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

功能磁共振成像硕士研究生：谭向杰指导教师：翁旭初研究员答辩日期：2004年6月15日提纲一：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:Posner&Rai