顳葉后部的語義信息的提取,。在我們的研究中，除了將語義任務(wù)與控制任務(wù)進(jìn)行了比較外,，還對語義任務(wù)和語音任務(wù)進(jìn)行了直接比較,，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)了BA 47的激活，這進(jìn)一步說明BA 47與語義加工有很大關(guān)系,，是語義執(zhí)行系統(tǒng)的重要組成部分,。
在本研究的語義任務(wù)中，我們還發(fā)現(xiàn)左側(cè)額上回（BA 11）,、右側(cè)額中回和額上回（BA 10/11）的激活,。最近，一項(xiàng)使用空間定位技術(shù)研究漢字事件相關(guān)電位（ERP）的研究[18]發(fā)現(xiàn),，右側(cè)BA10是在漢字加工時(shí)間進(jìn)程中300~400 ms這一區(qū)段內(nèi)的主要激活區(qū)域,。相反，這個(gè)區(qū)域在英文條件下沒有得到激活,?？梢姡@些腦區(qū)在音,、義兩種認(rèn)知任務(wù)中的作用還不太清楚,。由于在本研究的語音任務(wù)中沒有發(fā)現(xiàn)這些腦區(qū)的激活,，而只在語義任務(wù)中發(fā)現(xiàn)了這些腦區(qū)的激活，因此我們傾向于認(rèn)為,，這些腦區(qū)是與語義加工有關(guān)的,。
綜合音、義兩個(gè)任務(wù)的研究結(jié)果可以看出,，在語義任務(wù)中出現(xiàn)了與語音有關(guān)的腦區(qū)的激活,；而在語音任務(wù)中沒有發(fā)現(xiàn)與語義有關(guān)的腦區(qū)的激活。義,、音的直接比較（義減去音）得到了與語義加工有關(guān)腦區(qū)（BA 47）的激活,，而音、義的直接比較（音減去義）沒有發(fā)現(xiàn)任何腦區(qū)的激活,。換句話說,，在進(jìn)行語義判斷時(shí)，語音出現(xiàn)了自動(dòng)激活,，這種激活可能有助于語義判斷,。而在進(jìn)行語音判斷時(shí)，語義參與較少,，所以沒有顯著激活,。當(dāng)然，也有研究發(fā)現(xiàn),，在進(jìn)行命名任務(wù)時(shí),，盡管語音的激活較弱，語義也會(huì)自動(dòng)激活的[17] ,，只是語義激活的時(shí)間可能晚于語音,。
這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)強(qiáng)烈地支持了漢語單字詞加工的非知覺觀點(diǎn)[18]。人腦對任何一種書寫系統(tǒng)的反應(yīng)都是作為一種語言,，而不是作為一種圖形來反應(yīng)的,。研究結(jié)果也支持了“普遍語音”的觀點(diǎn)，即語音加工發(fā)生在任何一種書寫系統(tǒng)識(shí)別的早期階段,。以往很多行為實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)從時(shí)間模式上表明,，盡管從漢語的書寫系統(tǒng)提取語音不像拼音文字那樣直接,，但語音激活仍發(fā)生在詞匯識(shí)別中[7],。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為這一觀點(diǎn)提供了腦功能定位的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
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[基金項(xiàng)目]國家重大基礎(chǔ)研究(G1999054000)和自然科學(xué)基金九·五重大項(xiàng)目(69790080)
[通信作者]彭聃齡
[作者簡介]彭聃齡（1935-）,，男,，湖南長沙人，北京師范大學(xué)心理學(xué)院教授,，博士生導(dǎo)師,，主要從事語言認(rèn)知,，含語言的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)方面的研究。徐世勇在北京師范大學(xué)心理學(xué)院攻讀博士學(xué)位期間參與了該項(xiàng)研究工作.
