常靜玲，張斌龍，譚中建，樊瑞文，韋宇飛，高穎

1.北京中醫(yī)藥大學東直門醫(yī)院，a.神經內科；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的設計思路，以及該任務下的功能磁共振成像(fMRI)和事件相關電位(ERP)實驗研究方法，為該領域研究提供范式。

方法 闡述漢語高頻名詞的詞圖匹配判斷任務的材料來源和設計流程，并納入1例健康受試者，進行詞圖匹配語義判斷任務下的fMRI、ERP實驗，將任務下采集的fMRI/ERP數據進行分析，判斷該任務在fMRI/ERP實驗中的可行性。

結果 fMRI結果顯示，與注視“+”時相比，受試者在詞圖呈現時右側額中回激活增高；與詞圖匹配條件相比，受試者在詞圖不匹配條件下右側顳中回激活增高。ERP結果顯示，詞圖匹配條件下受試者左側額顳區(qū)激活較明顯，詞圖不匹配條件下右側額葉區(qū)激活較明顯。

結論 基于本實驗設計，采用fMRI、ERP技術均可以獲得語言相關腦區(qū)激活效應，提示本任務可用于探索漢語語言的腦加工機制。

隨著認知心理學和認知神經學研究的不斷深入，人類語言發(fā)生過程中的心理變化和認知機理研究倍受關注[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知神經科學機制，構建相關理論模型。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計和范式，應針對漢語特點進行語言的認知心理實驗研究。

近年來，認知領域的語言學研究得到越來越多的關注[7]。為了更全面探索漢語加工的腦機制，國內學者引入多種可用于漢語研究的理論模型和假設，如概念隱喻理論[8]、復合線索理論[9]、交互激活模型[10]、詞匯聯想模型、負激活效應和競爭啟動效應等[11]。然而單純的理論模型與行為實驗不能深層次解釋漢語語言加工機制，探索漢語的深層加工機制急需借助新方法和新手段的介入。

現代非侵入性神經科學技術日新月異，為語言學研究帶來契機，研究者探索拓展語言研究范式，將非侵入性技術引入語言實驗研究中，開展基于行為學任務下的腦功能磁共振、腦電等實驗研究，為揭示語言加工機制提供新策略，建立更為客觀的語言功能評價體系[12]。目前開展語言任務實驗最常采取的現代技術有功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)和事件相關電位(event-related potential,ERP)，兩者均是讓受試者在執(zhí)行特定任務的情況下采集相關的神經信息，其不同點在于，ERP在高時間分辨率下采集人腦神經元的放電信息，而fMRI則在高空間分辨率下采集人腦血流動力學的變化信息。結合fMRI和ERP技術，可以彌補兩個技術各自的理論缺陷，更可以在高時空分辨率的條件下精準探索語言的發(fā)生機制與腦功能定位[13-14]。

腦是語言的載體，傳統(tǒng)的Wernicke-Lichtheim模型由Broca和Wernicke腦區(qū)構成。其中，Wernicke腦區(qū)負責語言理解，Broca腦區(qū)負責語言產生，Wernicke區(qū)接受語言信息后通過弓狀束連接，傳遞至Broca區(qū)，產生語言[15]，這個模型奠基了腦與語言研究，對后續(xù)研究產生深遠影響。然而語言的接收和產生是一個復雜的過程，近年隨著fMRI和ERP等技術的發(fā)展，研究者們發(fā)現了更為廣泛的語言腦區(qū)，如顳中回、顳上回前部、皮質下區(qū)域等[16]，進一步提出腦語言區(qū)可分為腹側和背側通路，通過相應的白質纖維束連接[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，而豐富這個模型的過程需要腦與語言研究為其提供基礎。研究者們參考行為學實驗經典的組塊設計和事件相關設計，提出多種可用于腦與語言實驗的任務范式，如Stroop效應實驗[18]、詞圖匹配實驗、詞匯聯想實驗[19]、圖片命名實驗[20]、語義啟動或重復實驗[21]等。其中，詞圖匹配任務下的實驗是國際上常用的與神經科學技術相結合的語言實驗，該實驗涉及跨語言模塊、圖片理解、文字理解、語義判斷、詞圖干擾效應、語義干擾效應等語言研究的熱點問題[22]，探索這些語言模塊與語言效應的腦部結構和功能基礎，可以為完善腦部的語言加工模型提供重要證據。

目前基于漢語的詞圖匹配實驗報道仍較為少見，我們也沒有找到國內研究者詳細報道本實驗設計與運用方法的文獻。為此，我們提出一項漢語高頻名詞下詞圖匹配語義判斷任務的實驗設計，并以fMRI/ERP技術為示例，探索語言機制實驗的研究范式，以期規(guī)范腦與語言研究的實驗設計，并為后續(xù)研究的展開提供基礎。

1 資料與方法

1.1 任務設計

基于《現代漢語常用詞表》中的高頻名詞，借鑒目前國際推行的詞圖匹配任務設計方法[22-23]，結合漢語的語言特點、特征，模擬現代語言康復訓練場景，經語言學專家論證，形成基于漢語高頻名詞的詞圖匹配刺激材料，在此基礎上，研制出詞圖匹配語義判斷任務?？紤]語言任務實驗在fMRI、ERP等神經科學技術中的應用范圍，對本語言任務實驗的相關參數及流程進行規(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)。所有試驗所用詞匯均出自2008年國家語言文字工作委員會發(fā)布的《現代漢語常用詞表》，從詞頻最高的12,000個詞中選出常用的雙字物體名詞60個，筆劃范圍為5～30劃，白底黑字，100磅宋體字。所有實驗用圖均為黑白色線條畫，由同一美術專業(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 刺激呈現順序

采用E-prime 2.0軟件進行編程，采用快速事件相關設計，以視覺方式呈現。呈現順序(圖2)為：①呈現圖片1500 ms；②呈現空屏500 ms；③呈現漢語詞語1500 ms(詞匯與圖片均隨機抽取，詞圖語義一致和不一致情況出現的次數均等)；③注視點“+”隨機呈現1800～2200 ms(平均2000 ms)，提示被試者對詞圖的語義進行判斷，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實驗共重復60個周期，ERP實驗共重復120個周期。通過反饋系統(tǒng)實時記錄實驗過程，包括呈現的詞圖刺激、語言判斷的反應時間、判斷的正確和錯誤等信息，便于后續(xù)分析。

圖2 刺激呈現順序

1.2 漢語詞圖匹配任務下的ERP/fMRI預實驗

1.2.1 實驗對象

為了對詞圖匹配任務在fMRI與ERP實驗中的可行性進行測試，納入健康受試者1例進行預實驗。受試者為女性，26歲，本科學歷，母語為漢語，右利手，視力、視野正常，無神經系統(tǒng)疾病史，簡易精神狀態(tài)檢查(Mini-Mental State Examination,MMSE)評分為30分。

1.2.2 數據采集

fMRI數據采集在北京中醫(yī)藥大學東直門醫(yī)院放射科核磁室進行，采集設備采用西門子Novus 3.0 T磁共振掃描成像儀，受試者在執(zhí)行上述語言任務時采集fMRI，采用 EPI序列，TR=2000 ms，TE=30 ms，Flip angle=90°，FOV=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，進行不間斷性連續(xù)掃描，掃描時間366 s，任務開始前采集高分辨率三維T1加權成像數據(176 slices，thickness=1 mm，TR=1900 ms，TE=2.13 m，TI=900 ms，Flip angle=9°，Resolution=256×256，Voxel size:1.0×1.0×1.0，掃描時間258 s)。

ERP數據采集在北京中醫(yī)藥大學東直門醫(yī)院腦功能室進行。采用Quik-Cap 64導聯電極帽(Compumedics Neuroscan,USA)，電極排列方式按照10-20國際標準。該電極帽上的電極為Ag/AgCl合金電極，均被包裹在軟橡膠內固定。SynAmps2放大器(Compumedics Neuroscan,USA)及信號采集系統(tǒng)用于進行信號采集，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。實驗在光線較暗、安靜的室內進行。實驗過程中，被試戴上耳機以舒服的姿勢坐在椅子上，并盡量克制吞咽口水、眨眼、眼球移動等動作。電極阻抗保持在5 kΩ以下。

1.2.3 分析方法

fMRI數據處理在SPM 12(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)中進行，預處理包括頭動校正、時間層校正、空間校準、6 mm平滑，隨后在SPM12中構建廣義線性模型進行統(tǒng)計分析，對比各個任務條件的差異。ERP數據處理在Brainstorm(http://neuroimage.usc.edu/brainstorm/)中進行，預處理包括剔除壞導，轉參考，濾波，分段，基線校正，隨后選取目標時段進行疊加平均，對比匹配和不匹配任務條件下激活差異。

2 結果

fMRI分析首先對比詞圖呈現時與注視“+”時的腦激活差異(圖3A)，發(fā)現受試者在詞圖呈現時，右側額中回激活增高(P＜0.001，FWE校正)，未發(fā)現詞圖呈現對比注視“+”有顯著激活降低的腦區(qū)。進一步，對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)現在詞圖不匹配的條件下，右側顳中回的激活較匹配時增高(P＜0.001，FWE校正)，未發(fā)現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，在兩種實驗條件下，受試在400 ms前后均出現明顯N400趨勢(圖4A、圖4D)，N400波形在PZ、CZ兩個導聯表現較為明顯(圖4B、圖4E)，畫出被試在400 ms時的腦地形圖(圖4C、圖4F)，可以發(fā)現，在執(zhí)行詞圖匹配判斷任務時，右側中央頂部腦區(qū)有明顯激活。詞圖匹配條件下受試者在左側額顳區(qū)激活較明顯，詞圖不匹配條件下受試者在右側額葉區(qū)激活較明顯。

表1 fMRI分析結果

圖3 fMRI分析結果

圖4 ERP分析結果

3 討論

3.1 漢語詞圖匹配任務形成的理論基礎

詞圖匹配任務從語言學方面解析，認為分為文字理解、圖片理解和詞圖匹配判斷三個過程，需要“字形輸入詞典”、“視覺物體辨認系統(tǒng)”和詞圖兩個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)現在詞圖干擾范式中同時存在語義抑制效應和語義促進效應兩種相互矛盾的效應[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間，這一效應被稱之為語義抑制效應[25]；當語義判斷任務為詞圖語義一致時，則會出現語義促進效應[26]。從詞圖匹配任務的結果來看，分為判斷錯誤與判斷正確兩種情況，人腦在進行正確判斷與錯誤判斷時的機制目前尚不明確，有研究發(fā)現大腦前額葉皮質可能影響判斷的結果，然而尚需進一步地實驗證實[27]。故而基于本研究的詞圖匹配任務，研究者可以從以下方面出發(fā)探索語言機制：①通過對比詞圖呈現瞬間大腦神經信息傳遞特點，研究語義理解的機制，尋找“字形輸入詞典”、“視覺物體辨認系統(tǒng)”對應腦區(qū)；②通過對比詞圖匹配與詞圖不匹配條件下的信息差異，研究語義抑制效應與語義促進效應的機制以及兩個效應的差異性；③通過探索出現注視“+”時判斷正確與判斷錯誤情況下腦區(qū)的激活差異，研究人腦在判斷正確與錯誤的語言信息時的處理差異。

3.2 語言任務的fMRI/ERP實驗結果分析

本研究為漢語詞-圖匹配語言任務下的fMRI/ERP探索性研究，受試者為1例健康人，借助fMRI、ERP的先進分析技術，建立多重對比矩陣，探索包括語言理解、文字與圖片間映射和語義效應等語言的腦加工機制，并獲得差異性腦區(qū)，真實、客觀呈現語言任務的實驗效果。研究結果有以下解釋。①fMRI結果顯示，右側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”、“視覺物體辨認系統(tǒng)”的語言處理過程中發(fā)揮關鍵作用。傳統(tǒng)研究顯示，語言理解主要與位于顳葉的Wernicke區(qū)相關[28]，近年來的研究發(fā)現語言理解與額葉也密切相關[29]，與本實驗結果相契合。②fMRI與ERP結合分析顯示，詞圖匹配條件下左側額顳區(qū)激活較明顯，不匹配條件下右側額顳區(qū)激活較明顯，目前普遍認為左腦是人類語言的優(yōu)勢半球，結合本實驗結果，提示左右腦的差異性可能是語義促進效應與語義抑制效應的基礎[30]。

3.3 局限性與展望

本研究的局限性在于：①實驗設計方面，由于本任務需要患者具備基本的判斷能力與手部活動能力，故而不適用于全身狀況不佳、手部活動不能、嚴重理解障礙、意識障礙和重度智能低下患者；②實驗對象方面，僅對單個被試開展探索性實驗研究，仍需進一步擴大樣本進行驗證；③語言任務方面，尚未進行判斷錯誤與判斷正確的對比，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fMRI、ERP實驗數據分別進行分析，未來研究將進一步引入融合分析技術。

本語言任務設計理念是基于詞圖匹配任務激發(fā)語言理解的過程而產生，探索詞圖匹配語言任務實驗研究設計思路與方法，形成多模態(tài)數據采集與分析的流程，證實該任務的客觀性和可行性，起到探索和示范效應，為后續(xù)開展?jié)h語詞圖匹配任務的fMRI/ERP實驗提供思路與范式；但語言加工是一個極其復雜的過程，目前尚無實驗可實現完全呈現語言理解的全過程，未來開展多種任務相結合的實驗研究應為揭示語言加工過程的有效途徑[31]。在分析方法方面，還可運用聯合獨立成分分析方法提取fMRI數據的空間信息和ERP的時間信息后，再將兩個模態(tài)的數據與受試者行為學量表進行相關，充分發(fā)揮fMRI和ERP技術的優(yōu)勢[32]，并可拓展至腦磁圖等技術研究中。本研究中的任務來源為語言康復訓練的材料與模式，雖本項研究對象為健康被試，未來還將根據臨床實際，將實驗對象擴展至輕、中度認知功能障礙的患者，如無嚴重理解障礙的腦卒中后失語、輕中度認知障礙、老年癡呆癥、精神分裂癥等患者[33-35]，根據不同的人群設計相應的語言刺激任務。

3.4 小結

本研究借鑒語言康復訓練理念，模擬漢語語言理解中的詞圖匹配思維訓練過程，形成語言任務的設計流程，將現代神經影像學與神經電生理學技術應用于語言學實驗中，采用fMRI/ERP的先進實驗手段，探索漢語語言加工機制研究的新范式，為揭示認知障礙類疾病的發(fā)生、發(fā)展和恢復機制提供新方法、新途徑，為神經心理學實驗任務的設計與研發(fā)提供新思路，具有重要的理論指導與現實意義。