汉语单字词音、义加工的脑激活模式
彭聃龄，徐世勇，丁国盛，李恩中，刘颖
（1.北京师范大学心理学院，北京 100875; 2.中国人民大学劳动人事学院;3.首都钢铁公司总医院4．匹茲堡大学学习与发展研究中心）
[摘要] 目的：研究汉字音、义加工的脑机制。方法：采用汉字单字词为实验材料，通过功能磁共振成像扫描执行语音和语义两种认知任务的脑区。结果：语音任务激活的脑区有，左侧顶叶下部和颞上回（BA 40/39/22，BA: Brodmann Area, 即布鲁德曼分区，下同），左侧枕中回（BA 18/19），右侧枕下回（BA 18/19），以及左中央前回（BA 6）。语义任务激活的脑区有，左侧顶叶下部（BA 40/39）和左侧颞上回（BA 22），左侧额下回（BA 10/47），右侧额中回和额上回（BA 10/11），以及左侧额中回（BA 11）。语义任务减去语音任务激活的脑区有，左侧额下回（BA 47），左侧海马（BA 36）和右侧海马旁回（BA 36）。语音任务减去语义任务没有发现任何脑区的激活。结论:在语义任务中与语音有关的脑区得到激活；而在语音任务中与语义有关的脑区没有激活。
[关键词] 语义任务;语音任务;脑机制;汉字单字词
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
生理心理学和脑成像的很多研究表明，拼音文字（如英文）词汇的语音加工与颞上回（主要指威尔尼克区）、顶叶的下部以及额叶下部（主要指布洛卡区）等脑区有关，而语义加工可能与颞下回、颞中回以及左前额叶的部分脑区有关[1~3]。在拼音文字识别中，语音的作用很重要。根据亚词汇单元，如字母和词素等，就可以拼出单词的读音。拼音文字的认知心理学的研究也表明，词音在书面词汇识别中比词义激活得要早，在理解单词的意义时，往往要借助于单词的读音来完成。如有的研究者[4]发现，被试者在词汇的范畴判断任务中经常产生语音引起的虚报错误，如误将“rows”判断为花，原因是“rows”和玫瑰花“rose”的读音相同。这说明语音的自动激活直接影响到被试者对语义任务的加工。
汉字是一种表意文字，从汉字的亚词汇单元或亚字单元，如笔画和部件，不能直接提取出整个汉字的读音，因此，从知觉上来说，汉字形、义的联系可能比形、音的联系要强。一些语言认知的研究结果也发现，从汉字提取语义要比提取语音更容易[5]。但也有很多实验发现，在汉语的词汇识别中，包括单字词和双字词的识别，语音的激活早于语义的激活，语音在语义通达中可能具有重要的作用[6]。
近年来，汉字的脑成像研究也引起了国内外学者的重视，得到了许多有价值的研究结果。研究者已经探讨了汉字形声字加工和语义加工的脑机制[7]、同义字和同音字判断中音、义加工的神经基础[8]、汉、英双语者加工两种语言的脑功能组织 [9,10]。这些研究既发现了汉语与英语加工信息加工的某些共同的脑区，也发现了与汉语加工有特定关系的脑区,如左半球前额叶（BA 9）及右半球的一些脑区（BA 47/45，40/39）是汉字加工所特有的[7,8]。本研究的目的旨在利用功能磁共振成像技术，采用与前人不同的认知任务，考察汉语单字词音、义加工的脑功能定位，并通过直接比较音、义两种任务的脑功能定位模式，探讨汉语单字词识别中音、义两种语言成分之间的相互关系。根据汉语认知心理学的研究结果[5,6], 我们预期，在音、义两种不同的任务中，大脑的功能定位可能会出现分离：在语义任务中可能有语音区的激活；而在语音任务中，可能没有语义区的激活。
1 对象与方法
1．1 被试者 8名（5名男性，3名女性）右利手被试者参加了本实验。被试者的年龄在19~24岁之间，母语均为汉语。所有被试者的视力或者矫正视力正常。在实验前每个被试者都签署了同意参加本次实验的同意书。
1．2 实验设计 实验中用了语音、语义两个判断任务。刺激材料通过一个与电脑相连的LED投影仪呈现。语音判断任务要求被试者判断在呈现的汉语单字词的读音中是否包含韵母/a/。实验材料共40个，其中20个包含韵母/a/，如“纳”（ na, 4），20个不包含韵母/a/，如“琢”（ zhuo, 2）。语义任务要求被试者判断所呈现的单字词是否表示积极的意义。实验材料共40个，其中20个表示积极的意义，如“优”（you, 1），20个为中性意义，如钩”（gou, 1）。两个任务的基线条件相同，要求被试者被试判断呈现的简单图形刺激是否为“+”。每个刺激呈现1 s，空屏2 s。实验材料之间在字频和笔画数等方面都做了匹配。
每个被试者完成两个回波平面成像（EPI）扫描序列（run），每个序列持续4 min，分成8块（block），其中4块为实验任务，4块为基线任务。在一个扫描序列中，要求被试判断呈现的每个单字词是否包含韵母/a/，或者是否为“+”；在另一个扫描序列中，要求被试者判断所呈现的单字词是否表示积极的意义，或者是否为“+”。如果是，要求被试者拉动连到扫描仪外面的绳子，主试者由此可以判断反应的对与错。其中错误反应的数据在数据处理时被删除。音、义两种扫描序列随机呈现给被试者。
1．3 图像采集 实验在首都钢铁总医院的fMRI扫描仪上完成，该扫描仪的磁场强度为1.5 T。正式实验前，通过练习使参加者熟悉实验的程序，并减少由于初次实验的焦虑情绪对实验造成的影响。在练习中观察参加者是否熟悉了实验的程序和要求，在练习中不能达到要求的个别被试者没有参加正式实验。
功能像数据的采集是通过T2*回波成像完成的。扫描参数如下，层厚/层距：5 mm/2 mm；扫描角度： 90º；扫描范围：22 cm；TR/TE：3000 /60；扫描矩阵：128×128；扫描持续时间：240 s；扫描方向：轴位；层内分辨率（In-plan resolution）：1.7 mm。每个扫描序列共扫描6层，每层采集80幅图像。扫描区间位于标准脑的z值为17~28 mm之间（为了考察感兴趣的脑区，扫描中我们根据被试者头型的变化对z值做了相应调整，变化范围为4 mm），这一范围覆盖了与音、义加工有关的经典的语言区。结构像数据的采集是通过T1三维扫描技术完成的。通过这个序列可以获得一个全脑的高分辨率的解剖像。扫描参数如下，层厚/层距：1.3 mm/0； 扫描角度： 45º； 扫描范围：22 cm；TR/TE：11.1 s/4.2；扫描矩阵：256×128；扫描持续时间：421 s； 扫描方向：矢状位。
1．4 数据处理：所有数据都是用AFNI 2.22 ( Analysis of Functional Neuro-images)软件进行处理的。在进行数据分析之前，进行了头动的检查和矫正。根据刺激的呈现序列绘制出每种条件下的理想曲线，然后计算出每个像素的时间序列与理想曲线之间的拟合系数，从而得到每个被试者在每种条件下的激活图。激活图按照标准脑进行了标准化并重新取样（重新取样的分辨率为1 mm ×1 mm × 1 mm），然后将8个被试者的数据按照2 (义、音) × 8（8名被试者）的混合模型进行了统计检验。最终得出基于8个被试者的音、义两个任务的平均激活图，以及音与义、义与音的直接比较的差异图。最后通过簇（cluster）分析进行多重比较过程的阈限矫正，只有激活量大于200 μL的激活区域才确认为不是由于噪地质声引起的激活。
2 结果
全部实验结果见Tab 1，表中的坐标为激活簇中的峰值激活位置。其中语音任务和基线任务直接比较的结果显示），峰值激活区分别位于左侧的顶叶下部和颞上回（BA 40/39/22），左侧的枕叶中回（BA 18/19），右侧枕叶的下回（BA 18/19），以及左侧的中央前回（BA 6）。语义任务和基线任务直接比较的结果显示，峰值激活区分别位于左侧顶叶下部（BA40/39）和左侧颞上回（BA 22），左侧额下回（BA 10/47），右侧额中回和额上回（BA 10/11），以及左侧额中回（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
我们还做了8名被试者的语义任务与语音任务的直接比较（见表1下部），结果发现，在P<0.05的水平时，语义任务与语音任务直接对比的峰值激活位于左侧额下回（BA47），左侧海马（BA36）和右侧海马旁回（BA36）。Fig 1~3分别给出了以上3种比较结果。
Fig 1，2，3插在这里
3 讨论
本实验要求被试者判断在呈现的汉字中是否有韵母/a/，为了顺利完成这个任务，被试者首先要提取出汉字的读音，然后对汉字的读音进行分析，在此基础上才能做出判断。在这种实验条件下，研究的结果显示，语音任务与基线任务相比激活了左侧顶叶下部和颞上回（BA 40/39/22）。这些结果与拼音文字和汉字脑成像的结果是一致的。近年来，很多的研究者发现，顶下小叶（BA 40/39）与语音存储和语音的工作记忆有关[11,12]。最近，Becker等人[13] 综述了语音存储的研究结果，提出顶下小叶（BA 40）较低的位置（大约是z=22的位置，这与本研究的结果非常相似）与“语音环路”中的语音存储有关。很多研究还发现，左侧颞上回（BA 22）与语音分析有关[14~16]。根据上面这些分析，我们有理由认为，与拼音文字类似，左半球顳-顶叶一些脑区（BA 39/40/22）的激活是由汉字的语音任务引起的。顶下小叶（BA 39/40）可能直接参与汉字的语音存储与提取，而BA 22参与语音的分析。另外，和近期的一些研究结果一样[9,10,16,]，我们在语音任务中还发现，中央前回（BA 6）和枕叶的一些脑区也得到了激活。其中中央前回（BA 6）参与了对语音的准备与判断[14]。
语义任务和基线任务直接比较的结果显示，激活区位于顶下小叶（BA 40/39）和左侧颞上回（BA 22），左侧额叶（BA 10/47,BA11），以及右侧额中回和额上回（BA 10/11）。其中一些脑区的激活（如顶、颞叶交界处的BA 40/39,BA 22等）是和语音任务引起的激活相似的。在语义任务中，顶、颞叶激活区的峰值坐标（49，53，21）与语音任务中顶、颞叶激活区的峰值坐标（38，44，19）很接近，说明它们在定位上有一部分是重叠的。另外，将义、音两种任务的结果直接比较后（见Fig 3），没有发现颞、顶区的激活，也说明这个脑区既参与了语音加工，也参与了语义加工；同时也说明，在语义任务中存在语音的激活。
我们在语义任务中还发现，左侧额叶的一些脑区（BA 10/47,BA 11）也得到了激活。这一结果和拼音文字与表意文字的一系列研究结果一致[6,8,10]。这些研究发现，左侧BA47和BA10是和语义加工有关的。Poldrack 等人[17]总结了40份研究报告（见该报告的附录B）以及自己的研究结果，提出BA 47和BA 10是语义执行系统的一部分，通过语义执行系统可以监控来自颞叶后部的语义信息的提取。在我们的研究中，除了将语义任务与控制任务进行了比较外，还对语义任务和语音任务进行了直接比较，结果也发现了BA 47的激活，这进一步说明BA 47与语义加工有很大关系，是语义执行系统的重要组成部分。
在本研究的语义任务中，我们还发现左侧额上回（BA 11）、右侧额中回和额上回（BA 10/11）的激活。最近，一项使用空间定位技术研究汉字事件相关电位（ERP）的研究[18]发现，右侧BA10是在汉字加工时间进程中300~400 ms这一区段内的主要激活区域。相反，这个区域在英文条件下没有得到激活。可见，这些脑区在音、义两种认知任务中的作用还不太清楚。由于在本研究的语音任务中没有发现这些脑区的激活，而只在语义任务中发现了这些脑区的激活，因此我们倾向于认为，这些脑区是与语义加工有关的。
综合音、义两个任务的研究结果可以看出，在语义任务中出现了与语音有关的脑区的激活；而在语音任务中没有发现与语义有关的脑区的激活。义、音的直接比较（义减去音）得到了与语义加工有关脑区（BA 47）的激活，而音、义的直接比较（音减去义）没有发现任何脑区的激活。换句话说，在进行语义判断时，语音出现了自动激活，这种激活可能有助于语义判断。而在进行语音判断时，语义参与较少，所以没有显著激活。当然，也有研究发现，在进行命名任务时，尽管语音的激活较弱，语义也会自动激活的[17] ，只是语义激活的时间可能晚于语音。
这些实验数据强烈地支持了汉语单字词加工的非知觉观点[18]。人脑对任何一种书写系统的反应都是作为一种语言，而不是作为一种图形来反应的。研究结果也支持了“普遍语音”的观点，即语音加工发生在任何一种书写系统识别的早期阶段。以往很多行为实验的数据从时间模式上表明，尽管从汉语的书写系统提取语音不像拼音文字那样直接，但语音激活仍发生在词汇识别中[7]。我们的实验结果为这一观点提供了脑功能定位的实验证据。
[参考文献]
[1] Poldrack RA, Wagner AD, Prull MW, et al. Functional specialization for semantic and phonological processing in the left inferior prefrontal cortex[J]. Neuro Image , 1999, 10:15-35.
[2] Pugh KR, Shaywitz BA, Constable RT, et al. Cerebral organization of component processes in reading[J]. Brain,1996, 119:1221-1238.
[3] Demonet JF, Chollet F, Ramsay S, et al. The anatomy of phonological and semantic processing in normal subjects[J]. Brain, 1992,115:1753-1768.
[4] Van Orden GC, Johnston JC, Hale BL. Word identification in reading proceeds form spelling to sound to meaning[J]. J Exp Psychol, 1988,14(3):371-386.
[5] Hoosain R. Psycholinguistic implications for linguistic relativity: A case study of Chinese[M]. Hillsdale,NJ:Erbaum.1991
[6] Tan LH, Perfetti CA. Phonological activation in visual identification of Chinese two-character words[J]. J Exp Psychol, 1999,.25(2):382-393.
[7] Tan LH, Spinks JA,Gao, et al Brain activation in the processing of Chinese characters and words: A Functional MRI Study[J]. Human Brain Map, 2000,10:16-27.
[8] Tan LH, Liu HL, Perfetti CA, et al. The neural systems underlying Chinese logographic reading[J]. Neuro Image, 2001, 13: 826-846.
[9] Tan LH, Spinks JA., Feng CM,et al. Neural systems of second language reading are shaped by native language[J]. Human Brain Map,2003, 18:158 –166.
[10] Chee M, Tan E, Thiel T, et al. Mandarin and English single word processing studies with functional magnetic resonance imaging[J].J Neurosci ,1999,19:3050-3056.
[11] Paulesu E, Frith CD, Frackowiak RSJ.The neural correlates of the verbal component of wording memory .Nature, 1993,362:342-345.
[12] Salmon, E,Vander Linden, M.,Collette, F, et al. Regional brain activity during working memory tasks[J]. Brain, 1996,119:1617-1625.
[13] Becker JT, MacAndrew DK, Fiez JA. A comment on the functional localization of the phonological storage subsystem of working memory[J]. Brain Cognition 1999,41:27-38.
[14] Fiez JA, Perersen SE. Neuroimaging studies of word reading[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1998, 95: 914-921.
[15] Herbster AN, Mintun MA, Nebes RD, et al. Regional cerebral blood flow during word and non-word reading[J]. Human brain map, 1997, 5:84-92.
[16] Petersen SE, Fox PT, Snyder AZ, et al. Activation of extrastriate and frontal cortical areas by visual words and word-like stimuli[J]. Science, 1990,249:1041-1044.
[17] Liu Y, Perfetti CA. The time course of brain activity in reading English and Chinese: An ERP study of Chinese bilinguals[J]. Human Brain Map, 2003, 18(3):167-175.
[18] Perfetti CA, Zhang S, Berent I. Reading in English and Chinese: Evidence for “universal” phonological principle[M]. In R.Frost & Katz(Eds.), Orthography, phonology, morphology, and meaning (pp 227-248),Amsterdam: North-Holland,1992.
[基金项目]国家重大基础研究(G1999054000)和自然科学基金九·五重大项目(69790080)
[通信作者]彭聃龄
[作者简介]彭聃龄（1935-），男，湖南长沙人，北京师范大学心理学院教授，博士生导师，主要从事语言认知，含语言的认知神经科学方面的研究。徐世勇在北京师范大学心理学院攻读博士学位期间参与了该项研究工作.
