基于漢語高頻名詞下詞圖匹配語義判斷任務(wù)的設(shè)計(jì)與運(yùn)用范式

常靜玲，張斌龍，譚中建，樊瑞文，韋宇飛，高穎

1.北京中醫(yī)藥大學(xué)東直門醫(yī)院，a.神經(jīng)內(nèi)科；b.放射科，北京市100700；2.國家中醫(yī)藥管理局腦病中醫(yī)證治重點(diǎn)研究室，北京市100700

目的 探索基于漢語高頻名詞的詞圖匹配語義判斷任務(wù)的設(shè)計(jì)思路，以及該任務(wù)下的功能磁共振成像(fMRI)和事件相關(guān)電位(ERP)實(shí)驗(yàn)研究方法，為該領(lǐng)域研究提供范式。

方法 闡述漢語高頻名詞的詞圖匹配判斷任務(wù)的材料來源和設(shè)計(jì)流程，并納入1例健康受試者，進(jìn)行詞圖匹配語義判斷任務(wù)下的fMRI、ERP實(shí)驗(yàn)，將任務(wù)下采集的fMRI/ERP數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷該任務(wù)在fMRI/ERP實(shí)驗(yàn)中的可行性。

結(jié)果 fMRI結(jié)果顯示，與注視“+”時(shí)相比，受試者在詞圖呈現(xiàn)時(shí)右側(cè)額中回激活增高；與詞圖匹配條件相比，受試者在詞圖不匹配條件下右側(cè)顳中回激活增高。ERP結(jié)果顯示，詞圖匹配條件下受試者左側(cè)額顳區(qū)激活較明顯，詞圖不匹配條件下右側(cè)額葉區(qū)激活較明顯。

結(jié)論 基于本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用fMRI、ERP技術(shù)均可以獲得語言相關(guān)腦區(qū)激活效應(yīng)，提示本任務(wù)可用于探索漢語語言的腦加工機(jī)制。

隨著認(rèn)知心理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)學(xué)研究的不斷深入，人類語言發(fā)生過程中的心理變化和認(rèn)知機(jī)理研究倍受關(guān)注[1-2]。近年來，研究者們著力探索反映語言加工過程的研究范式，以期更好地揭示語言加工的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)機(jī)制，構(gòu)建相關(guān)理論模型。語言加工是大腦處理語音、語義、語法等多層次信息的復(fù)雜過程。漢語和西方語言屬于不同的語言體系，西方拉丁字母是表音文字，而漢字是由字符組成的象形文字，屬于典型的表意體系文字[3]，較西方文字涉及更多的空間加工腦區(qū)參與[4-6]。因此，漢語語言研究不能完全照搬國外的研究設(shè)計(jì)和范式，應(yīng)針對(duì)漢語特點(diǎn)進(jìn)行語言的認(rèn)知心理實(shí)驗(yàn)研究。

近年來，認(rèn)知領(lǐng)域的語言學(xué)研究得到越來越多的關(guān)注[7]。為了更全面探索漢語加工的腦機(jī)制，國內(nèi)學(xué)者引入多種可用于漢語研究的理論模型和假設(shè)，如概念隱喻理論[8]、復(fù)合線索理論[9]、交互激活模型[10]、詞匯聯(lián)想模型、負(fù)激活效應(yīng)和競爭啟動(dòng)效應(yīng)等[11]。然而單純的理論模型與行為實(shí)驗(yàn)不能深層次解釋漢語語言加工機(jī)制，探索漢語的深層加工機(jī)制急需借助新方法和新手段的介入。

現(xiàn)代非侵入性神經(jīng)科學(xué)技術(shù)日新月異，為語言學(xué)研究帶來契機(jī)，研究者探索拓展語言研究范式，將非侵入性技術(shù)引入語言實(shí)驗(yàn)研究中，開展基于行為學(xué)任務(wù)下的腦功能磁共振、腦電等實(shí)驗(yàn)研究，為揭示語言加工機(jī)制提供新策略，建立更為客觀的語言功能評(píng)價(jià)體系[12]。目前開展語言任務(wù)實(shí)驗(yàn)最常采取的現(xiàn)代技術(shù)有功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)和事件相關(guān)電位(event-related potential,ERP)，兩者均是讓受試者在執(zhí)行特定任務(wù)的情況下采集相關(guān)的神經(jīng)信息，其不同點(diǎn)在于，ERP在高時(shí)間分辨率下采集人腦神經(jīng)元的放電信息，而fMRI則在高空間分辨率下采集人腦血流動(dòng)力學(xué)的變化信息。結(jié)合fMRI和ERP技術(shù)，可以彌補(bǔ)兩個(gè)技術(shù)各自的理論缺陷，更可以在高時(shí)空分辨率的條件下精準(zhǔn)探索語言的發(fā)生機(jī)制與腦功能定位[13-14]。

腦是語言的載體，傳統(tǒng)的Wernicke-Lichtheim模型由Broca和Wernicke腦區(qū)構(gòu)成。其中，Wernicke腦區(qū)負(fù)責(zé)語言理解，Broca腦區(qū)負(fù)責(zé)語言產(chǎn)生，Wernicke區(qū)接受語言信息后通過弓狀束連接，傳遞至Broca區(qū)，產(chǎn)生語言[15]，這個(gè)模型奠基了腦與語言研究，對(duì)后續(xù)研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。然而語言的接收和產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的過程，近年隨著fMRI和ERP等技術(shù)的發(fā)展，研究者們發(fā)現(xiàn)了更為廣泛的語言腦區(qū)，如顳中回、顳上回前部、皮質(zhì)下區(qū)域等[16]，進(jìn)一步提出腦語言區(qū)可分為腹側(cè)和背側(cè)通路，通過相應(yīng)的白質(zhì)纖維束連接[17]。傳統(tǒng)的腦部語言加工模型不足以解釋諸多的語言理論和語言效應(yīng)，而豐富這個(gè)模型的過程需要腦與語言研究為其提供基礎(chǔ)。研究者們參考行為學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)典的組塊設(shè)計(jì)和事件相關(guān)設(shè)計(jì)，提出多種可用于腦與語言實(shí)驗(yàn)的任務(wù)范式，如Stroop效應(yīng)實(shí)驗(yàn)[18]、詞圖匹配實(shí)驗(yàn)、詞匯聯(lián)想實(shí)驗(yàn)[19]、圖片命名實(shí)驗(yàn)[20]、語義啟動(dòng)或重復(fù)實(shí)驗(yàn)[21]等。其中，詞圖匹配任務(wù)下的實(shí)驗(yàn)是國際上常用的與神經(jīng)科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的語言實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)涉及跨語言模塊、圖片理解、文字理解、語義判斷、詞圖干擾效應(yīng)、語義干擾效應(yīng)等語言研究的熱點(diǎn)問題[22]，探索這些語言模塊與語言效應(yīng)的腦部結(jié)構(gòu)和功能基礎(chǔ)，可以為完善腦部的語言加工模型提供重要證據(jù)。

目前基于漢語的詞圖匹配實(shí)驗(yàn)報(bào)道仍較為少見，我們也沒有找到國內(nèi)研究者詳細(xì)報(bào)道本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與運(yùn)用方法的文獻(xiàn)。為此，我們提出一項(xiàng)漢語高頻名詞下詞圖匹配語義判斷任務(wù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并以fMRI/ERP技術(shù)為示例，探索語言機(jī)制實(shí)驗(yàn)的研究范式，以期規(guī)范腦與語言研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并為后續(xù)研究的展開提供基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 任務(wù)設(shè)計(jì)

基于《現(xiàn)代漢語常用詞表》中的高頻名詞，借鑒目前國際推行的詞圖匹配任務(wù)設(shè)計(jì)方法[22-23]，結(jié)合漢語的語言特點(diǎn)、特征，模擬現(xiàn)代語言康復(fù)訓(xùn)練場景，經(jīng)語言學(xué)專家論證，形成基于漢語高頻名詞的詞圖匹配刺激材料，在此基礎(chǔ)上，研制出詞圖匹配語義判斷任務(wù)?？紤]語言任務(wù)實(shí)驗(yàn)在fMRI、ERP等神經(jīng)科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用范圍，對(duì)本語言任務(wù)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)及流程進(jìn)行規(guī)范。

1.1.1 刺激材料

刺激材料由120組圖片和漢語詞匯組成，根據(jù)圖片與詞匯的語義不同分為語義一致(匹配)和語義不一致(不匹配)。所有試驗(yàn)所用詞匯均出自2008年國家語言文字工作委員會(huì)發(fā)布的《現(xiàn)代漢語常用詞表》，從詞頻最高的12,000個(gè)詞中選出常用的雙字物體名詞60個(gè)，筆劃范圍為5～30劃，白底黑字，100磅宋體字。所有實(shí)驗(yàn)用圖均為黑白色線條畫，由同一美術(shù)專業(yè)人員繪制，圖片大小為6英寸(15.2×10.2 cm)。圖片和漢語詞匯示例見圖1。

圖1 圖片和漢語詞匯示例

1.1.2 刺激呈現(xiàn)順序

采用E-prime 2.0軟件進(jìn)行編程，采用快速事件相關(guān)設(shè)計(jì)，以視覺方式呈現(xiàn)。呈現(xiàn)順序(圖2)為：①呈現(xiàn)圖片1500 ms；②呈現(xiàn)空屏500 ms；③呈現(xiàn)漢語詞語1500 ms(詞匯與圖片均隨機(jī)抽取，詞圖語義一致和不一致情況出現(xiàn)的次數(shù)均等)；③注視點(diǎn)“+”隨機(jī)呈現(xiàn)1800～2200 ms(平均2000 ms)，提示被試者對(duì)詞圖的語義進(jìn)行判斷，若判斷為圖片與詞匯語義匹配，則按“左”鍵，判斷為不匹配則按“右”鍵。fMRI實(shí)驗(yàn)共重復(fù)60個(gè)周期，ERP實(shí)驗(yàn)共重復(fù)120個(gè)周期。通過反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過程，包括呈現(xiàn)的詞圖刺激、語言判斷的反應(yīng)時(shí)間、判斷的正確和錯(cuò)誤等信息，便于后續(xù)分析。

圖2 刺激呈現(xiàn)順序

1.2 漢語詞圖匹配任務(wù)下的ERP/fMRI預(yù)實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

為了對(duì)詞圖匹配任務(wù)在fMRI與ERP實(shí)驗(yàn)中的可行性進(jìn)行測試，納入健康受試者1例進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。受試者為女性，26歲，本科學(xué)歷，母語為漢語，右利手，視力、視野正常，無神經(jīng)系統(tǒng)疾病史，簡易精神狀態(tài)檢查(Mini-Mental State Examination,MMSE)評(píng)分為30分。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集

fMRI數(shù)據(jù)采集在北京中醫(yī)藥大學(xué)東直門醫(yī)院放射科核磁室進(jìn)行，采集設(shè)備采用西門子Novus 3.0 T磁共振掃描成像儀，受試者在執(zhí)行上述語言任務(wù)時(shí)采集fMRI，采用 EPI序列，TR=2000 ms，TE=30 ms，F(xiàn)lip angle=90°，F(xiàn)OV=225×225，Band width=2520，分辨率64×64，31 axial slices，層厚3.5 mm，間距0.7 mm，Voxel size:3.5×3.5×3.5，進(jìn)行不間斷性連續(xù)掃描，掃描時(shí)間366 s，任務(wù)開始前采集高分辨率三維T1加權(quán)成像數(shù)據(jù)(176 slices，thickness=1 mm，TR=1900 ms，TE=2.13 m，TI=900 ms，F(xiàn)lip angle=9°，Resolution=256×256，Voxel size:1.0×1.0×1.0，掃描時(shí)間258 s)。

ERP數(shù)據(jù)采集在北京中醫(yī)藥大學(xué)東直門醫(yī)院腦功能室進(jìn)行。采用Quik-Cap 64導(dǎo)聯(lián)電極帽(Compumedics Neuroscan,USA)，電極排列方式按照10-20國際標(biāo)準(zhǔn)。該電極帽上的電極為Ag/AgCl合金電極，均被包裹在軟橡膠內(nèi)固定。SynAmps2放大器(Compumedics Neuroscan,USA)及信號(hào)采集系統(tǒng)用于進(jìn)行信號(hào)采集，帶通0.05～250 Hz，60 Hz陷波，采樣頻率為1000 Hz。參考電極M1、M2貼于耳后乳突。實(shí)驗(yàn)在光線較暗、安靜的室內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過程中，被試戴上耳機(jī)以舒服的姿勢坐在椅子上，并盡量克制吞咽口水、眨眼、眼球移動(dòng)等動(dòng)作。電極阻抗保持在5 kΩ以下。

1.2.3 分析方法

fMRI數(shù)據(jù)處理在SPM 12(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)中進(jìn)行，預(yù)處理包括頭動(dòng)校正、時(shí)間層校正、空間校準(zhǔn)、6 mm平滑，隨后在SPM12中構(gòu)建廣義線性模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)比各個(gè)任務(wù)條件的差異。ERP數(shù)據(jù)處理在Brainstorm(http://neuroimage.usc.edu/brainstorm/)中進(jìn)行，預(yù)處理包括剔除壞導(dǎo)，轉(zhuǎn)參考，濾波，分段，基線校正，隨后選取目標(biāo)時(shí)段進(jìn)行疊加平均，對(duì)比匹配和不匹配任務(wù)條件下激活差異。

2 結(jié)果

fMRI分析首先對(duì)比詞圖呈現(xiàn)時(shí)與注視“+”時(shí)的腦激活差異(圖3A)，發(fā)現(xiàn)受試者在詞圖呈現(xiàn)時(shí)，右側(cè)額中回激活增高(P＜0.001，F(xiàn)WE校正)，未發(fā)現(xiàn)詞圖呈現(xiàn)對(duì)比注視“+”有顯著激活降低的腦區(qū)。進(jìn)一步，對(duì)比詞圖匹配條件與詞圖不匹配條件下的腦激活差異(圖3B)，發(fā)現(xiàn)在詞圖不匹配的條件下，右側(cè)顳中回的激活較匹配時(shí)增高(P＜0.001，F(xiàn)WE校正)，未發(fā)現(xiàn)詞圖不匹配相比詞圖匹配激活降低的腦區(qū)。具體腦區(qū)見表1。

ERP分析將任務(wù)分為詞圖匹配和詞圖不匹配兩種條件?？v觀所有電極腦電圖可以看出，在兩種實(shí)驗(yàn)條件下，受試在400 ms前后均出現(xiàn)明顯N400趨勢(圖4A、圖4D)，N400波形在PZ、CZ兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)表現(xiàn)較為明顯(圖4B、圖4E)，畫出被試在400 ms時(shí)的腦地形圖(圖4C、圖4F)，可以發(fā)現(xiàn)，在執(zhí)行詞圖匹配判斷任務(wù)時(shí)，右側(cè)中央頂部腦區(qū)有明顯激活。詞圖匹配條件下受試者在左側(cè)額顳區(qū)激活較明顯，詞圖不匹配條件下受試者在右側(cè)額葉區(qū)激活較明顯。

表1 fMRI分析結(jié)果

圖3 fMRI分析結(jié)果

圖4 ERP分析結(jié)果

3 討論

3.1 漢語詞圖匹配任務(wù)形成的理論基礎(chǔ)

詞圖匹配任務(wù)從語言學(xué)方面解析，認(rèn)為分為文字理解、圖片理解和詞圖匹配判斷三個(gè)過程，需要“字形輸入詞典”、“視覺物體辨認(rèn)系統(tǒng)”和詞圖兩個(gè)語言模塊之間映射的參與[23]。在詞圖匹配判斷的過程中，有研究發(fā)現(xiàn)在詞圖干擾范式中同時(shí)存在語義抑制效應(yīng)和語義促進(jìn)效應(yīng)兩種相互矛盾的效應(yīng)[24]。與語義一致的干擾詞語相比，語義不一致干擾條件顯著延長語義判斷的時(shí)間，這一效應(yīng)被稱之為語義抑制效應(yīng)[25]；當(dāng)語義判斷任務(wù)為詞圖語義一致時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)語義促進(jìn)效應(yīng)[26]。從詞圖匹配任務(wù)的結(jié)果來看，分為判斷錯(cuò)誤與判斷正確兩種情況，人腦在進(jìn)行正確判斷與錯(cuò)誤判斷時(shí)的機(jī)制目前尚不明確，有研究發(fā)現(xiàn)大腦前額葉皮質(zhì)可能影響判斷的結(jié)果，然而尚需進(jìn)一步地實(shí)驗(yàn)證實(shí)[27]。故而基于本研究的詞圖匹配任務(wù)，研究者可以從以下方面出發(fā)探索語言機(jī)制：①通過對(duì)比詞圖呈現(xiàn)瞬間大腦神經(jīng)信息傳遞特點(diǎn)，研究語義理解的機(jī)制，尋找“字形輸入詞典”、“視覺物體辨認(rèn)系統(tǒng)”對(duì)應(yīng)腦區(qū)；②通過對(duì)比詞圖匹配與詞圖不匹配條件下的信息差異，研究語義抑制效應(yīng)與語義促進(jìn)效應(yīng)的機(jī)制以及兩個(gè)效應(yīng)的差異性；③通過探索出現(xiàn)注視“+”時(shí)判斷正確與判斷錯(cuò)誤情況下腦區(qū)的激活差異，研究人腦在判斷正確與錯(cuò)誤的語言信息時(shí)的處理差異。

3.2 語言任務(wù)的fMRI/ERP實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本研究為漢語詞-圖匹配語言任務(wù)下的fMRI/ERP探索性研究，受試者為1例健康人，借助fMRI、ERP的先進(jìn)分析技術(shù)，建立多重對(duì)比矩陣，探索包括語言理解、文字與圖片間映射和語義效應(yīng)等語言的腦加工機(jī)制，并獲得差異性腦區(qū)，真實(shí)、客觀呈現(xiàn)語言任務(wù)的實(shí)驗(yàn)效果。研究結(jié)果有以下解釋。①fMRI結(jié)果顯示，右側(cè)額中回可能參與圖片與文字的理解過程，此腦區(qū)可能在“字形輸入詞典”、“視覺物體辨認(rèn)系統(tǒng)”的語言處理過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)研究顯示，語言理解主要與位于顳葉的Wernicke區(qū)相關(guān)[28]，近年來的研究發(fā)現(xiàn)語言理解與額葉也密切相關(guān)[29]，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相契合。②fMRI與ERP結(jié)合分析顯示，詞圖匹配條件下左側(cè)額顳區(qū)激活較明顯，不匹配條件下右側(cè)額顳區(qū)激活較明顯，目前普遍認(rèn)為左腦是人類語言的優(yōu)勢半球，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提示左右腦的差異性可能是語義促進(jìn)效應(yīng)與語義抑制效應(yīng)的基礎(chǔ)[30]。

3.3 局限性與展望

本研究的局限性在于：①實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，由于本任務(wù)需要患者具備基本的判斷能力與手部活動(dòng)能力，故而不適用于全身狀況不佳、手部活動(dòng)不能、嚴(yán)重理解障礙、意識(shí)障礙和重度智能低下患者；②實(shí)驗(yàn)對(duì)象方面，僅對(duì)單個(gè)被試開展探索性實(shí)驗(yàn)研究，仍需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本進(jìn)行驗(yàn)證；③語言任務(wù)方面，尚未進(jìn)行判斷錯(cuò)誤與判斷正確的對(duì)比，后續(xù)研究將探索在這兩種條件下的腦區(qū)激活差異；④分析方法方面，目前僅對(duì)fMRI、ERP實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析，未來研究將進(jìn)一步引入融合分析技術(shù)。

本語言任務(wù)設(shè)計(jì)理念是基于詞圖匹配任務(wù)激發(fā)語言理解的過程而產(chǎn)生，探索詞圖匹配語言任務(wù)實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)思路與方法，形成多模態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析的流程，證實(shí)該任務(wù)的客觀性和可行性，起到探索和示范效應(yīng)，為后續(xù)開展?jié)h語詞圖匹配任務(wù)的fMRI/ERP實(shí)驗(yàn)提供思路與范式；但語言加工是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，目前尚無實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)完全呈現(xiàn)語言理解的全過程，未來開展多種任務(wù)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)為揭示語言加工過程的有效途徑[31]。在分析方法方面，還可運(yùn)用聯(lián)合獨(dú)立成分分析方法提取fMRI數(shù)據(jù)的空間信息和ERP的時(shí)間信息后，再將兩個(gè)模態(tài)的數(shù)據(jù)與受試者行為學(xué)量表進(jìn)行相關(guān)，充分發(fā)揮fMRI和ERP技術(shù)的優(yōu)勢[32]，并可拓展至腦磁圖等技術(shù)研究中。本研究中的任務(wù)來源為語言康復(fù)訓(xùn)練的材料與模式，雖本項(xiàng)研究對(duì)象為健康被試，未來還將根據(jù)臨床實(shí)際，將實(shí)驗(yàn)對(duì)象擴(kuò)展至輕、中度認(rèn)知功能障礙的患者，如無嚴(yán)重理解障礙的腦卒中后失語、輕中度認(rèn)知障礙、老年癡呆癥、精神分裂癥等患者[33-35]，根據(jù)不同的人群設(shè)計(jì)相應(yīng)的語言刺激任務(wù)。

3.4 小結(jié)

本研究借鑒語言康復(fù)訓(xùn)練理念，模擬漢語語言理解中的詞圖匹配思維訓(xùn)練過程，形成語言任務(wù)的設(shè)計(jì)流程，將現(xiàn)代神經(jīng)影像學(xué)與神經(jīng)電生理學(xué)技術(shù)應(yīng)用于語言學(xué)實(shí)驗(yàn)中，采用fMRI/ERP的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段，探索漢語語言加工機(jī)制研究的新范式，為揭示認(rèn)知障礙類疾病的發(fā)生、發(fā)展和恢復(fù)機(jī)制提供新方法、新途徑，為神經(jīng)心理學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供新思路，具有重要的理論指導(dǎo)與現(xiàn)實(shí)意義。