中国人对月名加工脑区的功能磁共振成像研究

中国人对月名加工脑区的功能磁共振成像研究

通过儿童数学技能的发展，我们发现了不同文化环境下儿童数学分数的差异。入学前，孩子们和东亚孩子之间的差异呈现出总体差异，随着年级的增加，孩子们的差异呈现出扩大的趋势。儿童数学能力发展的跨文化差异引发人们对其深层次原因的探讨,起先研究者认为不同文化下的教育目标、学习内容和教育方法等导致这些差异,在一段时间内忽略了心理语言学因素,随后的研究发现语言符号系统也是造成儿童数学能力差异的重要因素。例如,行为学研究结果发现亚洲国家(如中国、日本、朝鲜等国)所用的数词读音系统与英文数词读音系统相比,更有利于发展儿童对十进位系统的数量结构的理解和表征,及在运算中使用较高级的计算策略。上述研究指出了数学词语表达对儿童数概念和数学知识学习的影响。由此看来,数学能力具有文化和语言的独特性。据此我们推测,不同的语言构成特点亦可能会造成不同的早期数学认知经验,从而影响随后数学能力的发展。因为从中文与英文两大语种来看,中文更多直接采用数字来表示具有顺序和数量意义的词汇,例如中文无论阴历和阳历都以数字来排序,即使是外来的星期记法,也用数字排列(星期天除外)。而英文与中文不同,用罗马诸神和罗马大帝的名字来命名十二个月,用星体的名字命名一周七日。中文日期作为汉语母语者早期经常接触的日常词汇,与英语母语的儿童相比,汉语母语儿童可能更早开始习得对数字——空间顺序的认知加工,更早更多地获得有关数的加工经验。除了数学能力的发展存在跨文化差异之外,Tang等人发现数字加工的认知神经机制同样存在着跨文化差异,所以中英不同文化条件下的数学能力发展差异可能具有深远的生理基础。现有关于语言及数字认知的学说和研究报道普遍认为,语言和数量认知活动各具有独特的加工脑区。正常的字词阅读涉及到大脑皮质的广泛区域,包括大脑左半球的枕叶和颞顶联合区、左侧额下回、额中回、颞上回与颞中回、双侧小脑、运动区、运动辅助区中部和扣带回前部等,概括说来主要为左半球额、颞叶等经典语言区负责。而关于数量的加工机制Dehaene提出著名的三重编码模型(triple-codemodel),认为数量的表征、比较及近似估计利用类似心理“数轴”这样空间模拟的表达方式,主要涉及顶叶。相关研究发现在数量表征和比较的过程中,枕顶皮层、额叶、感觉运动区都出现了一定的激活。一般认为额叶是工作记忆的主要区域,顶叶与数字比较、近似计算和估算有关,枕叶处理阿拉伯数字视觉信息,基底核储存程序性算术知识,额叶和左顶叶被认为是数量加工最重要的区域。鉴于此,我们采用认知神经领域无创性的功能磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)技术,以汉语月份日期名词为实验材料,探讨中文日期名词的加工过程中是否涉及了数字加工,从而更好地从心理语言学的角度探讨语言特征对数学思维能力发展的影响。1材料和方法1.1性别、年龄及身份证号19名非语言专业的在校健康大学生参加了本实验。其中男生9名,女生10名,母语为汉语,平均年龄为(21.7±2.4)岁,矫正视力均在5.0以上,无精神和神经疾病史,且通过利手测试确认为右利手。实验开始之前每个被试均签署了知情同意书。1.2月、月任务和词汇加工本研究设置三个实验任务:数字任务、语义任务和月份任务,分别考察对数字、汉语双字词汇和月份的加工。为了方便与已有研究结果的对比,本研究沿用了与先前研究相同的数字任务,即要求被试判断屏幕上出现的第三个数字是否和先前出现的两个数字的字体是否相同(同为正体或是斜体)。以0~9十个阿拉伯数字为刺激材料,每个数字的出现次数和出现的位置基本平衡,上面两个和下面一个数字各为正体和斜体的次数相同。词汇加工的实验采用词义判断任务,要求被试看到屏幕上出现代表有生命的名词时按“左”键,无生命的词按“右”键,采用人们熟知的动物和工具(例如熊猫、电话)为实验材料。月份任务中要求被试判断出现的月份属于上半年还是下半年,相应左右手分别按键回答,呈现方式同词汇加工任务。所有材料均黑底白字(50磅),其呈现方式如图1所示。1.3密度大小fmo的扫描结果实验包括3次独立的扫描阶段,各个实验任务均采用组块设计(block-design),各任务的呈现顺序上采用拉丁方进行平衡,正式实验开始之前均安排被试进行练习以达到对实验任务的熟悉。有关数字的实验任务每个组块包含16次判断,组块间有14s的休息时间;词汇和月份任务下每个组块也包括16个刺激,组块间有15s的休息时间,休息时要求被试注视屏幕中央出现的注视点“+”,并以此时的脑激活状态为实验基线。每个组块内刺激是随机呈现的,“是”或“否”的答案各占一半。同时,数字和语义任务为实验的对比条件,用来详细考察月份加工机制的特点。在进行fMRI扫描时,整个实验过程要求被试注视计算机屏幕中央,并尽量保持头部不动,在最短时间内对呈现在计算机屏幕中央的材料作出正确的判断。1.4数据获取采用GE公司型号为SignaHDe1.5T的磁共振扫描仪。采用梯度回波结合单次激发回波平面成像技术(echoplanarimaging,EPI),参数为:TE=60ms,FOV=240mm×240mm,翻转角是90°,矩阵为64×64,层厚5mm,间隔0mm,22层连续轴位扫描以覆盖全脑。为了采集到更准确的激活图像并与前人的研究相对照,数字材料任务的EPI扫描参数TR=2000ms,字词材料任务的EPI扫描参数TR=3000ms。实验材料用计算机通过多媒体投射到屏幕上,被试通过核磁共振仪射频线圈上的反光镜观看所呈现的材料。刺激呈现和行为实验数据的记录均采用E-prime软件(Version1.1)进行。1.5图像的标准化fMRI数据采用SPM2软件在Matlab6.5的平台上进行预处理。对每个被试的功能数据首先进行时间校正,然后进行头动校正,排除头部平动大于1mm,转动大于1.5°的被试对象;而后将校正后的图像进行标准化,采用SPM自带归一化到标准的MNI系统,并将每个体素重采样至3.75mm×3.75mm×5mm;最后采用FWHM为8mm的高斯核做平滑处理,提高信噪比。经过上述预处理之后,对数据个体进行建模分析。然后采用SPM2软件对纳入的被试相同任务的fMRI数据进行组分析,设定P<0.001(uncorrected),激活范围的阈值(KE)设定为10个像素,获得实验任务的平均脑激活图,转换为Talairach标准三维模板,记录各主要激活区的范围及强度。同时将月份任务与数字、语义任务分别进行比较,进行统计分析(one-sampletest),比较不同加工活动脑机制的差异。2结果2.1种任务间反应时间的差异三个任务的平均反应时间和正确率见表1。由于所有被试的正确率均大于80%,所以可以认为被试确实进行了相应的认知加工活动。对三种任务下反应时间的方差分析结果显示:不同的实验条件下其反应时间有显著差异[F(2,54)=6.727,P<0.01]。事后检验的结果显示数字任务的反应时间与其它两种任务间的反应时间差异显著(均P<0.01),而语义任务和月份任务之间的反应时间没有显著差异(P>0.05)。该结果表明,语义任务和月份任务的难度相当,而数字任务的难度高于语义和月份任务。2.2mri脑成像的结果2.2.1左半球动力学特征在基线控制任务下我们分别得到了三个实验任务的加工脑区,表2归纳了各脑区激活峰值的坐标。数字任务和基线任务比较显著激活了左半球上顶叶(BA7)、顶下小叶(BA40)、枕叶下回(BA19)、枕中回(BA37)和小脑后叶,及右侧的小脑后叶。整体上表现为左半球视觉空间通路的激活及双侧小脑后叶的激活。语义任务和基线任务直接比较的结果显示,峰值激活区为左半球的上额叶(BA6)、额中回(BA6)、中央前回(BA6)、枕叶下回(BA18)、小脑后叶和右半球的额中回(BA6),梭状回(BA18)及小脑后叶。月份任务和基线任务直接比较的结果显示,峰值激活区分别位于左半球中央后回(BA2)、额叶内侧(BA6)、楔前片(BA7)和小脑后叶,右半球上额叶(BA6)、额中回(BA8)和额下回(BA9)、角回(BA39)的激活,以及双侧的枕叶下回(BA18)和顶下小叶(BA40)。另外,在一般词汇语义和月份语义的加工过程中均没有发现wernicke区的激活。2.2.2月内周内插装阀前锚叶ba7/19的激活在基线控制任务下,将月份任务的激活脑区与数字和语义任务的脑激活图像进行比较,表3归纳了不同实验任务比较后各脑区激活峰值的坐标。月份和语义任务激活脑区相减得到左右半球的顶下小叶(BA40),前楔叶(BA7/19)的激活,另外左侧的扣带回前部(BA32)、中央后回(BA2),右侧的颞上回(BA39)、颞中回(BA39)和上顶叶(BA7)也出现了激活(见图2a)。语义和月份任务激活脑区相减没有得到任何脑区的显著激活(见图2b)。数字任务和月份任务激活脑区相减得到左右半球枕中回(BA18/37)和前楔叶(BA7)的激活,另外左侧扣带后回(BA30)、顶下小叶(BA40),右侧的额中回(BA46)、前中央回(BA6/9)、小脑前叶均出现一定程度的激活(见图2c)。月份和数字任务激活脑区相减得到双侧梭形回(BA18)及左侧枕叶下回(BA18)(见图2d)。3月任务和日期加工运作的激活一直以来,关于人类数学能力的来源和发展存在两种相反的观点,一是沃夫(Whorf)提出的思维性质和内容由语言决定(linguisticdeterminism)的强势假设;二是Gelman和Gallistal等人的观点,认为对数的认知是与语言相互独立的。随着认知神经科学实验研究的推进,目前数量认知(numericalcognition)已成为心理学研究人类数学能力的焦点与核心部分之一,并在这方面积累了大量的新发现,形成了新认识。Dehaene等人的实验研究发现,精确的数量计算过程更多激活负责言语的左侧额下回等词语加工区,而数量的表征和近似判断则更多地激活负责空间表象的大脑双侧顶内沟及其周边脑区。本研究发现,在数字和月份任务中,受试者的顶下小叶都出现显著的激活。与基线任务比较,数字任务激活了包括顶下小叶在内的皮层网络,与先前的实验结果基本一致。先前有研究表明顶下小叶是数量加工的重要区域,左侧顶下小叶区域病变选择性地影响内部的数量表达,而且有研究已经证实顶下小叶皮质激活水平反映了特定类别数量系统的抽象操作,而且与输入和输出通道及计算任务无关。与基线任务比较,月份任务诱发的脑激活模式与数字任务存在一定的相似性,其激活区也包括顶下小叶(BA40),枕叶下回(BA18/19);其中月份任务顶下小叶激活区的峰值坐标为(-47,-26,25),与数字任务中顶叶激活区的峰值坐标(-47,-36,37)比较接近,说明两种任务在脑区定位上有一部分是重叠的,也就是说参与数字加工的顶枕区域可能也参与了对月份的加工。为了进一步揭示与月份加工相关的神经活动的特征,我们直接比较分析了实验任务间的激活脑区的差异。结果发现,与语义任务比较,月份任务特异性地激活了左前扣带回、中央后回及右半球上颞叶、双侧顶下小叶、前楔叶(图2a)。这些脑区在以往有关数字加工的实验中也出现显著激活。Dehaene等在进行个位数的乘法和减法计算研究时发现,乘法计算主要引起左侧顶下小叶激活,而减法任务需要双侧顶下小叶的数量操作共同完成,认为顶下小叶是数量操作及与数量有关的语义处理中枢,在数字运算中同样发挥着重要作用。而相对于月份任务,语义任务没有特异性的脑激活区,也就是语义的激活脑区在月份任务中都有激活(图2b)。这一结果提示,汉语月份名词的神经加工活动可能不同于纯粹的语义任务,它可能具有词汇加工与数字加工的双重性。对月份任务和数字任务诱发的激活脑区的直接比较结果同样支持我们提出的观点:汉语月份加工包含词汇加工与数字加工的双重特征。尽管与数字加工相关的部分脑区也参与了月份加工,但由表3可知,参与月份加工的脑区与负责数字加工的脑区并非完全重叠。与月份任务比较,数字任务也有特异性的脑功能区:左侧顶下小叶(BA40)、后扣带回、右侧小脑后及双侧前楔叶和枕中回的激活。由于顶下小叶在单独两个任务下都有激活,因此只能说顶下小叶在数字任务中激活更强(图2c)。结合行为数据的实验结果,我们可知这源于数字任务难度较大。而与数字任务比较,月份任务特异性地激活了左右半球梭状回(BA18)和左半球枕叶下回(BA18)(图2d)。梭状回中部区域定义为“视觉词型区”,研究认为该区域在字型加工中起着非常重要的作用,也有学者将该区域称为继Broca和wernicke区之后的第三语言区。综上所述,本研究发现母语汉语者在对汉语月份词语的加工过程中出现了语言区和数字加工区域的共同激活,说明汉语日期词语的加工不仅涉及语词的加工,还涉及了数的加工。这对于我们探讨中英文母语的儿童数学能力发展的差异提供了一条重要线索。传统跨语言的数学认知发展研究确实是探讨语言与数学能力关系的重要途径,但最新的跨文化研究结果发现,数词的结构及其语义、语音对儿童理解数的概念和进行计算有不可忽视的影响。比如在中文语言环境下,儿童可以较早获得一些算术概念。本研究通过实验发现中国人在对月份词汇的加工过程中确实存在着数字的加工,从而证明了汉语母语者在学习和使用母语的过程中已经获得了数的加工经验。日期名词作为常用词汇,在中文的表达中兼有语词与数量两种成分,而英语与之对应的词汇只有纯粹的语词因素。甚至在物体泛指的情况下,汉语所用的词汇是直