基于功能性核磁共振的漢字語義加工腦機(jī)制研究

楊菁菁，李修軍，吳景龍，佟丹

（1.長春理工大學(xué)　計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)，長春　130022；2.日本岡山大學(xué)　自然科學(xué)研究生院　岡山，700-8530；3.吉林大學(xué)第一醫(yī)院　放射科，長春　130022）

基于功能性核磁共振的漢字語義加工腦機(jī)制研究

楊菁菁1，李修軍1，吳景龍2，佟丹3

（1.長春理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)，長春130022；2.日本岡山大學(xué)自然科學(xué)研究生院岡山，700-8530；3.吉林大學(xué)第一醫(yī)院放射科，長春130022）

利用功能性磁共振成像（fMRI）技術(shù)探討文盲和非文盲漢字語義加工腦機(jī)制的差異。實(shí)驗(yàn)使用漢字語義和圖形的判斷任務(wù)比較了中國人文盲和非文盲在語義加工過程腦機(jī)制的差異。結(jié)果表明文盲與非文盲漢字語義加工腦機(jī)制不同，且非文盲的腦活動更強(qiáng)，具體體現(xiàn)在左側(cè)額中回（BA9），左側(cè)角回（BA39/40）及左側(cè)顳上回（BA21/22）以及小腦。

文盲；非文盲；漢字語義；功能性磁共振成像

漢字處理過程主要包括字形、讀音和語義三個部分。人腦在識別漢字的時候主要通過視覺或者聽覺通道對漢字進(jìn)行辨別，例如：當(dāng)我們看到或者聽到一個漢字“山”，通過視覺通道我們會聯(lián)想到山的形狀，通過聽覺通道我們會聯(lián)想到山的發(fā)音，進(jìn)而聯(lián)想到山的語義。因此，語義處理是更深一層次的處理過程，本文將對漢字語義處理腦機(jī)制進(jìn)行研究。

對漢語的語義加工處理是人腦語言處理的一項(xiàng)基本活動，與讀音和字形相關(guān)功能腦區(qū)相比，語義加工激活的腦區(qū)范圍更廣，而且與讀音和字形加工腦區(qū)有相當(dāng)大的重疊。對英語和字母語系的fMRI研究表明，在語義處理過程中，左側(cè)額下回是重要的激活區(qū)。逆序詞語義判斷任務(wù)為漢字所特有，與字母語系不同，國內(nèi)學(xué)者對漢字語義處理進(jìn)行了相關(guān)研究。單保慈等通過對聽覺和視覺刺激的研究發(fā)現(xiàn)，左側(cè)大腦半球的額下回、顳下回、梭狀回以及右側(cè)大腦半球的顳中回、緣上回、雙側(cè)的小腦、枕葉參與了漢字的語義處理［1］。Tan等使用漢字做實(shí)驗(yàn)刺激被試完成判斷人物，發(fā)現(xiàn)漢字處理腦區(qū)集中在左側(cè)額中回和右側(cè)的一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BA47/45，BA7，BA40/39以及詩句區(qū)域系統(tǒng)）［2］。彭聃齡等認(rèn)為語義任務(wù)中可能出現(xiàn)與語音有關(guān)的腦區(qū)的激活；而在語音任務(wù)中不出現(xiàn)與語義有關(guān)的腦區(qū)的激活［3］。在語義判斷時，語音腦區(qū)出現(xiàn)自動激活，這種激活可能有助于語義判斷，而在進(jìn)行語音判斷時，語義參與較少，所以沒有顯著激活。本文采用接受教育程度差異較大的兩種被試（非文盲和文盲）利用功能性核磁共振（fMRI）技術(shù)手段探討漢字語義加工相關(guān)腦區(qū)。

近年來，諸多研究表明語言加工有特定腦區(qū)［4-9］。那么文盲和非文盲的漢字語義處理腦機(jī)制有怎樣的差異？為解決如上問題，實(shí)驗(yàn)采用fMRI技術(shù)對中國文盲和非文盲漢字語義加工的腦機(jī)制的差異進(jìn)行探討。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1被試

本實(shí)驗(yàn)使用文盲被試15人，年齡56±3.6歲，其中男性8人，女性7人；非文盲被試15人，年齡54± 3.9歲，其中男性7人，女性8人。所有被試均符合健康、右利手、母語為漢語的條件，視力聽力均正常。所有被試在實(shí)驗(yàn)前均簽署了知情同意書。為了驗(yàn)證文盲被試是否具有正常的智力，進(jìn)行了IQ測試（raven IQ test）。結(jié)果顯示非文盲被試為121.1±4.8，文盲被試為91.8±4.9，但均屬于正常水平（正常智力范圍是90～110之間）。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計

實(shí)驗(yàn)采用2×2的兩因素混合實(shí)驗(yàn)設(shè)計。因素1是組間變量，有文盲組和非文盲組兩個水平；因素2是組內(nèi)變量，分別為漢字語義和圖形。因變量為被試反應(yīng)時間，正確率和檢測的腦血氧水平（BLOD）。

1.3實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)刺激是漢字和簡單的圖形，漢字是從小學(xué)五年級漢字生字表中挑選出的53個平均筆畫9.8的常用漢字。根據(jù)漢字語義是否相同配對成語義相同組和語義不同組，各18對。圖形為簡單幾何圖形○和□，18對相同，18對不同。共組成72張圖片，圖片像素為245×245，顯示器分辨率1024×768，視角為8度。

1.4實(shí)驗(yàn)任務(wù)

在fMRI實(shí)驗(yàn)時，語義刺激對和圖形刺激對通過反光鏡折射至被試眼部。在進(jìn)行掃描時要求被試對屏幕中呈現(xiàn)的兩個漢字（或圖形）進(jìn)行辨別，語義相同時用左手拇指按1鍵，不同時用右手拇指按3鍵。語義刺激對或圖形對均隨機(jī)出現(xiàn)。刺激呈現(xiàn)時間均為4s，時間間隔隨機(jī)化，分別為2s，4s和6s。無刺激呈現(xiàn)時只提示注視點(diǎn)“+”。一共72個刺激，實(shí)驗(yàn)時間大約持續(xù)10分鐘。然后加掃了3D和T1圖像。整個實(shí)驗(yàn)持續(xù)時間約20分鐘。

1.5數(shù)據(jù)采集與分析

實(shí)驗(yàn)采用吉林大學(xué)第一醫(yī)院的Philips Intera Achieva 3.0T超導(dǎo)型MR掃描系統(tǒng)，應(yīng)用8通道SENSE頭線圈。層厚為3.5mm。在數(shù)據(jù)分析的時候，使用基于Matlab7.5的SPM8軟件進(jìn)行圖像后處理。處理過程分為預(yù)處理和統(tǒng)計分析處理兩個過程：預(yù)處理具體過程是：（1）頭動校正和圖像的配準(zhǔn)。（2）空間標(biāo)準(zhǔn)化。（3）空間平滑和時間平滑。（4）去線性漂移。在預(yù)處理過程完成后進(jìn)行統(tǒng)計分析。在個體水平，采用一般線性模型（General Linear Model，Y=βX+E），將漢字語義辨別和圖形辨別的反應(yīng)與baseline做比較，p＜0.001（Uncorrected），得出對比圖像。采用隨機(jī)效應(yīng)模型，對組內(nèi)和組間數(shù)據(jù)分別進(jìn)行單樣本和雙樣本t檢驗(yàn)分析 p＜0.05（Corrected）得到文盲和非文盲在漢字語義處理時腦活動的差異性腦區(qū)。

1.6結(jié)果

fMRI腦功能成像結(jié)果：文盲組激活了一個由多個腦區(qū)參與的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，非文盲組也激活了一個由多個腦區(qū)參與的漢字語義加工處理網(wǎng)絡(luò)（圖1），兩組被試均激活了大腦對漢字語義處理的基本腦區(qū)。兩組被試做差，如圖2所示，差異性腦區(qū)位于左側(cè)額中回（BA9），左側(cè)角回（BA39/40）及左側(cè)顳上回（BA21/22）以及小腦，p＜0.05。

圖1　文盲與非文盲漢字語義加工的激活腦區(qū)結(jié)果

圖2　文盲與非文盲漢字語義加工激活差異腦區(qū)結(jié)果（p＜0.05）

2　討論

本研究中非文盲和文盲組漢字字形加工均激活了由多個腦區(qū)構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，與以往對漢字語義加工的fMRI研究結(jié)果均相近［2，10，11］。近年來，隨著腦科學(xué)和心理語言學(xué)的發(fā)展，世界各地的諸多學(xué)者對文盲這一特殊被試群體進(jìn)行研究。國內(nèi)外許多學(xué)者對文盲進(jìn)行了研究，并取得了許多成果，跟語言相關(guān)的腦區(qū)一一被發(fā)現(xiàn)并確定下來［4-10］。本文也發(fā)現(xiàn)了幾個漢字語義處理的特有腦區(qū)，比如左側(cè)額中回（BA9），左側(cè)角回（BA39/40）及左側(cè)顳上回（BA21/ 22）以及小腦等都是與漢字語義處理相關(guān)。

目前國內(nèi)的語言學(xué)家已經(jīng)開始利用文盲這一特殊被試進(jìn)行漢語語言處理機(jī)制方面的研究。Li等人（2006）對中文文盲進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)詞再認(rèn)任務(wù)，探討文盲和非文盲激活的腦區(qū)差異［10］。研究同時采用fMRI技術(shù)來探討語音任務(wù)中的大腦激活，實(shí)驗(yàn)采用30個靜態(tài)字詞再認(rèn)和30個交通標(biāo)識符的靜態(tài)圖形命名任務(wù)進(jìn)行。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在字詞再認(rèn)任務(wù)中，兩類被試在左側(cè)額下，額中回，兩側(cè)的顳上回激活差異顯著；非文盲被試主要激活左側(cè)額中回。文盲被試這種靜態(tài)漢字再認(rèn)任務(wù)激活的區(qū)域主要是兩側(cè)的頂葉下部。在圖形命名任務(wù)中，兩側(cè)的額下、額中回，左側(cè)的邊緣扣帶回的激活差異顯著。因此，得到結(jié)論是與語言任務(wù)相關(guān)的腦區(qū)激活模式受教育的影響。Dehaene等人在science上發(fā)表了基于文盲文字學(xué)習(xí)的文章，明確了幾個特定的腦區(qū)，比如左側(cè)紡錘狀回是寫作腦內(nèi)等［11］。我們的結(jié)果也證明了在雙側(cè)的后頭頂葉主要是漢字的語義處理區(qū)，因?yàn)樵陔p側(cè)的后頭頂葉非文盲的活動比文盲的活動強(qiáng)。

在國外，Petersson等人的有關(guān)英文語義和語音的文盲研究中，針對文盲和非文盲被試進(jìn)行了單詞與非單詞判斷，語音判斷，語義判斷等實(shí)驗(yàn)任務(wù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在頂下皮層（IPC）領(lǐng)域，文盲和非文盲相比，在左側(cè)非文盲的活動比文盲的活動強(qiáng)，在右側(cè)文盲的活動比非文盲強(qiáng)，而在顳上回（STG）領(lǐng)域內(nèi)兩者之間沒有顯著性差異［12-15］。我們得到結(jié)果表明，漢字語義處理腦區(qū)有部分和英文處理腦區(qū)相同，部分腦區(qū)是不同的，說明漢字語義處理有其特有的腦機(jī)制，這也是漢字作為象形文字最大的特點(diǎn)。

3　結(jié)論

文盲與非文盲漢字語義加工腦神經(jīng)機(jī)制不同，但是文盲和非文盲具有相似的、完善的漢語語義加工腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接模式。結(jié)果可以看出非文盲的腦活動更強(qiáng)，教育改變了語言認(rèn)知活動的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)鏈接模式。漢字語義加工時非文盲比文盲強(qiáng)的腦活動神經(jīng)機(jī)制在左側(cè)的一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即差異性腦區(qū)位于左側(cè)額中回（BA9），左側(cè)角回（BA39/40）及左側(cè)顳上回（BA21/22）以及小腦。

［1］單保慈，張武田，馬林，等.漢語語義加工的相關(guān)腦區(qū)［J］.科學(xué)通報，2003，48（21）：2257-2260.

［2］Tan Lihai，Liu Holing，Perfetti Charles A，et al. The neural systems underlying cheinese logographic reading［J］.Neuroiamge，2001，13：826-846.

［3］彭聃齡，徐世勇，丁國盛，等.漢語單字詞音、義加工的腦激活模式［J］.中國神經(jīng)科學(xué)雜志，2003，19（5）：287-291，296.

［4］曹小華，李愧敏，陳昌明，等.文盲文字加工的行為和腦機(jī)制［J］.心理科學(xué)進(jìn)展，2009，17（5）：917-922.

［5］李修軍，楊菁菁，楊家家，等.文盲與非文盲漢字字形和語音加工的腦機(jī)制［J］.心理科學(xué)，2013，36（6）：1408-1412.

［6］李修軍，李奇，郭啟勇，等.漢語語音判斷時非文盲右腦活動特征的fMRI研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，36（6）：124-128.

［7］Li Xiujun，Wu Jinglong，Li Chunlin，et al.Different activities on Chinese character and figure processing by a visual fMRI study involving literates and illiterates［J］.Journal of Information.2011，14（4）：1397-1410.

［8］Wu Jinglong，Li Xiujun，Yang Jiajia，et al.Prominent activation of the bilateral inferior parietal lobule of literate compared with illiterate subjects duringChineselogographicprocessing［J］.ExpBrain Res，2012，219：327-337.

［9］Qi Geqi，Li Xiujun，Yan Tianyi，et al.Similar ventral occipito-temporal cortex activations in Literate andilliterateadultsduringthechinesecharacter matching task：an fMRI study［J］.Neruoscience Letters.2014，566：200-205.

［10］Li Geng，Cheung Raymond T F，Gao Jaihong，et al.Cognitive processing in Chinese literate and illiterate subjects：An fMRI study［J］.Human Brain Mapping，2006，27：144-152.

［11］Stanislas Dehaene，F(xiàn)elipe Pegado，Lucia W.Braga，etal.Howlearningtoreadchangesthecortical networks for vision and language［J］.Science，2010，330：1359-1364.

［12］Cai Chang，Kochiyama Takanori，Osaka Kunihiko，et al.Lexical/semantic processing in dorsal left inferiorfrontalgyrus［J］.Neuroreport，2007，18：1147-1151.

［13］Petersson Karlmagnus，Reis Alexandra，Askelof Simon，et al.Language processing modulated by literacy：a network analysis of verbal repetition in literate and illiterate subjects［J］.Journal of Cognitive Neuroscience，2000，12（3）：364-382.

［14］PeterssonKarlmagnus，JohanSandblom，Christina Elfgren，et al.Instruction-specific brain activations during episodic encoding：a generalized level of processing effect［J］.Neuroimage，2003，20：1795-1810.

［15］Petersson Karlmagnus，Silva Carla，Castro-Caldas Alexandre，et al.Literacy：a cultural influence on functional left-right differences in the inferior parietalcortex［J］.EuropeanJournalofNeuroscience2007，26：791-799.

Research on the Brain Mechanism of Chinese Semantic Processing：an fMRI Study

YANG Jingjing1，LI Xiujun1，WU Jinglong2，TONG Dan3

（1.School of Computer Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Graduate School of Natural Science and Technology，Okayama University，Okayama 700-8530；3.Department of Radiology，No.1 Hospital of Jilin University，Changchun 130022）

In this study，we used functional magnetic resonance imaging（fMRI） to investigate the what’s Chinese semantic processing on the human mechanism.In fMRI experiment，subjects were asked to view the character semantic or figure pairs and discriminate whether the characters or figures of each stimuli pair were the same or not using response keys.The results of fMRI analysis showed that stronger activation of Chinese literates than illiterates.We observed that the brain network of Chinese phonological processing in the left middle frontal gyrus（BA9），the left angular gyrus（BA39/40），the left superior temporal gyrus（BA21/22） and cerebellum.

illiterate；literate；Chinese semantic；fMRI

H315

A

1672-9870（2016）03-0136-03

2016-01-03

楊菁菁（1979-），女，博士，助理研究員，E-mail：yangjingjing@cust.edu.cn