中國(guó)人對(duì)月名加工腦區(qū)的功能磁共振成像研究

中國(guó)人對(duì)月名加工腦區(qū)的功能磁共振成像研究

通過兒童數(shù)學(xué)技能的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)了不同文化環(huán)境下兒童數(shù)學(xué)分?jǐn)?shù)的差異。入學(xué)前，孩子們和東亞孩子之間的差異呈現(xiàn)出總體差異，隨著年級(jí)的增加，孩子們的差異呈現(xiàn)出擴(kuò)大的趨勢(shì)。兒童數(shù)學(xué)能力發(fā)展的跨文化差異引發(fā)人們對(duì)其深層次原因的探討,起先研究者認(rèn)為不同文化下的教育目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容和教育方法等導(dǎo)致這些差異,在一段時(shí)間內(nèi)忽略了心理語(yǔ)言學(xué)因素,隨后的研究發(fā)現(xiàn)語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)也是造成兒童數(shù)學(xué)能力差異的重要因素。例如,行為學(xué)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)亞洲國(guó)家(如中國(guó)、日本、朝鮮等國(guó))所用的數(shù)詞讀音系統(tǒng)與英文數(shù)詞讀音系統(tǒng)相比,更有利于發(fā)展兒童對(duì)十進(jìn)位系統(tǒng)的數(shù)量結(jié)構(gòu)的理解和表征,及在運(yùn)算中使用較高級(jí)的計(jì)算策略。上述研究指出了數(shù)學(xué)詞語(yǔ)表達(dá)對(duì)兒童數(shù)概念和數(shù)學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的影響。由此看來,數(shù)學(xué)能力具有文化和語(yǔ)言的獨(dú)特性。據(jù)此我們推測(cè),不同的語(yǔ)言構(gòu)成特點(diǎn)亦可能會(huì)造成不同的早期數(shù)學(xué)認(rèn)知經(jīng)驗(yàn),從而影響隨后數(shù)學(xué)能力的發(fā)展。因?yàn)閺闹形呐c英文兩大語(yǔ)種來看,中文更多直接采用數(shù)字來表示具有順序和數(shù)量意義的詞匯,例如中文無論陰歷和陽(yáng)歷都以數(shù)字來排序,即使是外來的星期記法,也用數(shù)字排列(星期天除外)。而英文與中文不同,用羅馬諸神和羅馬大帝的名字來命名十二個(gè)月,用星體的名字命名一周七日。中文日期作為漢語(yǔ)母語(yǔ)者早期經(jīng)常接觸的日常詞匯,與英語(yǔ)母語(yǔ)的兒童相比,漢語(yǔ)母語(yǔ)兒童可能更早開始習(xí)得對(duì)數(shù)字——空間順序的認(rèn)知加工,更早更多地獲得有關(guān)數(shù)的加工經(jīng)驗(yàn)。除了數(shù)學(xué)能力的發(fā)展存在跨文化差異之外,Tang等人發(fā)現(xiàn)數(shù)字加工的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制同樣存在著跨文化差異,所以中英不同文化條件下的數(shù)學(xué)能力發(fā)展差異可能具有深遠(yuǎn)的生理基礎(chǔ)?，F(xiàn)有關(guān)于語(yǔ)言及數(shù)字認(rèn)知的學(xué)說和研究報(bào)道普遍認(rèn)為,語(yǔ)言和數(shù)量認(rèn)知活動(dòng)各具有獨(dú)特的加工腦區(qū)。正常的字詞閱讀涉及到大腦皮質(zhì)的廣泛區(qū)域,包括大腦左半球的枕葉和顳頂聯(lián)合區(qū)、左側(cè)額下回、額中回、顳上回與顳中回、雙側(cè)小腦、運(yùn)動(dòng)區(qū)、運(yùn)動(dòng)輔助區(qū)中部和扣帶回前部等,概括說來主要為左半球額、顳葉等經(jīng)典語(yǔ)言區(qū)負(fù)責(zé)。而關(guān)于數(shù)量的加工機(jī)制Dehaene提出著名的三重編碼模型(triple-codemodel),認(rèn)為數(shù)量的表征、比較及近似估計(jì)利用類似心理“數(shù)軸”這樣空間模擬的表達(dá)方式,主要涉及頂葉。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在數(shù)量表征和比較的過程中,枕頂皮層、額葉、感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)都出現(xiàn)了一定的激活。一般認(rèn)為額葉是工作記憶的主要區(qū)域,頂葉與數(shù)字比較、近似計(jì)算和估算有關(guān),枕葉處理阿拉伯?dāng)?shù)字視覺信息,基底核儲(chǔ)存程序性算術(shù)知識(shí),額葉和左頂葉被認(rèn)為是數(shù)量加工最重要的區(qū)域。鑒于此,我們采用認(rèn)知神經(jīng)領(lǐng)域無創(chuàng)性的功能磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)技術(shù),以漢語(yǔ)月份日期名詞為實(shí)驗(yàn)材料,探討中文日期名詞的加工過程中是否涉及了數(shù)字加工,從而更好地從心理語(yǔ)言學(xué)的角度探討語(yǔ)言特征對(duì)數(shù)學(xué)思維能力發(fā)展的影響。1材料和方法1.1性別、年齡及身份證號(hào)19名非語(yǔ)言專業(yè)的在校健康大學(xué)生參加了本實(shí)驗(yàn)。其中男生9名,女生10名,母語(yǔ)為漢語(yǔ),平均年齡為(21.7±2.4)歲,矯正視力均在5.0以上,無精神和神經(jīng)疾病史,且通過利手測(cè)試確認(rèn)為右利手。實(shí)驗(yàn)開始之前每個(gè)被試均簽署了知情同意書。1.2月、月任務(wù)和詞匯加工本研究設(shè)置三個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù):數(shù)字任務(wù)、語(yǔ)義任務(wù)和月份任務(wù),分別考察對(duì)數(shù)字、漢語(yǔ)雙字詞匯和月份的加工。為了方便與已有研究結(jié)果的對(duì)比,本研究沿用了與先前研究相同的數(shù)字任務(wù),即要求被試判斷屏幕上出現(xiàn)的第三個(gè)數(shù)字是否和先前出現(xiàn)的兩個(gè)數(shù)字的字體是否相同(同為正體或是斜體)。以0~9十個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字為刺激材料,每個(gè)數(shù)字的出現(xiàn)次數(shù)和出現(xiàn)的位置基本平衡,上面兩個(gè)和下面一個(gè)數(shù)字各為正體和斜體的次數(shù)相同。詞匯加工的實(shí)驗(yàn)采用詞義判斷任務(wù),要求被試看到屏幕上出現(xiàn)代表有生命的名詞時(shí)按“左”鍵,無生命的詞按“右”鍵,采用人們熟知的動(dòng)物和工具(例如熊貓、電話)為實(shí)驗(yàn)材料。月份任務(wù)中要求被試判斷出現(xiàn)的月份屬于上半年還是下半年,相應(yīng)左右手分別按鍵回答,呈現(xiàn)方式同詞匯加工任務(wù)。所有材料均黑底白字(50磅),其呈現(xiàn)方式如圖1所示。1.3密度大小fmo的掃描結(jié)果實(shí)驗(yàn)包括3次獨(dú)立的掃描階段,各個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)均采用組塊設(shè)計(jì)(block-design),各任務(wù)的呈現(xiàn)順序上采用拉丁方進(jìn)行平衡,正式實(shí)驗(yàn)開始之前均安排被試進(jìn)行練習(xí)以達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的熟悉。有關(guān)數(shù)字的實(shí)驗(yàn)任務(wù)每個(gè)組塊包含16次判斷,組塊間有14s的休息時(shí)間;詞匯和月份任務(wù)下每個(gè)組塊也包括16個(gè)刺激,組塊間有15s的休息時(shí)間,休息時(shí)要求被試注視屏幕中央出現(xiàn)的注視點(diǎn)“+”,并以此時(shí)的腦激活狀態(tài)為實(shí)驗(yàn)基線。每個(gè)組塊內(nèi)刺激是隨機(jī)呈現(xiàn)的,“是”或“否”的答案各占一半。同時(shí),數(shù)字和語(yǔ)義任務(wù)為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比條件,用來詳細(xì)考察月份加工機(jī)制的特點(diǎn)。在進(jìn)行fMRI掃描時(shí),整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程要求被試注視計(jì)算機(jī)屏幕中央,并盡量保持頭部不動(dòng),在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕中央的材料作出正確的判斷。1.4數(shù)據(jù)獲取采用GE公司型號(hào)為SignaHDe1.5T的磁共振掃描儀。采用梯度回波結(jié)合單次激發(fā)回波平面成像技術(shù)(echoplanarimaging,EPI),參數(shù)為:TE=60ms,FOV=240mm×240mm,翻轉(zhuǎn)角是90°,矩陣為64×64,層厚5mm,間隔0mm,22層連續(xù)軸位掃描以覆蓋全腦。為了采集到更準(zhǔn)確的激活圖像并與前人的研究相對(duì)照,數(shù)字材料任務(wù)的EPI掃描參數(shù)TR=2000ms,字詞材料任務(wù)的EPI掃描參數(shù)TR=3000ms。實(shí)驗(yàn)材料用計(jì)算機(jī)通過多媒體投射到屏幕上,被試通過核磁共振儀射頻線圈上的反光鏡觀看所呈現(xiàn)的材料。刺激呈現(xiàn)和行為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄均采用E-prime軟件(Version1.1)進(jìn)行。1.5圖像的標(biāo)準(zhǔn)化fMRI數(shù)據(jù)采用SPM2軟件在Matlab6.5的平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)每個(gè)被試的功能數(shù)據(jù)首先進(jìn)行時(shí)間校正,然后進(jìn)行頭動(dòng)校正,排除頭部平動(dòng)大于1mm,轉(zhuǎn)動(dòng)大于1.5°的被試對(duì)象;而后將校正后的圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,采用SPM自帶歸一化到標(biāo)準(zhǔn)的MNI系統(tǒng),并將每個(gè)體素重采樣至3.75mm×3.75mm×5mm;最后采用FWHM為8mm的高斯核做平滑處理,提高信噪比。經(jīng)過上述預(yù)處理之后,對(duì)數(shù)據(jù)個(gè)體進(jìn)行建模分析。然后采用SPM2軟件對(duì)納入的被試相同任務(wù)的fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行組分析,設(shè)定P<0.001(uncorrected),激活范圍的閾值(KE)設(shè)定為10個(gè)像素,獲得實(shí)驗(yàn)任務(wù)的平均腦激活圖,轉(zhuǎn)換為Talairach標(biāo)準(zhǔn)三維模板,記錄各主要激活區(qū)的范圍及強(qiáng)度。同時(shí)將月份任務(wù)與數(shù)字、語(yǔ)義任務(wù)分別進(jìn)行比較,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(one-sampletest),比較不同加工活動(dòng)腦機(jī)制的差異。2結(jié)果2.1種任務(wù)間反應(yīng)時(shí)間的差異三個(gè)任務(wù)的平均反應(yīng)時(shí)間和正確率見表1。由于所有被試的正確率均大于80%,所以可以認(rèn)為被試確實(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的認(rèn)知加工活動(dòng)。對(duì)三種任務(wù)下反應(yīng)時(shí)間的方差分析結(jié)果顯示:不同的實(shí)驗(yàn)條件下其反應(yīng)時(shí)間有顯著差異[F(2,54)=6.727,P<0.01]。事后檢驗(yàn)的結(jié)果顯示數(shù)字任務(wù)的反應(yīng)時(shí)間與其它兩種任務(wù)間的反應(yīng)時(shí)間差異顯著(均P<0.01),而語(yǔ)義任務(wù)和月份任務(wù)之間的反應(yīng)時(shí)間沒有顯著差異(P>0.05)。該結(jié)果表明,語(yǔ)義任務(wù)和月份任務(wù)的難度相當(dāng),而數(shù)字任務(wù)的難度高于語(yǔ)義和月份任務(wù)。2.2mri腦成像的結(jié)果2.2.1左半球動(dòng)力學(xué)特征在基線控制任務(wù)下我們分別得到了三個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的加工腦區(qū),表2歸納了各腦區(qū)激活峰值的坐標(biāo)。數(shù)字任務(wù)和基線任務(wù)比較顯著激活了左半球上頂葉(BA7)、頂下小葉(BA40)、枕葉下回(BA19)、枕中回(BA37)和小腦后葉,及右側(cè)的小腦后葉。整體上表現(xiàn)為左半球視覺空間通路的激活及雙側(cè)小腦后葉的激活。語(yǔ)義任務(wù)和基線任務(wù)直接比較的結(jié)果顯示,峰值激活區(qū)為左半球的上額葉(BA6)、額中回(BA6)、中央前回(BA6)、枕葉下回(BA18)、小腦后葉和右半球的額中回(BA6),梭狀回(BA18)及小腦后葉。月份任務(wù)和基線任務(wù)直接比較的結(jié)果顯示,峰值激活區(qū)分別位于左半球中央后回(BA2)、額葉內(nèi)側(cè)(BA6)、楔前片(BA7)和小腦后葉,右半球上額葉(BA6)、額中回(BA8)和額下回(BA9)、角回(BA39)的激活,以及雙側(cè)的枕葉下回(BA18)和頂下小葉(BA40)。另外,在一般詞匯語(yǔ)義和月份語(yǔ)義的加工過程中均沒有發(fā)現(xiàn)wernicke區(qū)的激活。2.2.2月內(nèi)周內(nèi)插裝閥前錨葉ba7/19的激活在基線控制任務(wù)下,將月份任務(wù)的激活腦區(qū)與數(shù)字和語(yǔ)義任務(wù)的腦激活圖像進(jìn)行比較,表3歸納了不同實(shí)驗(yàn)任務(wù)比較后各腦區(qū)激活峰值的坐標(biāo)。月份和語(yǔ)義任務(wù)激活腦區(qū)相減得到左右半球的頂下小葉(BA40),前楔葉(BA7/19)的激活,另外左側(cè)的扣帶回前部(BA32)、中央后回(BA2),右側(cè)的顳上回(BA39)、顳中回(BA39)和上頂葉(BA7)也出現(xiàn)了激活(見圖2a)。語(yǔ)義和月份任務(wù)激活腦區(qū)相減沒有得到任何腦區(qū)的顯著激活(見圖2b)。數(shù)字任務(wù)和月份任務(wù)激活腦區(qū)相減得到左右半球枕中回(BA18/37)和前楔葉(BA7)的激活,另外左側(cè)扣帶后回(BA30)、頂下小葉(BA40),右側(cè)的額中回(BA46)、前中央回(BA6/9)、小腦前葉均出現(xiàn)一定程度的激活(見圖2c)。月份和數(shù)字任務(wù)激活腦區(qū)相減得到雙側(cè)梭形回(BA18)及左側(cè)枕葉下回(BA18)(見圖2d)。3月任務(wù)和日期加工運(yùn)作的激活一直以來,關(guān)于人類數(shù)學(xué)能力的來源和發(fā)展存在兩種相反的觀點(diǎn),一是沃夫(Whorf)提出的思維性質(zhì)和內(nèi)容由語(yǔ)言決定(linguisticdeterminism)的強(qiáng)勢(shì)假設(shè);二是Gelman和Gallistal等人的觀點(diǎn),認(rèn)為對(duì)數(shù)的認(rèn)知是與語(yǔ)言相互獨(dú)立的。隨著認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的推進(jìn),目前數(shù)量認(rèn)知(numericalcognition)已成為心理學(xué)研究人類數(shù)學(xué)能力的焦點(diǎn)與核心部分之一,并在這方面積累了大量的新發(fā)現(xiàn),形成了新認(rèn)識(shí)。Dehaene等人的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),精確的數(shù)量計(jì)算過程更多激活負(fù)責(zé)言語(yǔ)的左側(cè)額下回等詞語(yǔ)加工區(qū),而數(shù)量的表征和近似判斷則更多地激活負(fù)責(zé)空間表象的大腦雙側(cè)頂內(nèi)溝及其周邊腦區(qū)。本研究發(fā)現(xiàn),在數(shù)字和月份任務(wù)中,受試者的頂下小葉都出現(xiàn)顯著的激活。與基線任務(wù)比較,數(shù)字任務(wù)激活了包括頂下小葉在內(nèi)的皮層網(wǎng)絡(luò),與先前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。先前有研究表明頂下小葉是數(shù)量加工的重要區(qū)域,左側(cè)頂下小葉區(qū)域病變選擇性地影響內(nèi)部的數(shù)量表達(dá),而且有研究已經(jīng)證實(shí)頂下小葉皮質(zhì)激活水平反映了特定類別數(shù)量系統(tǒng)的抽象操作,而且與輸入和輸出通道及計(jì)算任務(wù)無關(guān)。與基線任務(wù)比較,月份任務(wù)誘發(fā)的腦激活模式與數(shù)字任務(wù)存在一定的相似性,其激活區(qū)也包括頂下小葉(BA40),枕葉下回(BA18/19);其中月份任務(wù)頂下小葉激活區(qū)的峰值坐標(biāo)為(-47,-26,25),與數(shù)字任務(wù)中頂葉激活區(qū)的峰值坐標(biāo)(-47,-36,37)比較接近,說明兩種任務(wù)在腦區(qū)定位上有一部分是重疊的,也就是說參與數(shù)字加工的頂枕區(qū)域可能也參與了對(duì)月份的加工。為了進(jìn)一步揭示與月份加工相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)的特征,我們直接比較分析了實(shí)驗(yàn)任務(wù)間的激活腦區(qū)的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與語(yǔ)義任務(wù)比較,月份任務(wù)特異性地激活了左前扣帶回、中央后回及右半球上顳葉、雙側(cè)頂下小葉、前楔葉(圖2a)。這些腦區(qū)在以往有關(guān)數(shù)字加工的實(shí)驗(yàn)中也出現(xiàn)顯著激活。Dehaene等在進(jìn)行個(gè)位數(shù)的乘法和減法計(jì)算研究時(shí)發(fā)現(xiàn),乘法計(jì)算主要引起左側(cè)頂下小葉激活,而減法任務(wù)需要雙側(cè)頂下小葉的數(shù)量操作共同完成,認(rèn)為頂下小葉是數(shù)量操作及與數(shù)量有關(guān)的語(yǔ)義處理中樞,在數(shù)字運(yùn)算中同樣發(fā)揮著重要作用。而相對(duì)于月份任務(wù),語(yǔ)義任務(wù)沒有特異性的腦激活區(qū),也就是語(yǔ)義的激活腦區(qū)在月份任務(wù)中都有激活(圖2b)。這一結(jié)果提示,漢語(yǔ)月份名詞的神經(jīng)加工活動(dòng)可能不同于純粹的語(yǔ)義任務(wù),它可能具有詞匯加工與數(shù)字加工的雙重性。對(duì)月份任務(wù)和數(shù)字任務(wù)誘發(fā)的激活腦區(qū)的直接比較結(jié)果同樣支持我們提出的觀點(diǎn):漢語(yǔ)月份加工包含詞匯加工與數(shù)字加工的雙重特征。盡管與數(shù)字加工相關(guān)的部分腦區(qū)也參與了月份加工,但由表3可知,參與月份加工的腦區(qū)與負(fù)責(zé)數(shù)字加工的腦區(qū)并非完全重疊。與月份任務(wù)比較,數(shù)字任務(wù)也有特異性的腦功能區(qū):左側(cè)頂下小葉(BA40)、后扣帶回、右側(cè)小腦后及雙側(cè)前楔葉和枕中回的激活。由于頂下小葉在單獨(dú)兩個(gè)任務(wù)下都有激活,因此只能說頂下小葉在數(shù)字任務(wù)中激活更強(qiáng)(圖2c)。結(jié)合行為數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們可知這源于數(shù)字任務(wù)難度較大。而與數(shù)字任務(wù)比較,月份任務(wù)特異性地激活了左右半球梭狀回(BA18)和左半球枕葉下回(BA18)(圖2d)。梭狀回中部區(qū)域定義為“視覺詞型區(qū)”,研究認(rèn)為該區(qū)域在字型加工中起著非常重要的作用,也有學(xué)者將該區(qū)域稱為繼Broca和wernicke區(qū)之后的第三語(yǔ)言區(qū)。綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)母語(yǔ)漢語(yǔ)者在對(duì)漢語(yǔ)月份詞語(yǔ)的加工過程中出現(xiàn)了語(yǔ)言區(qū)和數(shù)字加工區(qū)域的共同激活,說明漢語(yǔ)日期詞語(yǔ)的加工不僅涉及語(yǔ)詞的加工,還涉及了數(shù)的加工。這對(duì)于我們探討中英文母語(yǔ)的兒童數(shù)學(xué)能力發(fā)展的差異提供了一條重要線索。傳統(tǒng)跨語(yǔ)言的數(shù)學(xué)認(rèn)知發(fā)展研究確實(shí)是探討語(yǔ)言與數(shù)學(xué)能力關(guān)系的重要途徑,但最新的跨文化研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),數(shù)詞的結(jié)構(gòu)及其語(yǔ)義、語(yǔ)音對(duì)兒童理解數(shù)的概念和進(jìn)行計(jì)算有不可忽視的影響。比如在中文語(yǔ)言環(huán)境下,兒童可以較早獲得一些算術(shù)概念。本研究通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中國(guó)人在對(duì)月份詞匯的加工過程中確實(shí)存在著數(shù)字的加工,從而證明了漢語(yǔ)母語(yǔ)者在學(xué)習(xí)和使用母語(yǔ)的過程中已經(jīng)獲得了數(shù)的加工經(jīng)驗(yàn)。日期名詞作為常用詞匯,在中文的表達(dá)中兼有語(yǔ)詞與數(shù)量?jī)煞N成分,而英語(yǔ)與之對(duì)應(yīng)的詞匯只有純粹的語(yǔ)詞因素。甚至在物體泛指的情況下,漢語(yǔ)所用的詞匯是直