基于功能性核磁共振的漢字語義加工腦機制研究

楊菁菁，李修軍，吳景龍，佟丹

（1.長春理工大學　計算機科學技術學，長春　130022；2.日本岡山大學　自然科學研究生院　岡山，700-8530；3.吉林大學第一醫院　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.長春理工大學計算機科學技術學，長春130022；2.日本岡山大學自然科學研究生院岡山，700-8530；3.吉林大學第一醫院放射科，長春130022）

利用功能性磁共振成像（fMRI）技術探討文盲和非文盲漢字語義加工腦機制的差異。實驗使用漢字語義和圖形的判斷任務比較了中國人文盲和非文盲在語義加工過程腦機制的差異。結果表明文盲與非文盲漢字語義加工腦機制不同，且非文盲的腦活動更強，具體體現在左側額中回（BA9），左側角回（BA39/40）及左側顳上回（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行辨別，例如：當我們看到或者聽到一個漢字“山”，通過視覺通道我們會聯想到山的形狀，通過聽覺通道我們會聯想到山的發音，進而聯想到山的語義。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制進行研究。

對漢語的語義加工處理是人腦語言處理的一項基本活動，與讀音和字形相關功能腦區相比，語義加工激活的腦區范圍更廣，而且與讀音和字形加工腦區有相當大的重疊。對英語和字母語系的fMRI研究表明，在語義處理過程中，左側額下回是重要的激活區。逆序詞語義判斷任務為漢字所特有，與字母語系不同，國內學者對漢字語義處理進行了相關研究。單保慈等通過對聽覺和視覺刺激的研究發現，左側大腦半球的額下回、顳下回、梭狀回以及右側大腦半球的顳中回、緣上回、雙側的小腦、枕葉參與了漢字的語義處理［1］。Tan等使用漢字做實驗刺激被試完成判斷人物，發現漢字處理腦區集中在左側額中回和右側的一個神經網絡（BA47/45，BA7，BA40/39以及詩句區域系統）［2］。彭聃齡等認為語義任務中可能出現與語音有關的腦區的激活；而在語音任務中不出現與語義有關的腦區的激活［3］。在語義判斷時，語音腦區出現自動激活，這種激活可能有助于語義判斷，而在進行語音判斷時，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）技術手段探討漢字語義加工相關腦區。

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

1　實驗

1.1被試

本實驗使用文盲被試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。所有被試在實驗前均簽署了知情同意書。為了驗證文盲被試是否具有正常的智力，進行了IQ測試（raven IQ test）。結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實驗設計

實驗采用2×2的兩因素混合實驗設計。因素1是組間變量，有文盲組和非文盲組兩個水平；因素2是組內變量，分別為漢字語義和圖形。因變量為被試反應時間，正確率和檢測的腦血氧水平（BLOD）。

1.3實驗材料

實驗刺激是漢字和簡單的圖形，漢字是從小學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實驗任務

在fMRI實驗時，語義刺激對和圖形刺激對通過反光鏡折射至被試眼部。在進行掃描時要求被試對屏幕中呈現的兩個漢字（或圖形）進行辨別，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出現。刺激呈現時間均為4s，時間間隔隨機化，分別為2s，4s和6s。無刺激呈現時只提示注視點“+”。一共72個刺激，實驗時間大約持續10分鐘。然后加掃了3D和T1圖像。整個實驗持續時間約20分鐘。

1.5數據采集與分析

實驗采用吉林大學第一醫院的Philips Intera Achieva 3.0T超導型MR掃描系統，應用8通道SENSE頭線圈。層厚為3.5mm。在數據分析的時候，使用基于Matlab7.5的SPM8軟件進行圖像后處理。處理過程分為預處理和統計分析處理兩個過程：預處理具體過程是：（1）頭動校正和圖像的配準。（2）空間標準化。（3）空間平滑和時間平滑。（4）去線性漂移。在預處理過程完成后進行統計分析。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與baseline做比較，p＜0.001（Uncorrected），得出對比圖像。采用隨機效應模型，對組內和組間數據分別進行單樣本和雙樣本t檢驗分析 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。

1.6結果

fMRI腦功能成像結果：文盲組激活了一個由多個腦區參與的腦神經網絡，非文盲組也激活了一個由多個腦區參與的漢字語義加工處理網絡（圖1），兩組被試均激活了大腦對漢字語義處理的基本腦區。兩組被試做差，如圖2所示，差異性腦區位于左側額中回（BA9），左側角回（BA39/40）及左側顳上回（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結果

圖2　文盲與非文盲漢字語義加工激活差異腦區結果（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構成的神經網絡，與以往對漢字語義加工的fMRI研究結果均相近［2，10，11］。近年來，隨著腦科學和心理語言學的發展，世界各地的諸多學者對文盲這一特殊被試群體進行研究。國內外許多學者對文盲進行了研究，并取得了許多成果，跟語言相關的腦區一一被發現并確定下來［4-10］。本文也發現了幾個漢字語義處理的特有腦區，比如左側額中回（BA9），左側角回（BA39/40）及左側顳上回（BA21/ 22）以及小腦等都是與漢字語義處理相關。

目前國內的語言學家已經開始利用文盲這一特殊被試進行漢語語言處理機制方面的研究。Li等人（2006）對中文文盲進行了研究，實驗采用靜態詞再認任務，探討文盲和非文盲激活的腦區差異［10］。研究同時采用fMRI技術來探討語音任務中的大腦激活，實驗采用30個靜態字詞再認和30個交通標識符的靜態圖形命名任務進行。結果發現，在字詞再認任務中，兩類被試在左側額下，額中回，兩側的顳上回激活差異顯著；非文盲被試主要激活左側額中回。文盲被試這種靜態漢字再認任務激活的區域主要是兩側的頂葉下部。在圖形命名任務中，兩側的額下、額中回，左側的邊緣扣帶回的激活差異顯著。因此，得到結論是與語言任務相關的腦區激活模式受教育的影響。Dehaene等人在science上發表了基于文盲文字學習的文章，明確了幾個特定的腦區，比如左側紡錘狀回是寫作腦內等［11］。我們的結果也證明了在雙側的后頭頂葉主要是漢字的語義處理區，因為在雙側的后頭頂葉非文盲的活動比文盲的活動強。

在國外，Petersson等人的有關英文語義和語音的文盲研究中，針對文盲和非文盲被試進行了單詞與非單詞判斷，語音判斷，語義判斷等實驗任務。結果發現在頂下皮層（IPC）領域，文盲和非文盲相比，在左側非文盲的活動比文盲的活動強，在右側文盲的活動比非文盲強，而在顳上回（STG）領域內兩者之間沒有顯著性差異［12-15］。我們得到結果表明，漢字語義處理腦區有部分和英文處理腦區相同，部分腦區是不同的，說明漢字語義處理有其特有的腦機制，這也是漢字作為象形文字最大的特點。

3　結論

文盲與非文盲漢字語義加工腦神經機制不同，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網絡連接模式。結果可以看出非文盲的腦活動更強，教育改變了語言認知活動的腦神經網絡鏈接模式。漢字語義加工時非文盲比文盲強的腦活動神經機制在左側的一個神經網絡，即差異性腦區位于左側額中回（BA9），左側角回（BA39/40）及左側顳上回（BA21/22）以及小腦。

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［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］.中國神經科學雜志，2003，19（5）：287-291，296.

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［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制［J］.心理科學，2013，36（6）：1408-1412.

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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