默读条件下汉字频率规则性效应以及交互效应的功能磁共振成像

默读条件下汉字频率 规则性效应以及交互效应的功能磁共振成像 提纲 一 研究背景二 研究目的三 研究方法四 研究结果五 讨论六 结论与展望 一研究背景 从字形 orthography 信息转换到语音 phonology 信息的能力是单词阅读的基础 而字词识别中的频率与规则性效应是探讨形音转换机制的重要手段 频率 frequency 对于高频字词 读者因为对其熟悉 因此不论拼音文字还是汉字 读者都可以由字形直接通达发音 但是对于低频字词 读者需要对其字形进行再加工 对于拼音文字 读者需要根据发音规则进行加工 对于汉字 读者需要根据声旁的发音推测整字的发音 因此 读者对高频单词的反应速度比低频快 称之为频率效应 规则性 Regularity 拼音文字的规则性 发音能否建立在拼写法基础上 拼写到发音的一致spelling to soundconsistency 规则词 hint mint lint 不规则词 pint汉字的规则性 声旁与整字关系 声旁与整字发音一致 规则字 如果完全不一致 不规则字 对于规则拼音文字 读者可以通过拼读规则通达发音 但是对于不规则拼音文字 传统的拼读规则不起作用 对于规则汉字 读者可以通过声旁来推断整字发音 但是对于不规则汉字 声旁的发音与整字发音不一致导致了冲突 读者对规则词的反应速度也快于不规则词 称之为规则性效应 交互效应 相对于高频规则词 gave 高频不规则词 have 低频规则词 mint 被试对低频不规则词 pint 的阅读速度最慢 错误率最高 因为频率与规则性两个因素同时起作用时产生了附加效应 脑成像研究 拼音文字的脑成像研究也研究了频率 规则性效应 交互效应 Fiezetal 1999 Herbsteretal 1997 Howardetal 1992 Petersenetal 1989 Priceetal 1994 Rumseyetal 1997 但是PET存在分辨率低的不足 汉字单字阅读的脑成像也有研究报告 Tanetal 2001 Kuoetal 2003 但是不足之处 1 他们分别只考虑了规则效应与频率效应 2 分别是出声朗读与词汇判断1 系统考虑频率与规则性效应 并研究二者之间存在的交互效应进而对形音关系进行系统的研究 2 默声阅读的原因为什么用事件相关 二研究目的 目的 1 通过研究汉字阅读的频率 规则性及其交互作用 来研究汉字形 音关系的独特性 2 比较系统的关于汉字阅读中频率 规则性及其交互作用的脑功能成像实验数据 三研究方法 被试 健康大学生 右利手 普通话流利 非语言相关专业刺激材料 左右结构汉字 20个高频规则字20个高频不规则字20个低频规则字20个低频不规则字高频字是指每一百万字中某字出现的次数为1000 2000 低频字是50 100 规则字是声旁发音与整字完全一致 不规则字是声旁与整字完全不一致 刺激呈现 E prime软件 视觉呈现 任务 被试完成默声阅读任务序列实验设计 快速事件相关设计刺激随机呈现刺激间隔 SOA 随机变化 最短2秒 最长24秒 平均6秒 图像采集 SiemensSONATA1 5T磁共振仪 北京市安贞医院 扫描 被试头部严格制动 枕部垫海绵垫解剖像 T1加权 快速旋转回波 FastSpinEcho 脉冲序列 TR 447msTE 15msflipangle 90 FOV 220 220Matrix 256 256 功能像 T2 加权的梯度回波 回波平面成像脉冲序列 EPI TR 2秒 TE 60毫秒 FOV 220mm 220mm Flip angle 90度 矩阵 64 64 平面解析度3 44mm 3 44mm 层厚 5mm 间距 1 5mm 20层连续轴位扫描以覆盖全脑 3D像 快速低角度射频脉冲序列 FLASHTR 30msTE 1 17msflip angle 35 FOV 325 325Matrix 192 256 进行全脑的三维扫描 数据分析 AFNI软件包 预处理各向同性高斯平滑 FWHM 5mm 不同脑层间配准生成激活图 四研究结果 表1高频规则汉字激活区及Talairach坐标 激活脑区Brodmann分区坐标 X Y Z mmP值Lmiddlefrontalgyrus9 44 11 330 0026Lprecentralgyrus4 34 6 358 6 10 4Supplementarymotorcortex65 47 370 0042Lsuperiortemporalgyrus22 57 37 124 8 10 5Lfusiformgyrus37 37 36 155 1 10 5Linferiorparietallobule40 44 30 326 6 10 4Rinferiorparietallobule4052 30 32Rmiddleoccipitalgyrus1931 87 41 3 10 5Lanteriorcingulate24 7 6 390 0066 表2高频不规则汉字激活区及Talairach坐标 激活脑区Brodmann分区坐标 X Y Z mmP值Linferiorfrontalgyrus47 40 16 110 0013Lprecentralgyrus4 60 10 51 7 10 5Lmiddlefrontalgyrus9 44 34 333 3 10 3Lmiddlefrontalgyrus8 21 40 392 4 10 4Supplementarymotorcortex66 19 660 0025Lsuperiortemporalgyrus38 44 14 160 0019Rmiddletemporalgyrus3944 74 141 6 10 4Lprecuneus7 27 44 454 5 10 7Lcingulategyrus24 4 5 360 0018Lfusiformgyrus20 34 41 140 0012Rthalamus15 28 28 3 10 4Rinsula1347 50 10 0046 表3低频规则汉字激活区及Talairach坐标 激活脑区Brodmann分区坐标 X Y Z mmP值Lmiddlefrontalgyrus10 32 49 73 7 10 5Supplementarymotorcortex6 1 12 486 5 10 4Lprecentralgyrus4 44 10 554 0 10 5Lpostcentralgyrus3 57 14 491 1 10 4Rsuperiorfrontalgyrus1022 51 10 0025Linferiorparietallobule40 27 42 504 9 10 6Lsuperiorparietallobule7 24 60 621 1 10 5Rangulargyrus3947 70 355 6 10 6Lmiddleoccipitalgyrus37 45 60 82 5 10 6Rlingualgyrus1925 75 03 1 10 4Rmiddleoccipitalgyrus1831 85 107 7 10 5Rprecuneus1931 70 373 1 10 6Lfusiformgyrus36 41 34 221 1 10 7Rfusiformgyrus1825 94 213 5 10 4Lparahippocampalgyrus 40 16 141 7 10 4Lanteriorcingulate24 32 18 35 37 8 10 6Ranteriorcingulate246 27 16 9 10 4Rcingulategyrus245 12 276 4 10 4Lthalamus 14 14 23 4 10 4Rthalamus8 8 187 7 10 4 表4低频不规则汉字激活区及Talairach坐标 LIR激活脑区Brodmann分区坐标 X Y Z mmP值Lmiddlefrontalgyrus10 34 52 85 2 10 5Linferiorfrontalgyrus47 51 18 22 1 10 7Lsuperiorfrontalgyrus10 17 60 181 9 10 4Rmiddlefrontalgyrus954 15 323 1 10 4Supplementarymotorcortex62 18 537 4 10 8Lprecentralgyrus4 60 14 347 2 10 6Linferiortemporalgyrus37 41 57 45 0 10 10Lsuperiortemporalgyrus22 57 38 122 7 10 6Lfusiformgyrus37 37 40 144 7 10 9Rinferiortemporalgyrus1944 54 55 6 10 4Linferiorparietallobule39 40 36 552 7 10 4Lsuperiorparietallobule7 27 57 612 2 10 7Lpostcentralgyrus5 31 41 646 8 10 5Lmiddleoccipitalgyrus18 34 83 27 3 10 5Rmiddleoccipitalgyrus1931 78 151 6 10 4Rinsula1337 12 32 2 10 4Lcingulategyrus24 1 1 309 3 10 4Rcingulategyrus3121 52 243 4 10 4 频率效应作用激活图 左侧额中回 BA9 左侧额下回 BA47 左侧颞下回 BA37 辅助运动区 BA6 左侧运动前区 BA4 双 侧纹外皮层 BA19 低频汉字的激活显著强于高频汉字的激活 表现出显著的频率效应 规则性效应的作用激活图 右侧岛叶 BA13 不规则汉字的激活显著强于规则汉字的激活 表现出显著的规则效应 四类刺激作用激活图 由上图可以看出左侧岛叶 BA47 及扣带回前部 后部 左侧 BA24 右侧 BA31 在阅读低频不规则汉字时激活最强 表现出频率与规则性之间的交互效应 五讨论 本实验结果统计了四种刺激条件下大脑脑区激活 我们的讨论将主要集中在频率效应 规则性效应 交互效应三部分 频率效应 1 左侧额下回的频率效应与Fiez等 1999 采用英语单词所观察到的实验结果非常相似 被试在阅读汉字时 对于较熟悉的高频汉字 被试可直接通过词汇水平的形 音通路直接通达单词的发音 而对于不熟悉的低频汉字 被试似乎只能借助声旁的发音阅读整字 并由此激活了左侧额下回 如果这种解释合理的话 那么汉字中也存在一定的形 音转换规则 而且其神经基础也与拼音文字一样位于左侧额下回 尽管这种规则与GPC有一定差异 大量功能成像研究显示 左侧额下回可分为两个亚区 分别对应于语言加工中的语音与语义成分 Bookheimer2002 Buckneretal 1995 Dembetal 1995 Fiebachetal 2002 Fiez 1997 Fiezetal 1999 FiezandPetersen 1998 Gabrielietal 1998 Poldracketal 1999 Price 2000 Wagneretal 2000 2001 本研究发现的激活部位位于前一个亚区 2 左侧额中回 BA9 本实验首次观察到该脑区在阅读汉字时显示出显著的频率效应 该脑区在许多以汉字词为实验材料的研究中都可以见到明显的激活 e g Wengetal 1999 Tanetal 2000 Xiangetal 2003 而在以拼音文字为实验材料的研究中却鲜有报道 我们认为 BA9可能参与汉字视空间分析 语音及语义分析强度的协调与整合过程 在阅读相对不熟悉的低频汉字时必然需要更多上述分析过程 因此就会更显著地激活BA9 3 左侧初级运动区与双侧SMA也观察到了显著的频率效应 一些研究者认为这些区域对于用来执行发音的准备与言语协调的运动执行是必需的 Dronkers 1996 Wiseetal 1999 对于拼音文字 被试阅读高频单词时可以直接由形通达音 但是对于低频单词 由于被试在加工时需要更多的判断 因此执行发音的准备与言语的协调需要更长的时间 我们认为这一解释同样适合汉字 在对低频汉字加工过程中 被试可能需要对声旁与整字的关系进行进一步的判断 因此执行发音的准备与言语的协调也需要更长的时间 c f Kuoetal 2001 4 左侧颞下回与双侧的纹外皮层观察到显著的频率效应 纹外区和颞下回都是高级视觉区 由于被试对低频汉字不够熟悉 在对其加工时必然需要对字形特征进行更加细致的分析 因此这些脑区就会显示更强的激活 规则性效应 本实验在右侧岛叶观察到了显著的规则性效应 即阅读不规则汉字的激活强于阅读规则汉字 根据有关文献 我们认为有以下几种可能导致了右侧岛叶的规则性效应 第一种可能是右侧岛叶参与发音规则的提取 在汉字形声字中 约有三分之一汉字的整字与声旁的读音一致 Li 1980 因此 尽管汉字缺乏GPC规则 但根据声旁推测读音也可看作一种规则 Raichle及其合作者 Raichleetal 1994 Pertersonetal 2000 的一系列研究表明 在进行动词产生的反复学习过程中 右侧岛叶的活动相对增强 其中一个原因是被试逐渐掌握了执行任务的规则 由此可见 右侧岛叶参与通用规则的运用 而不仅仅是针对发音规则 第二种可能是被试在阅读不规则汉字时 根据声旁发音和从字形直接通达语音的机制产生了冲突 从而导致右侧岛叶的显著激活 被试在阅读规则字时 从字形直接通达语音的通路与另外一条根据声旁对整字进行加工的通路都被激活 由于两条通路的发音一致 因此不会造成冲突 而对于不规则字 声旁与整字发音的不一致加剧了被试在有限判断时间里的心理冲突 由此而导致右侧岛叶有更强的激活 最后一种可能是右侧岛叶与自动加工有关 Raichle等 1994 在其实验中使用动词产生任务 发现随着对某一名词反复学习过程 岛叶激活逐渐增强 因此 他们认为岛叶参与了大脑中自动系统的功能 岛叶可能参与了大脑多种功能过程 如运动的计划 语音特征的分析 自动化控制等功能 并在其中发挥着对这些信息进行分析和整合的作用 即在多种神经过程中发挥更一般的功能 我们的实验中 观察到岛叶在不规则汉字中激活更为明显 可能与不规则刺激在发声时所需更多的语音分析和更精细的运动控制等神经过程有关 交互效应 本实验在扣带回前部和后部 左侧岛叶观察到显著的频率与规则性交互作用 其激活在阅读低频不规则汉字时最强 扣带回特别是其前部是当前认知神经科学中研究最多的脑区之一 被认为与注意 执行和抑制或者说任务转换功能有关 也被认为在认知的执行控制和实时监控以及通过探测认知阶段比如反应竞争等 来对所需要完成的任务进行评估 forreview see PosnerCarteretal2000 我们相信 扣带回前部可能在语言加工过程中 发挥着语音选择的重要作用 我们在左侧岛叶也观察到明显的交互效应 即在阅读低频不规则汉字时左侧岛叶表现出最强的激活 一些拼音文字的研究也报告了类似的结果 Fiezetal 1999 Herbsteretal 1997 Hagoortetal 1999 Rumseyetal 1997 但值得指出的是 这些研究报告均采用PET成像 因PET的分辨率较低 这些作者对该激活区究竟位于左侧岛叶还是左侧额下叶都没有给出确定的答案 而我们的fMRI研究更好地解决了这一问题 一些研究者 Herbsteretal 1997 Rumseyetal 1997 认为这个区域的激活形式支持拼音文字阅读的联结主义模型 也有研究者 e g Fiezetal 1999 认为双通路模型 Marshalletal 1973 Mortonetal 1980 Coltheartetal 1983 Beshneretal 1992 Monselletal 1992 Coltheartetal 1993 也能解