【关键词】 汉语; 阅读; 脑功能磁共振 中图分类号:R338.25,R445.2 文献标识码:A 文章编号:1000-6729(2010)007-0557-05
doi:10.3969/j.issn.1000-6729.2010.07.019
1 概述
阅读(reading)是人们接受知识、传播知识和进行跨时空跨地域交流的重要手段,有关阅读的脑加工机制研究是近年来多学科关注的热点之一。
Goswami提出起码有两个因素会影响到儿童阅读能力的发展:一是儿童所面临的语言文字的特性;二是儿童本身所具有的认知资源,即儿童是否具备了恰当的认知潜能使他能够洞察到所学文字记录语言的本质[1]。汉字是独特的表意文字,其形、音、意等有别于拼音文字(alphabet)。汉字与拼音文字的比较研究可追溯到几百年前。汉字的独特性主要表现在以下几个方面[2-3]:1)汉字是以形表意性质的文字,形旁往往揭示着字意;2)汉字表音性较差,同音字多(80%),汉字没有形-音对应或形-音转换的规则,但有1/3左右的偏旁表示整字的读音;3)汉字是平面型文字,即方块字。汉字的部件、字形复杂多样,每个汉字都是一个结构紧密的图形。那么,汉字的这些独特性是否会导致对汉语进行加工的神经网络与拼音文字不同呢?
20世纪90年代发展起来的无创性脑功能成像技术(functional magnetic resonance imaging,fMRI)为研究阅读的脑神经机制提供了可靠的方法,它可清晰地展示行为背后的神经机理,帮助我们辨别特定任务下的脑激活区域,通过正常脑激活模型,结合阅读障碍患者的脑功能数据来探究阅读的神经心理加工机制,为科学阅读的教学方法的制定和对阅读障碍儿童针对性诊治方法的建立提供科学依据,同时也有助于我们更好地了解一般的知识表征建构的规律[4-5]。本文将对汉语和拼音文字不同语言加工脑机制异同的研究进展进行阐述。
2 汉语和拼音文字阅读的脑功能机制比较
全割裂脑的研究表明,绝大多数人,大脑左半球具有言语表达和言语理解功能,而大脑右半球主要参与时间和空间的定向和知觉。基于汉字具有明显图形特征这一特点,初期(1977年前)的研究认为,拼音文字是“左脑文字”,而汉字是“右脑文字”,然而随后的研究表明这种情况只适合较低水平的非语言信息加工[6]。
2.1汉语阅读涉及的左脑加工区域
近些年的神经影像学研究表明,汉字阅读涉及大量的左脑区域,主要包括左脑梭状回(left fusiform gyrus)、左脑顶下小叶(left inferior parietal lobule)、左脑颞上/中回(left superior/middle temporal gyrus)、左脑额下回(left inferior frontal gyrus)及左脑额中回(left middle frontal gyrus)。与拼音文字加工区比较,虽然汉字加工涉及的皮质激活区在很大程度上与之相重叠,但也存在不同的激活区域。
研究表明,左脑梭状回在汉字语音和语义加工任务中均被激活[2-3,6-20]。Tan等的meta分析发现[2],左脑梭状回内侧与汉字关系更密切,而左脑梭状回外侧则与英语关系更密切。左脑梭状回中部存在特异的视觉词形加工区域,负责汉语和英语单词的正字法加工和视觉形状的分析,另外,该区也被认为是处理语音、语义、语法的传入区域,具有词形尺寸、大小写、字体和视野位置的恒常性,是阅读早期阶段的必要中枢,有人将该区称为继Broca 和Wernicks区之后的第三个语言区[11-12]。Deng的研究认为[20],左脑梭状回对汉字正字法的视觉加工起着核心作用。基于左脑梭状回在词形加工的重要性,一些研究者提出了视觉词形加工通路模型,在早期“神经病学模型”中增加了左梭状回中部(视觉词形区)重要环节,即“左右枕-左梭状回中部(视觉词形区)-左角回”通路,并获得了一些词形加工障碍研究的支持[13]。
国内外研究发现[8-15],左脑顶下小叶在语音任务中的激活比在语义任务中的激活明显增强,该区可能负责所有语言字形到语音的通达,同时也可能与词汇工作记忆(verbal working memory)有关。Becker等人[16]综述了语音存储的研究结果,提出顶下小叶背侧区(BA40)与“语音环路”中的语音短时存储有关。Tan等[2]发现该区(BA40)在汉语研究中比拼音文字研究表现出更强的激活。Bolger[21]的meta分析得出了相同结论,可能原因尚不清楚,推测可能因为汉字语音加工不依赖语音规则而主要依靠直接形-音转换有关。
相同的研究表明[8-15],与语音加工任务相比,左脑颞上/中回在语义加工任务中有更多的激活,这种激活不仅表现在视觉语义加工实验中,同样表现在听觉语义加工中。作者提出左脑颞上/中回与所有语言语义信息的提取有关。另外,研究者发现[22],左颞中回前部参与语句的短时记忆,语句流畅性和词的产生,且这个区域在加工那些复杂多变的、具有临时性特征的声音时起重要作用。与英语相比,汉语在空间结构(方块字)和语音方面(同音不同调的词表示不同的语义)比英语复杂得多,因此,对以汉语为母语的人来说对这个区域就有更重要的意义。
左脑额下回是传统的语言区broca区及其相邻区域,所有研究均说明该区域与语言加工有密切关系,但对该区域在语言加工中的作用还存在争议。研究发现[15],无论是语音任务还是语义任务,左脑额下回均被激活,但在语义任务中,额下回的前腹侧区有更强的激活,而在语音任务中,额下回的后背侧区有更强的激活。研究认为[17],左额下回可能与内隐复述(subvocal rehearsal)、发音准备(articulatory preparation),形-音转换有关,同时还在词汇任务中负责对后语言区的调控。 Bitan 等[18]发现押韵判断任务可以显著激活左脑额下回对左脑颞叶皮层的集中影响,而拼写任务可以显著激活左脑额下回对左脑顶内沟的调控。该研究表明,左脑额下回可能在选择性任务自上而下的调控中起着非常关键的作用。Tan等[2]的meta分析发现,在语音加工任务中,左脑额下回的内隐记忆功能参与所有文字系统的语音加工,但其形-音转换功能只与拼音文字有关,因此,该区在拼音文字系统的语音加工中起着更为重要的作用。而在语义加工任务中,左脑额下回可能起“执行”作用,它主要进行选择、比较、判断或从记忆中提取信息[19,23-25]。
目前,左脑额中回被认为是特定的“汉语阅读区”[2,22,26-29],也是汉语阅读障碍儿童的主要脑功能障碍区,虽然该区域在英语阅读中也在一定程度上被激活,但远不及在汉语阅读中作用更为重要。研究发现,该区域在所有汉字加工中如单词产生、同音判断、押韵判断、词汇选择、语义判断等认知加工任务中均被激活。据此,研究者提出左脑额中回在加工中文时起“协调和整合作用”假设,认为该区主要调节汉语加工中相对复杂的认知资源分配,左额中回最前部(BA10)负责汉字笔划视觉-空间的精细分析,左额中回这一主管对物体视觉空间属性进行精细加工脑区,之所以支配中文加工,显然与汉字方块形状以及汉字读音单音节性质有关。这一区域既参与字形处理,也负责语义和语音分析,集汉语形、音、义加工于一体。
2.2 汉语阅读涉及的右脑加工区域
对汉语加工机制的研究发现有些右脑脑区在汉语阅读中被特异地激活。这和加工汉字需要大量的视觉-空间分析有关。这些脑区主要包括右侧额中回和额上回(BA10/11),右额叶腮(BA47,45),右额叶背部(BA9,44),顶叶下部(BA7,40,39)和右枕中回和梭状回。
众所周知,右额前区主要负责提取知觉物体空间关系时所需要的情境记忆加工,右半球的BA7/40/39区通常在完成空间工作记忆任务时被激活。因此,研究者推测,右额叶和右顶叶的皮层主要负责对汉字笔划的空间位置和笔划组合进行加工,协调整合大量的视觉-空间分析,这是加工方块字所必需的[22,26-27]。
枕叶作为主要的视觉区,是众多学者研究语言信息加工的重点之一。研究认为[7,30],左侧枕叶与文字阅读联系密切,右侧枕叶则主要参与视空间的加工。Tan等[31]采用fMRI技术研究阅读汉字时大脑皮质的活动情况,发现两侧半球的枕叶都有激活,而且右半球枕叶的激活程度明显比左半球高,同时两侧的顶上小叶和顶下小叶也都被激活,枕叶到顶叶的投射正好构成背侧通路,在阅读汉字时的空间定位中发挥重要作用。meta分析表明[2],右脑枕中回更多参与汉字阅读而不是英语阅读。分析认为,汉字和音节不存在相互对应关系,而汉字是由笔画组成的方块字,通常包括两个按一定空间布局的部件,因此汉字的识别需要大量的整体和视空间加工。进一步的研究表明[21],左脑枕叶负责加工局部和高空间频率的信息,负责汉字的部件识别,而右脑枕叶是专门负责加工整体的和低空间频率的信息,负责汉字的空间布局加工。
另外,研究还发现中文朗读涉及一个较大神经网络协同活动,其中,大脑右半球颞上回参与声调加工,而左半球额中回和扣带回在语音代码的激活和协调过程中起着特殊重要作用[2,4]。
基于已有研究,许多研究者提出[4,19],虽然汉语阅读比拼音文字激活更广泛的大脑活动区域,涉及左右脑,但左侧大脑半球激活脑区明显多于右侧大脑半球,说明大脑对汉字的处理以左侧大脑半球激活为主,即汉语语言加工的优势半球在左侧。但也有研究者提出[26],在人的认知活动中,大脑两半球的机能活动呈现即分工又合作且不断变化的的动态关系,“优势半球”的概念难以概括多维变量的复杂关系。大脑半球的优势问题应从认知加工时程和加工强度两个纬度加以认识。
2.3 汉语发育性阅读障碍语音加工缺陷的脑机制
20世纪70年代,当阅读障碍在西方国家日益受到重视的时候,亚洲国家却认为自己的表意文字系统不会产生阅读困难。但随着研究的进展,研究者最终意识阅读障碍同样是汉语学龄儿童常见的发育行为问题之一,并且其发生率与拼音文字体系接近,约为4%~8%。发育性阅读障碍(Developmental dyslexia,简称DD)指特定性阅读技能发育显著损害,并且不能完全归因于智力水平、视力问题或教育不当。该类儿童易伴有各种情绪和行为问题,如容易辍学、远离朋友和家人、犯罪或企图自杀[28]。DD是一种神经-认知缺陷,大脑某些区域的功能变异是DD发生的神经基础。
西方研究证实语音加工是影响拼音文字国家儿童阅读能力获得和发展最重要的认知因素。DD儿童的核心缺陷是语音加工缺陷,如语音意识和语音工作记忆缺陷,其中语音意识缺陷是最突显的特征[2]。随着脑成像技术的应用和发展,人们对语音加工缺陷的脑神经基础也有了系统的认识[32],研究表明拼音文字DD的语音加工缺陷具有一些普遍性的神经生物学基础,主要表现在左脑皮质的颞-顶交界处、颞-枕交界处、额下回和脑岛。其中,左脑颞-顶交界处,特别是角回的活动异常,是阅读困难的核心定位,该区域主要负责拼音文字的音素分析和形音转换[33]。
那么汉语DD是否也存在语音加工缺陷?其可能的神经基础是否与拼音文字相同呢?目前,国内的大部分研究证实,汉语DD儿童确实存在语音缺陷,但其是否是汉语DD的核心缺陷尚无定论[28,34-35]。而汉语脑功能成像研究的发展,使该问题变得更加扑朔迷离。Tan等人[2]通过19项语音加工脑成像研究的元分析发现,四个神经系统与汉字语音加工有关:(1)左脑额叶系统背外侧(BA9区);(2)左脑顶叶系统背侧区;(3)双侧枕颞系统的腹侧区,包括梭状回和枕中回;(4)覆盖额下回上部的左额叶系统腹侧。分析中指出左脑额中回是汉语语音加工的核心,而负责拼音文字语音加工的左侧颞顶区在汉语语音加工中没有明显的激活。Siok等[28]发现在进行同音字判断和词汇判断时,DD儿童在左脑额中回均表现为低激活。他们认为汉语的阅读困难主要表现在两个方面,一个是字形-字音转换困难,另一个是字形-语义匹配困难。这两个过程都通过左侧额中回中介,该脑区是汉语DD的核心缺陷部位。由此可见,汉语DD的脑神经机制与拼音文字DD不同。
于是研究者们又提出一个新的问题:如果语音缺陷是所有语言(包括汉语)DD的基础,那为什么汉语DD儿童的大脑激活与拼音文字不同?为了解释该问题,Tan等提出假设[2],认为语言形式、认知加工和学习策略都会影响神经解剖功能的发展:语言形式逐渐形成认知和学习策略,它们反过来又改变了语言加工的神经环路。不同语言语音通达的策略不同,拼音文字的识别可以使用形-音转换规则,汉语中不存在形音对应规则,因此汉字阅读不需要精细的音素分析能力,但汉字拥有大量的同音字及其强大的视觉正字法需求,使汉语阅读者必须通过死记硬背学会近3000个汉字。为了减少学习上的困难,中国儿童就通过反复抄写,即创造了运动记忆策略来完成对汉字的形音转换,这使大脑形成了不同的神经环路。该假设获得一些研究的证实,如Tan等的研究证实书写技能是汉语儿童阅读能力的最好预测指标,而语音加工的相关性次之[36]。同时,也有神经影像学研究发现,左脑额中回在书写英文字母和汉字时被激活[37]。但也有研究对此假设提出挑战。Bi等[38]对一名中国脑损伤患者的研究发现,虽然该患者书写加工能力遭到严重损伤,但他在视觉单词-图画匹配任务和朗读任务表现正常,表明其语义和语音加工能力正常。同时该患者也能区分不同汉字视觉特征的细微差异,因此作者认为汉语阅读对书写的依赖并不像Tan假设的那么重要。
3 结论
综上述,汉语阅读的脑激活区域与拼音文字不同,汉语阅读比拼音文字需要更广泛的神经网络协同活动,该网络涉及左右脑,其中左脑额中回是汉语阅读的核心区域,也是汉语DD的核心缺陷部位,推测与汉字方块形状以及汉字读音单音节性质有关。已有的研究结果似乎说明,语言形式、认知加工和学习策略都会影响神经解剖功能的发展,它们反过来又改变了语言加工的神经环路。汉语阅读不仅需要语音加工能力,还需要更强的视空间加工能力,以及形、音、义的“协调和整合能力”。
总之,目前功能磁共振成像研究取得的成果已证实未来对汉语阅读脑机制做更深入的探讨是非常有价值的。人脑是一个复杂的巨系统,在进行语言加工时必然涉及许多脑区之间复杂的交互作用和脑内信息加工网络,如果单独、孤立地专注于脑区定位,而忽略探讨参与语言加工基于全脑信息加工的时空关系,是不能真实准确地反映人脑的高级活动的。因此,在今后的研究中,进一步明确不同的大脑区域在汉语阅读中的确切作用、揭示汉语阅读时不同脑区认知加工的时空顺序和加工强度将是未来研究的主要任务。
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编辑:曹庆久
2009-09-22收稿,2010-03-05录用