（计算机科学与技术专业论文）信息提取的基本层加工优势及其转移神经机制研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人完全了解北京 保留送交论文的复印件 分内容，可以采用影印 ( 保密的论文在解 签名：龃 签名：虱壁亟日期：鲨! ：! p a b s t r a c t a b s t r a c t i n f 0 肌a t i o nr e t r i e v a lp l a y sa ni n l p o r t 肌tr o l e 协l l i 班l e v e lc o 鲥t i v ea c t i v i t i e ss u c h 弱l e a n l i n g ，p r o b l 锄s 0 l v 啦ni sc o i 姗0 1 1 l yh e l dt h a to b j e c t sa r ef i r s ti d e n t i f i e da tm e b a s i cl e v e l h o 、e v e r ，t h e r ea r er e s e a r c h e ss u g g e s tm a tb a s i cl e v e la d v a i l t a g ed 01 1 0 t n e c e s s 撕l yt d k cp l a c e i t 丽us w i t c ht 0s u b o r d i n a t el e v e l0 rs u p e r o r d i n a t el e v e l a p o s s i b l ee x p l 锄a t i o nf o rd i 丘e r e n tl e v e lp r e c e d e i l c em a yr e l a t et 0e x t e m a ld i 仃e r e n c e s i nt h ep r o c e s s i i l gd e m a i l d so ft a s ku s e di nt l l ee x p e 池e n t 1 1 1 e 丘m c t i o i l a lm a 印e t i cr e s o 删i i l l a g i n g ( 伽r i ) ，谢mn 地k 曲s p a t i a l r e s o l u t i o 玛c a np r o b e sm eb m i na c t i v i e s ni sr e v e a l e dm a ts o m er e g i o i l s a r e t a s k s p e c i f i c n l e r e f - 0 r e ，t l l ep r e s e n ts n l d y 谢l lt a 】k ee 筋r tt 0r e v e a lt l l e n c u r a l i n e c h a i l i s mu n d e d y i n gd i 丘e r e mc o g m t i v et a s k s t w ot a s k sa r e d e s i g n e d t 0m e a s u r ei i l f o m a t i o n硎e v m p e r f 0 n n 锄c e ， w o r d p i c t u r em a t c l l i n gt 硒k 盟dp i c t u r e - w o r dm a t c l l i l l gt a s kr e s p e c t i v e l y t h e ya r e c x a c t l yt l l es 锄ee x c e p t i n gt h er e v e r s eo r d e ro f 也ew o r da n dp i c t u i e s t i n “i b e h a v i o u r mr e s u l t sh a v es h o w n 也a ts u p e r o r d i i l a t ec o n c e p t sw e r ep e r f 0 m e dm o s t q u i c l 【l ya i l dd i 仃e r e n t i a t e d 丘1 0 m 缸e m l e d i a t e 觚ds d b o r d i i l a t ec o n c e p t si i l 、o r d - p i c t u 陀 m a t c l l i n gt a s l 【，h o w e v e r ，i i lw o r d p i c t u r em a t c b i n gt a s l 【，i i l t e m e d i a t ec o n c e p t st o o k s h o 哟s tt 0p e r f o m f m i ur e s u h sa r ec o n s i s t e n tw i t hp r e v i o 璐s t l j d i e si i l 盯e 嬲 i n v o l v e d 诵t l lm e m o 巧r e 仃i e v 试a l l ds e m 觚t i cp r o c e s s i n g s o m ea r e 嬲a r ec o m r n o l l l y a c t i v e di 1 1b o t l lt a s l ( s ，眦d i d yi i l c l u d i n gi l l f e r i o r 舶n t a lg y 哪，觚t e r i o rc i n g u l a t e dg y u s ， h l ：f e r i o rp a r i e t a ll o b e ，觚i f - 0 ma n do c c i p i t a ll o b e c o n 位哑a i l a l y s i ss h o wt l l a t 眦硒o f 旅r i o rp a r i e t a ll o b e ( b a 4 0 ) a n d 觚i f 0 珊g 如( b a 3 7 ) w 讹a c t i v a t e dm o r es 仃d n g l y i i lw d r d - p i c t u r em a t c k n gt a s kc o m p a r e dw i t l lp i c t u r e - w o r dm a t c l l i n gt a s k t i l i sm a y r e n e c tm u c hv i s u a lr e q u i r e m e n t si i lt l l i st a s k h lp i c t u r e - v m r dm 纰c 1 1 i n gt 舔l ( h o w e v e r ， 犹t i v a t i o i l si i li f g ( b a 4 5 ，4 7 ) m a yr e l a t et 0s e m a n t i cp r o c e s s b e s i d e s ，b e m e e n - l e v e l d i 成r e n c e si ne a c ht a s k s u g g e s t et l l a t i l l f 舐o rp a r i e t a ll o b e ( b a 4 0 ) a r cm a i n l y a c t i v a t e da t n l e p r e c e d e n c e l e v e l f u n 】rc t i o i l a l c o n n e c t i v i t ) ，a n a l y s i s d e m o l l s 订纰e sm a tc 0 彻e c t i o 璐e nr e g i o n sa r es i m p l e s ta tt h es u p e r o r d i i 疵l e v e l i i lw o r d - p i c t u r em a t c l l i n gt a s k 、) ，! i l i l ea tm e d i a t el e 、，e li np i c t u r e - w o r dm a t c l l i n gt a s k o nt l l ec o n t r a r y ，m o r ec o g l l i t i v er e s o u r c e sa n e e d e dw h e np a n i c i p 锄：t si d e n t i 匆i t e m s a ts d b o r d i n a t el e v e l ni sa l s 0f o u n dt h a tr e g i o i l sc 0 n n e c tc l o s e l y 谢li i l f e r i o rp a r i e t a l 1 0 b ea n df b i f o mg y i ii nw o r d p i c t u r em a t c l l i n gt a s kw 1 1 i l ei np i c t u r e - 、o r dm a t c l l i n g t 破t l l e ya r el l i g l l l yc o 玳1 砌谢t l li n 觚o r 舶n t a lg y u s 砧lo fm e s er e 刚t s 北京i t 业大学t 学硕士学位论文 s 仃e n g t l l e n 廿l eh y p o t l l e s i s t i l a tw b r d - p i c t u r em a t c l l i n gt a s km a yl o a du pm o r e v i s u a l - b 嬲e dp r o c e s s e ss i l l c e c o m p a r i s o n b e t w e e nm e n t a l i i n a g e 巧 觚dv i s u a l s t i m l l l i h o w e r v e r ，i i l t 1 1 ec a s eo f p i c t u r e - w o r dm a t c l l i n gt a s k ，s e m a n t i cm e m o 巧 r e t r i e v a li sm u c hi i l v o l v e d i i lc o n c l u s i o i l ，o u rr e s e a r c hp r o v i d e se v i d e n c ef o rt h e v i e w p o i n tm a te 赋e m a le n v i r 0 衄e n ts u c h 弱t l l ep r o c e s s i i l gd e m 锄d so ft a s l 【sl l 乏峪i t s e 位c to v e ri n f o m l a t i o nr 耐e v a ls 仃 l t e 醪 k e y w o r d sc o n c e ml e v e l ；i 1 1 f 0 加a t i o nr e 仃i e v a l ；b 勰i cl e v e l “l v a n t a g e ；s 、) l ，i t c h ； f m i u i 、，- 目录 目录 摘要 a b s 缸i a c t 第l 章绪论 1 1 研究背景 1 2 研究意义 1 2 1 探索人类高级认知功能一 1 2 2 为网络智能提供认知基础。 1 3 国内外研究综述 1 3 1 中间水平提取优势 1 3 2 中间水平提取优势转移一 1 3 3 信息提取相关的脑区及其认知功能研究。 1 4 存在问题 1 5 论文的组织和结构 第2 章研究的总体思路 2 1 研究内容 2 2 研究设计 2 3 研究假设 2 4 本章小结 第3 章行为实验一 3 1 实验方法 3 1 1 被试 3 1 2 实验设备 3 1 3 实验材料和实验设计。 3 1 4 实验任务和刺激呈现 3 2 实验结果。 3 2 1 平均正确率。 3 2 2 平均反应时 3 3 本章小结 第4 章f 脓i 实验 4 1 实验方法 4 1 1 被试 北京工业大学丁学硕士学位论文 4 1 2 实验材料和实验设计 4 1 3 功能磁共振数据采集 4 1 4 数据分析 4 2 实验结果 4 2 1 行为结果 4 2 2 脑区激活结果 4 2 3 感兴趣区分析 4 2 4 功能连接分析 4 3 讨论 4 3 1 两种任务间的优势加工效应 4 3 2 任务内的优势加工效应 4 4 本章小结 结论。 参考文献 p 付录l 6 1 ； 7 1 表的学术论文7 7 7 9 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着科学技术的迅猛发展，i n t e m e t ( 国际互联网) 已经发展成为一个巨大的 信息源，人们在享用网络带来的各种便利的同时，却又被如何从浩如烟海的网上 资源中快速、高效地查找自己想要的信息所困扰，典型的需求有信息分类、信息 提取、自动问答、基于内容的快速信息检索、基于个性的信息传送等。但是目前 大部分搜索引擎提供的搜索服务并不能很好地解决这些问题。而人在提取给定问 题所对应的答案或者信息时，不仅能够提取正确的信息，而且可以在有限的时间 内从多个答案中有效地提取信息。 粒度( g 咖1 撕锣) 是表现一个知识单元的相对大小、规模、细节层次以及所含 信息的多少，在人类理解世界的过程中粒度无处不在。世界正是在人脑中有了自 己的描述方式，人们才能自由的调度其中的信息。人类智能的一个公认特点，就 是能从极不相同的粒度上观察和分析问题，人类不仅能在不同粒度的世界上进行 问题求解，而且能够很快地从一个粒度世界跳到另一个粒度世界，往返自如，毫 无困难。这种处理不同粒度世界的能力，正是人类问题求解的强有力的表现【l j 。 人脑如何根据问题求解的需要选择合适的粒度来提取信息，不同粒度之间又 如何转换等问题正是当前面临海量信息，寻求在网络搜索中有效提取信息的关 键。如果能明确人类的这种能力的脑机制，并借鉴使计算机也具有类似的能力， 这对于智能搜索以及其他机器智能的开发意义重大【2 】。例如，在机器视觉( 或计 算机视觉) 中，最关键的便是分类，依据什么分类? 对于机器学习算法来说，它 是不知道的。因此，粒度的选择更成为一个重要的问题。当人类在区分动物等时， 可以通过图像上的目标轮廓来区分；而对区分不同的人时，他又必须抛开整体轮 廓，进入面部细节的对比和区分。而计算机视觉，关键就是无法区分，在什么目 标驱动下，选择什么样的特征( 粒度) 来学习、训练和使用。因此，人类如何识 别物体，如何进行分类的这却成了阻碍智能更大发展、使得一个智能算法普 遍适用的最大障碍。要实现人工智能的更大发展，粒度计算理论的研究将会成为 一种焦点和热潮。而对人脑这种高级认知机制的研究也成为必然。 脑信息学( b r a i ni n f 0 肌a t i c s ) 【3 - 5 】是脑科学与信息学( 包括计算) 相结合的研究领 域。它独特地位于神经科学，行为科学，计算机科学的交叉点上。脑信息学秉承 了心理学中信息加工学派中有关人类信息处理系统( h i p s ) 的发展，利用似、 e e g ( e l e c 旬的e n c e p h a l o q 础，脑电图) 、e r p ( e v e n t r e l 锄e db r a i np o t e n t i a l ， 北京工业大学工学硕十学位论文 事件相关脑电位) 等近年出现的设备，从行为、神经机制级别探讨人脑作为信息 处理系统体现出人类智能的本质。与传统的面向感知觉的研究不同，脑信息学主 要关注与人的思维为核心的认知功能，包括推理，决策，学习，问题解决等。脑 信息学研究的目的是发展一个系统化的研究方法，借助以实验为核心的认知神经 科学技术和以网络智能( w 曲h n e l l i g e n c e ) 【6 7 】以及数据挖掘为核心的信息技术，窥 探与人的行为活动有关的脑结构及功能。这些新方法、新技术极大增强了人们从 微观与宏观研究神经系统的能力，在此基础上，可以建立、检测各种模型，模拟 神经系统功能，将不同层次的功能整合起来，更有助于揭示人脑高级认知功能的 信息加工过程及其神经机制。 当今网络时代，人工智能科学要在学科交叉研究中实现人工智能的发展与创 新，会更加关注认知科学、脑科学、网络科学、计算机科学与人工智能之间的 交叉渗透。 11 2 研究意义 概念的提取是人类信息的提取中最基本的认知功能之一，也是人类进行其他 高级认知活动( 学习，问题解决等) 的基础。不同水平的概念其信息粒度不同，例 如：一头牛，它既属于“动物 这一抽象层次( 一般水平) 的概念，同时也可以具 体到“奶牛 或者“水牛 这一特定层次( 特定水平) 的概念。抽象层次越高，具 体信息越少，但是概括能力越强，反之具体信息越丰富，结果越确定，但是相应 的概括能力越弱。人脑是如何在不同的粒度或者水平上处理信息的? 这一问题的 探索将对理解人类基本认知功能以及实现基于粒度的搜索等有着重要的启发作 用。 1 2 1 探索人类高级认知功能 概念提取是其他高级认知功能的基础，在我们认识事物和做事的过程中，总 是以概念作为奠基石，作为桥梁的。探索不同水平概念的脑机制，可以为人类分 类活动的相关研究提供借鉴和参考，分类是一项非常重要的认知活动，它几乎渗 透于人的所有认知活动。分类能力是人类的一种基本认知能力。通过将一个事物 分入某类别，人们就可以利用类别的知识帮助了解这一事物。而判断物体所属的 类别是以概念知识为基础的。此外，大脑的其他高级功能( 1 l i 曲e r 劬c t i o 璐o f 包括学习、记忆、思维、语言和行为等，也是建立在概念提取的基础上。研究不 同水平概念提取的大脑信息加工机制，能让我们更深层地理解大脑的这一思维活 动，进而理解大脑的高级认知功能【8 。1 0 j 。 第l 章绪论 1 2 2 为网络智能提供认知基础 在w e b 时代，面对多种，海量的信息源，如何能根据人们的需求给出不同粒 度的信息，提供个性化服务是有待解决的一大问题。从认知科学的角度，研究网 络智能也已成为发展趋势。钟宁等结合人工智能、认知科学和神经科学等领域的 研究内容，倡导借鉴脑信息学的研究成果开发w r e b 智能应用【4 引。借鉴并学习人 的智能的原理，探索人脑如何根据问题求解的需要选择合适的粒度来提取信息， 可以为网络智能的研究提供参考。 1 3 国内外研究综述 概念通常可以分为3 个不同水平，按照其信息的抽象性，依次为：特定水平， 中间水平和一般水平，特定水平的概念最为具体，一般水平的概念最为抽象，中 间水平介于二者之间。 以往的研究通过不同的实验材料以及不同实验任务( 如：快速物体识别，物体 命名，词图匹配等) 发现了概念提取过程中不同的优势加工效应，有的研究发现 了中间水平优势加工效应，也有研究发现这种优势加工的转移。此外，也有少量 的研究探索了不同水平概念提取时所激活脑区的差异。 1 - 3 1 中间水平提取优势 b r 0 啪最早注意到父母对孩子说话时会更多地使用关于客体的较短的高频的 词汇。例如父母可能会将牧羊犬叫做狗，而不是动物或牧羊犬【l 。之后，r o s c h 等人通过研究认为存在一个基本层次( b a u s i cl e v e l ) 的概念，这一层次的概念在不同 的认知任务中是较为特别的，r o s c h 等人将其称为“基本水平 【l2 1 ，基本水平实 际上也反映的是中间水平效应，与处于中间水平上层的一般水平以及处于下层的 特定水平相比较，在这一水平层面上人们观察区分事物最为容易。在进行匹配任 务时，在中间水平的分类速度也要比上层和下层分类快。而当遇到具体的物体时， 中间水平的名称也是人们最常用的名称。 l 沁g e r s 等人采用词图匹配的实验任务，也发现中间水平概念比特定水平和一 般水平提取更快【1 3 1 4 1 。还有大量其他的研究表明人们对中间水平物体单个图片的 认知速度快于处在其它水平的图片【”】。其他诸多命名任务的研究也表明，大部分 人在自由命名任务中会使用中间水平的概念类别来命名【l 6 l 7 。 为什么中间水平比一般水平和特定水平更具优势昵? 有人认为，这一水平概 念的标签较短，在生活中使用的频率较高，如“鸟”的出现频率远远大于“金丝雀” 北京工业大学丁学硕士学位论文 和动物【1 8 ，1 9 1 。 j o l i c o e u r 等人通过语义网络模型来解释这一现象【1 5 删，语义网络模型由 c o l l i l l s 等人提出，他们认为，概念知识是按照一个层次语义网络( n 娟阳r k ) 来表 征的，该网络是由各个要素互相链接而成的网。这些要素称为“节点 ( n o d e ) ， 它们表征概念。节点间的链接叫做标记连接，它可能涉及类别的全体成员( 如， 一个“是一种 将“猪和“哺乳动物”联系起来的关联) 、属性( “会动的 链 接“动物1 或者其他一些语义关联，因此，网络给出一种概念组织的方法。j o l i c o e u r 等人认为在语义网的层次结构中，标记连接中的某些结点作为“进入结点”( e 蛐呵 p o m ) ，即在信息提取过程中首先访问某个水平上的结点。因此，中间水平的概 念所处的节点可能就是一个进入结点。例如：当视觉刺激呈现为翠鸟时，一个人 可能首先找到“鸟”结点，然后再向上或者向下扩散激活其他的相关节点。如，找 到“翠鸟”的结点【2 ，2 2 】。 另一种观点认为主要是由于中间水平具有最佳的信息量和区分性，它在类别 内是高相似的，但是在类别间是低相似的团。2 5 】。如果把相似性量化，而且假设不 同水平的概念在类别内和类别间的相似性在数量是不同的，那么，中间水平概念 和一般水平概念有大致相等的类别间的相似性。但是由于一般水平概念所含的信 息量少于中间水平，而中间水平概念和特定水平概念有这大致相等的类别内相似 性，但比特定水平有较低的类别间相似性，因而比特定水平的概念更容易区分。 1 3 2 中间水平提取优势转移 并不是所有研究都发现了中间水平的优势加工效应。j o l i c o e u r 等人的研究表 明，当访问不典型的材料时，不会出现中间水平的加工优势，而是转移到特定水 平。他们认为非典型概念的“进入结点”是特定水平，而不在中间水平。例如：“企 鹅”的进入结点是“企鹅”，而不是“鸟”【2 1 2 2 】。也有的研究将典型性概念引入到判 断句子正误的研究范式中，比如：判断狗是动物与判断狗是哺乳动物。研究发现 判断判断狗是动物要快于判断狗是哺乳动物。这可能是由于狗是较典型的动物， 但不是典型的哺乳动物。说明了概念的典型性可能会对信息的提取产生一定影响 【2 5 】 o 也有的研究发现中间水平到一般水平的转移，而不是特定水平。对s d ( s e m 卸t i cd e m e n t i a ) 病人( 对语义和认知事物有困难的病人) 的研究发现，他们 在提取一般水平概念时速度比中间水平快。对处于上层的一般水平概念的存储更 好【2 6 2 7 】。 除了对s d 病人的研究外，在对正常人的研究中也发现了一般水平优势。 v a n r u u e n 以及r o g e r s 等人采用快速物体识别任务的研究发现一般水平概念被优 第l 章绪论 先提取【2 7 2 引。r o g e r s 等人提出了“并行分布式加工理论 q a r a l l e ld i 妤b u t e d p r o c e s s i n g ，p d p ) 来解释一般水平优势加工1 2 7 】。他们认为在对物体的认知加工中， 首先是一般水平的概念被激活，然后是中间水平的概念，最后是特定水平的概念。 例如：要找到“牛”，首先需要先找到“动物”，所以一般水平的概念最先被激活， 然后是中间水平。但是由于中间水平的概念具有最佳的信息量和区分度，所以它 激活的速度比一般水平要快。所以，他们解释为什么当被试要求进行快速分类时， 最先激活的是一般水平的概念，而在刺激呈现时间相对较长时会在中间水平提取 最快。此外，l 哪骟等人在改变非目标刺激干扰程度的研究中也发现一般水平概 念被优先提取【2 9 1 。实验采用了组块设计的方法，首先呈现一个单词表示目标刺激， 单词属于三种不同概念水平中的一种，例如：“b e 羽e s ，“d o g s ”或者“碰m a l s ， 接着呈现一系列图片，要求被试判断图片是属于目标刺激。实验中，不同的组块 中非目标刺激的干扰程度不同，例如：当目标刺激为“b e 珂e s 时，有的组块 中，非目标刺激为其他类型的狗( 干扰程度较强) ，而在有的组块中非目标刺激为 其他动物( 干扰程度较弱) 。当目标刺激为“d o g s 时，有的组块中，非目标刺激 为其他类型的动物( 干扰程度较强) ，而在有的组块中非目标刺激为交通工具( 干扰 程度较弱) 。当目标刺激为“a n i m a l s 时，所有组块中非目标刺激均为交通工具。 结果表明，干扰程度较弱的条件下，虽然表现出一般水平最快，但三种水平之间 无显著差异。而在干扰程度较强的条件下，表现了显著的一般水平加工优势。 总之，这些研究表明，实验任务要求的不同可能会导致不同的加工策略和难 易程度，从而影响信息提取过程中的优势加工效应。在快速物体识别任务中，刺 激只呈现很短暂的时间，所以对视知觉加工的依赖可能较多，而物体命名任务中， 刺激呈现时间相对较长，信息提取过程中可能会更多地依赖基于语义记忆的加工 【2 9 】。非目标刺激的干扰程度可能会影响判断的难易程度，一般水平概念的区分度 最大，因此更容易判断，而且，当非目标刺激为一般水平时，其干扰程度最小， 更容易判断，所以，干扰程度较弱时，三种水平下的判断都较快，一般水平加工 优势并不显著。 1 3 3 信息提取相关的脑区及其认知功能研究 随着脑成像技术的发展与应用，心理学和认知科学关于脑神经机制的研究也 随之发展起来。 不同水平概念提取是一个信息提取的过程，以往关于不同水平概念提取的 f m 对研究结果中，关注了与视觉信息，语义信息提取相关的脑区，以及这些脑 区在的不同水平概念提取中的差异。 g a u t h i e r 等人的f m 刚研究结果表明，词图匹配任务中，基本水平概念与特 北京工业大学t 学硕士学位论文 定水平概念的提取，均激活了双侧枕叶，双侧梭状回以及颞下回。但特定水平概 念的提取激活更强1 3 0 】。 t y l e r 等人的研究中比较了一般水平概念和中间水平的概念提取所激活脑区 的差异【3 。研究发现双侧枕下回和梭状回在两种水平的概念提取中都被激活，但 是没有显著差异。此外，一般水平概念的提取过程中，颞下回的后部被激活。而 在提取中间水平的概念时，会激活颞下回的前部和位于海马旁回前部的内嗅区 ( e n t o r h j n a lc o n e x ，b a 2 8 3 4 ) ，他们认为，这些区域是可能负责较为精细的认知 加工。 语义反映的是存储在人脑中关于物体，行为等的相关知识。人脑存储和提取 这种知识的过程就是语义加工过程1 3 2 】。例如，可以通过一个动物的特征信息将其 识别，这是人类特有的能力。而在信息提取过程中，语义加工起着极其重要的作 用。 语义知识的存储和提取是一个较为复杂的网络，涉及了多个脑区的参与， l e u b e 等人的研究中要求被试判断给定的单词属于的类别( 1 i v i n g 和n o i l l i v i n g ) 时， 两种条件下共同激活了双侧枕叶( b a l 7 ，1 8 ) ，左侧额下回( b a 4 4 ，4 5 ) 以及左侧顶 下小叶( b a 4 0 ) 1 圳。而c h o u i n a r d 等人的研究表明，在对动物和工具的图片进行命 名的任务中，命名动物和工具都主要激活了左侧前扣带回、额下t r i a n g u l a r i s 区、 颞下回以及双侧枕叶、梭状回、海马旁回【3 2 】。b r i 蛳等人的研究也发现，无论是 采用单词，还是图片的语义分类任务，都共同激活了双侧额下回( b a 4 7 ) 和左侧梭 状回( b a 3 6 ，3 7 ) 【m j 。 近期b i l l d e r 等人综述了诸多有关语义的研究并提出，语义加工涉及的脑区， 主要有以下脑区：顶下小叶，颞中回，梭状回，前额叶的背侧，腹正中和额下， 以及与海马结构有着密切连接关系的旁侧边缘区域，主要包括了海马旁回和后侧 扣带回【3 副。如图1 1 所示： 图1 1 语义系统 f i g u ml ls e m a n t i cs y s t e m 第1 章绪论 根据以往的研究，相关脑区的在信息提取过程中的主要功能有： 额下回：( 1 ) 认知控制，其中包括信息的提取和选择。有研究表明，额下回 和语义信息的提取以及工作记忆有关，而与语义信息的存储无关p ”7 。有的时候， 我们可以自动获得与目标相关的记忆信息，例如：见到一个朋友，我们可能会很 容易叫出他的名字。但是，也有的时候，以往的经验并不能直接被我们提取到， 我们需要从记忆中策略性地进行搜索，然后才能提取到相关的信息。前额叶的认 知控制机制使得人们可以策略性地提取记忆中的信息，获得与当前任务目标相关 的知识。记忆的认知控制对于易变的，目标引导的行为来说，是非常重要的。随 着对腹外侧前额叶l p f c ) 研究的不断增多，对这个脑区的功能也逐渐变得清 晰，研究认为，这一脑区的不同子区域在认知控制中的作用是不同的。以往有很 多研究关注了其b a 4 5 和b a 4 7 斟，7 1 ，以往关于语义提取，再忆等研究表明，在 额下回的认知控制功能中，b a 4 7 区( i n 矗越0 r 舶n ：t a lg ) 咖sp a r so r b i t a l i s ) 与获取存 储的语义信息有关，而b a 4 5 区( i r 彘r i o r 舶i l t a lg y m sp a r st r i a i l g u l 撕s ) 与提取之后 的选择过程相关，它负责从已经被提取出的各种语义信息当中选择表征最好的。 因为被提取的语义信息当中，有些可能和任务是无关的，而与任务相关的语义信 息表征当中，有的表征较其他表征是最优的。在物体命名任务中，一个物体可以 被命名到不同的层次，从而对应多个名称，这时，b a 4 5 区的选择作用就变得尤 为重要【3 8 ，3 9 1 。( 2 ) 有研究发现，信息的提取和选择的难度加大时，左侧额下回有 更大激活。如：物体命名任务中，命名不熟悉的物体在左侧额下回有更大激活p 。 ( 3 ) 很多物体识别及分类任务都发现额下t r i a l l g u l a r i s 区的激活【3 6 】，此外，分类任 务中额下回出现的重复抑制效应也说明了额下回在控制提取语义信息中的重要 作用【删。 梭状回：很多研究证明，处于枕叶和颞叶腹侧的梭状回在图片命名任务中都 有显著激活。然而，在梭状回的具体功能定位上还存在争议【4 l j 。( 1 ) 关于视觉表 象和视知觉的研究发现，这两种任务在梭状回有共同激活，研究认为，这一脑区 不只是简单的，初级的视觉加工，也可能与视觉物体记忆存储，物体识别等认知 加工有关【4 2 1 。也有研究表明这一脑区可能存储语义信息，例如：在识别含有语义 信息的人脸与不含有语义信息的人工物体时，会选择性地激活梭状回的不同区域 【4 3 】。另外，被试在对不熟悉物体名称的加工过程中，梭状回有较强激活，因为不 熟悉的物体在人脑中表征较弱】。因此，梭状回的激活既可以被来自视觉皮层的 刺激，即低层次加工激活( 自底向上) ，也可以通过认知控制这种较高层次的加工 被激活( 自顶向下) 【4 2 1 。( 2 ) 有研究通过比较被试在识别不同种类的物体( 如，动物 和工具) 时发现，在两种不同任务下梭状回的激活区域不同，识别动物更多地激 活梭状回的外侧，而识别工具更多地激活梭状回的中部，从而说明梭状回与物体 结构特征的加工以及物体视觉属性提取有关m 。( 3 ) 近期关于探索语义加工网络 北京工业大学t 学硕士学位论文 的研究中也提到梭状回前部在诸多语义任务当中都有激活，这一脑区是语义网络 的重要组成部分【3 4 3 副。 顶下小叶：首先，从解剖结构上看，顶下小叶处于视觉加工，听觉加工，空 间信息加工等脑区的连接位置。因此，这一区域可能在整合各种信息中有重要的 作用【4 5 】。( 1 ) 有研究表明，整合信息( 时间、空间信息) 以及知识提取，在左侧角 回有显著激活【舶】。( 2 ) 参与特征整合，语义组织，以形成一个清晰的概念。它具 有认知分析作用【4 5 】。( 3 ) 顶下小叶在早期的研究中就被证明与读写有关，而顶下 小叶损伤病人也表现出读写能力的缺失，也有研究指出，除了读写能力缺失之外， 有的病人很难完成语义任务，这些研究说明顶下小叶不仅在词语的字形和语音的 整合中起关键作用，它也可能在字形和语音以及语义的联结方面起着关键作用。 顶下小叶损伤的病人可能在顶下小叶和枕叶以及颞叶的联结之间存在障碍【4 7 1 。( 4 ) 在很多关于词汇效应的研究任务中，让被试判断由一串字母随机组合的单词是否 构成正确的单词时，结果表明：对正确单词的判断会更多激活顶下小叶，因为正 确的单词含有一定的语义信息【4 引。同样，被试在听到具有连贯意思的一句话与听 到没有意义的一句话相比，在项下小叶有明显激活【3 5 】。因此，从这些研究中可以 推测，顶下小叶在概念的提取和整合这一层次加工过程中具有重要的作用，而且 是高层次的认知加工。 e n t o r b j i l a lc o m x ( 内嗅皮层) ：这一区域是人脑内嗅区，位于颞叶头端的腹内 侧，是海马结构的重要组成部分。很多研究发现，这一脑区与海马有重要连接， 例如：将整合的信息传递给海马【4 9 】。t y l e r 等人在物体命名的研究中，要求被试 将物体命名到两个不同的水平，特定水平和一般水平。研究证明，命名到特定水 平比命名到一般水平更多地激活了这一区域，他们认为这一脑区与更为精细的加 工有着密切的联系【3 i 】。前人的诸多研究也提出位于b a 2 8 区的e n t o r h i n a lc o r t e x 在物体识别过程中，整合来自不同感知系统的信息，进行更加精细的加工，从而 有利于区分较为相似的物体【5 0 】。而这一脑区有损伤的病人在物体识别和空间任务 上存在障碍。也有研究发现，这一脑区在对视觉呈现物体进行编码和存储时起重 要作用【5 l 】。 前扣带回：很多研究都表明，前扣带回皮层在冲突检测( r e s p o n c o n n i c t ) ， 错误检测( e r r o rd e t e c t i o n ) 以及执行控制( e x e c u t i v ec o n 们lf i m c t i o 地) 中起关键作 用【5 m 4 】。几乎在所有的认知任务当中，尤其是实验任务需要更多的认知努力时都 会发现这一脑区的激活m 5 5 1 。本文也将通过分析这一脑区与其他脑区间的连接关 系进一步理解它在认知过程中的重要作用。 导 第l 章绪论 1 4 存在问题 总之，心理学和认知神经科学对不同水平概念的提取进行了一定的研究，然 而还存在一些问题： ( 1 ) 行为结果表明，人们在信息提取过程中存在中间水平的加工优势，然而， 这种加工优势也可能向特定水平和一般水平发生转移，以往有研究者提出了这种 现象可能与实验任务要求有关，例如：快速物体识别任务可能更依赖于视觉的加 工，而词图匹配等任务则更多地依赖于语义信息的提取。此外，以往不同的研究 使用实验材料也不尽相同，因而无法直接证明实验任务对加工优势的影响。而通 过对使用了相同实验材料的不同实验任务的研究，可以验证实验任务是否会影响 信息提取的加工优势。 ( 2 ) 以往f m 的研究主要比较了不同水平概念提取过程中与语义存储和表 征有关的某些脑区在激活程度上的差异，而对信息提取、整合相关脑区的关注较 少。另外，信息提取的加工过程是一个复杂的认知过程，除了局部地研究各个相 关脑区的激活情况外，各个脑区之间的连接关系也是非常重要的，通过相关脑区 间的连接在优势加工和非优势加工下差异可以进一步揭示不同实验任务下不同 优势加工效应以及在相同实验任务下，不同水平概念之间加工优势的神经机制。 1 5 论文的组织和结构 论文第1 章为绪论。包括研究背景、研究意义、国内外研究综述以及存在的 问题。 论文第2 章介绍了研究的总体思路。包括研究内容、研究设计和研究假设。 论文第3 章介绍了行为实验的实施以及分析结果。实施包括被试信息、实验 设备以及实验材料和实验任务。分析结果主要包括正确率和反应时。 论文第4 章介绍了f m 实验的实施以及分析结果。实施同样包括被试信息、 实验设备以及实验材料和实验任务。分析结果除了行为结果外，对脑区激活结果 分别又进行了简单效应分析、对比分析、感兴趣区分析以及功能连接分析。并对 结果进行了讨论。 北京工业大学t 学硕士学位论文 - l m 第2 章研究的总体思路 2 1 研究内容 第2 章研究的总体思路 本研究在已有研究基础上，针对心理学和认知神经科学上对不同水平概念提 取优先性研究存在的问题，采用相同的实验材料，但是不同的两个实验任务( 词 图匹配任务和图词匹配任务) 对概念提取的优先性展开进一步的研究。实验中关 注三个不同的概念水平：特定水平，中间水平以及一般水平。主要从以下两个方 面考察： ( 1 ) 从行为上考察两种不同的实验任务下概念提取过程中优势效应的差异。主 要依靠行为实验以及f m 实验的行为数据来提供证据。 ( 2 ) 利用脑成像技术，通过初步的简单效应分析、对比分析以及进一步的感兴 趣区分析、功能连接分析来揭示两种实验任务间脑区激活模式的差异和实验任务 内不同层次下脑区活动模式的差异。 2 2 研究设计 功能磁共振等无创性，高空间分辨率技术，成为当前研究脑的结构、功能以 及它们与病理之间关系的主要手段，为研究概念提取机制提供了许多有价值的证 据。与结构成像不同，功能成像所得到的是反映机体功能的信息，可以呈现对一 个给定任务的大脑功能性活动，进而可以观察大脑不同区域的活动模式。本研究 利用伽r j 技术，采集了被试在进行不同水平概念提取过程中的脑区活动的相关 数据，对这些数据的分析一定程度上揭示了这一认知过程的神经机制。 图2 1 给出了本文的研究内容结构图。本文针对所要研究的问题，设计了如 下两类实验任务： 词图匹配任务，先呈现文字后呈现图片的概念提取任务 图词匹配任务，先呈现图片后呈现文字的概念提取任务 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 研究假设 图2 1 研究内容结构图 f i 舭2 ls 洲ys t m c 嘁 基于以往的研究，不同的实验任务，可能会由于不同的加工策略导致概念提 取加工优势的差异。本研究将通过f m 的手段来揭示不同实验任务所涉及的不 同加工过程，更深层次地说明不同水平概念在存储、表征等方面的差异。 两种实验任务的加工过程可能如下： 词图匹配任务：首先出现的是词语刺激，接着出现图片刺激。被试