杨菁菁，李修军，吴景龙，佟丹

（1.长春理工大学　计算机科学技术学，长春　130022；2.日本冈山大学　自然科学研究生院　冈山，700-8530；3.吉林大学第一医院　放射科，长春　130022）

基于功能性核磁共振的汉字语义加工脑机制研究

杨菁菁1，李修军1，吴景龙2，佟丹3

（1.长春理工大学计算机科学技术学，长春130022；2.日本冈山大学自然科学研究生院冈山，700-8530；3.吉林大学第一医院放射科，长春130022）

利用功能性磁共振成像（fMRI）技术探讨文盲和非文盲汉字语义加工脑机制的差异。实验使用汉字语义和图形的判断任务比较了中国人文盲和非文盲在语义加工过程脑机制的差异。结果表明文盲与非文盲汉字语义加工脑机制不同，且非文盲的脑活动更强，具体体现在左侧额中回（BA9），左侧角回（BA39/40）及左侧颞上回（BA21/22）以及小脑。

文盲；非文盲；汉字语义；功能性磁共振成像

汉字处理过程主要包括字形、读音和语义三个部分。人脑在识别汉字的时候主要通过视觉或者听觉通道对汉字进行辨别，例如：当我们看到或者听到一个汉字“山”，通过视觉通道我们会联想到山的形状，通过听觉通道我们会联想到山的发音，进而联想到山的语义。因此，语义处理是更深一层次的处理过程，本文将对汉字语义处理脑机制进行研究。

对汉语的语义加工处理是人脑语言处理的一项基本活动，与读音和字形相关功能脑区相比，语义加工激活的脑区范围更广，而且与读音和字形加工脑区有相当大的重叠。对英语和字母语系的fMRI研究表明，在语义处理过程中，左侧额下回是重要的激活区。逆序词语义判断任务为汉字所特有，与字母语系不同，国内学者对汉字语义处理进行了相关研究。单保慈等通过对听觉和视觉刺激的研究发现，左侧大脑半球的额下回、颞下回、梭状回以及右侧大脑半球的颞中回、缘上回、双侧的小脑、枕叶参与了汉字的语义处理［1］。Tan等使用汉字做实验刺激被试完成判断人物，发现汉字处理脑区集中在左侧额中回和右侧的一个神经网络（BA47/45，BA7，BA40/39以及诗句区域系统）［2］。彭聃龄等认为语义任务中可能出现与语音有关的脑区的激活；而在语音任务中不出现与语义有关的脑区的激活［3］。在语义判断时，语音脑区出现自动激活，这种激活可能有助于语义判断，而在进行语音判断时，语义参与较少，所以没有显著激活。本文采用接受教育程度差异较大的两种被试（非文盲和文盲）利用功能性核磁共振（fMRI）技术手段探讨汉字语义加工相关脑区。

近年来，诸多研究表明语言加工有特定脑区［4-9］。那么文盲和非文盲的汉字语义处理脑机制有怎样的差异？为解决如上问题，实验采用fMRI技术对中国文盲和非文盲汉字语义加工的脑机制的差异进行探讨。

1　实验

1.1被试

本实验使用文盲被试15人，年龄56±3.6岁，其中男性8人，女性7人；非文盲被试15人，年龄54± 3.9岁，其中男性7人，女性8人。所有被试均符合健康、右利手、母语为汉语的条件，视力听力均正常。所有被试在实验前均签署了知情同意书。为了验证文盲被试是否具有正常的智力，进行了IQ测试（raven IQ test）。结果显示非文盲被试为121.1±4.8，文盲被试为91.8±4.9，但均属于正常水平（正常智力范围是90～110之间）。

1.2实验设计

实验采用2×2的两因素混合实验设计。因素1是组间变量，有文盲组和非文盲组两个水平；因素2是组内变量，分别为汉字语义和图形。因变量为被试反应时间，正确率和检测的脑血氧水平（BLOD）。

1.3实验材料

实验刺激是汉字和简单的图形，汉字是从小学五年级汉字生字表中挑选出的53个平均笔画9.8的常用汉字。根据汉字语义是否相同配对成语义相同组和语义不同组，各18对。图形为简单几何图形○和□，18对相同，18对不同。共组成72张图片，图片像素为245×245，显示器分辨率1024×768，视角为8度。

1.4实验任务

在fMRI实验时，语义刺激对和图形刺激对通过反光镜折射至被试眼部。在进行扫描时要求被试对屏幕中呈现的两个汉字（或图形）进行辨别，语义相同时用左手拇指按1键，不同时用右手拇指按3键。语义刺激对或图形对均随机出现。刺激呈现时间均为4s，时间间隔随机化，分别为2s，4s和6s。无刺激呈现时只提示注视点“+”。一共72个刺激，实验时间大约持续10分钟。然后加扫了3D和T1图像。整个实验持续时间约20分钟。

1.5数据采集与分析

实验采用吉林大学第一医院的Philips Intera Achieva 3.0T超导型MR扫描系统，应用8通道SENSE头线圈。层厚为3.5mm。在数据分析的时候，使用基于Matlab7.5的SPM8软件进行图像后处理。处理过程分为预处理和统计分析处理两个过程：预处理具体过程是：（1）头动校正和图像的配准。（2）空间标准化。（3）空间平滑和时间平滑。（4）去线性漂移。在预处理过程完成后进行统计分析。在个体水平，采用一般线性模型（General Linear Model，Y=βX+E），将汉字语义辨别和图形辨别的反应与baseline做比较，p＜0.001（Uncorrected），得出对比图像。采用随机效应模型，对组内和组间数据分别进行单样本和双样本t检验分析 p＜0.05（Corrected）得到文盲和非文盲在汉字语义处理时脑活动的差异性脑区。

1.6结果

fMRI脑功能成像结果：文盲组激活了一个由多个脑区参与的脑神经网络，非文盲组也激活了一个由多个脑区参与的汉字语义加工处理网络（图1），两组被试均激活了大脑对汉字语义处理的基本脑区。两组被试做差，如图2所示，差异性脑区位于左侧额中回（BA9），左侧角回（BA39/40）及左侧颞上回（BA21/22）以及小脑，p＜0.05。

图1　文盲与非文盲汉字语义加工的激活脑区结果

图2　文盲与非文盲汉字语义加工激活差异脑区结果（p＜0.05）

2　讨论

本研究中非文盲和文盲组汉字字形加工均激活了由多个脑区构成的神经网络，与以往对汉字语义加工的fMRI研究结果均相近［2，10，11］。近年来，随着脑科学和心理语言学的发展，世界各地的诸多学者对文盲这一特殊被试群体进行研究。国内外许多学者对文盲进行了研究，并取得了许多成果，跟语言相关的脑区一一被发现并确定下来［4-10］。本文也发现了几个汉字语义处理的特有脑区，比如左侧额中回（BA9），左侧角回（BA39/40）及左侧颞上回（BA21/ 22）以及小脑等都是与汉字语义处理相关。

目前国内的语言学家已经开始利用文盲这一特殊被试进行汉语语言处理机制方面的研究。Li等人（2006）对中文文盲进行了研究，实验采用静态词再认任务，探讨文盲和非文盲激活的脑区差异［10］。研究同时采用fMRI技术来探讨语音任务中的大脑激活，实验采用30个静态字词再认和30个交通标识符的静态图形命名任务进行。结果发现，在字词再认任务中，两类被试在左侧额下，额中回，两侧的颞上回激活差异显著；非文盲被试主要激活左侧额中回。文盲被试这种静态汉字再认任务激活的区域主要是两侧的顶叶下部。在图形命名任务中，两侧的额下、额中回，左侧的边缘扣带回的激活差异显著。因此，得到结论是与语言任务相关的脑区激活模式受教育的影响。Dehaene等人在science上发表了基于文盲文字学习的文章，明确了几个特定的脑区，比如左侧纺锤状回是写作脑内等［11］。我们的结果也证明了在双侧的后头顶叶主要是汉字的语义处理区，因为在双侧的后头顶叶非文盲的活动比文盲的活动强。

在国外，Petersson等人的有关英文语义和语音的文盲研究中，针对文盲和非文盲被试进行了单词与非单词判断，语音判断，语义判断等实验任务。结果发现在顶下皮层（IPC）领域，文盲和非文盲相比，在左侧非文盲的活动比文盲的活动强，在右侧文盲的活动比非文盲强，而在颞上回（STG）领域内两者之间没有显著性差异［12-15］。我们得到结果表明，汉字语义处理脑区有部分和英文处理脑区相同，部分脑区是不同的，说明汉字语义处理有其特有的脑机制，这也是汉字作为象形文字最大的特点。

3　结论

文盲与非文盲汉字语义加工脑神经机制不同，但是文盲和非文盲具有相似的、完善的汉语语义加工脑神经网络连接模式。结果可以看出非文盲的脑活动更强，教育改变了语言认知活动的脑神经网络链接模式。汉字语义加工时非文盲比文盲强的脑活动神经机制在左侧的一个神经网络，即差异性脑区位于左侧额中回（BA9），左侧角回（BA39/40）及左侧颞上回（BA21/22）以及小脑。

［1］单保慈，张武田，马林，等.汉语语义加工的相关脑区［J］.科学通报，2003，48（21）：2257-2260.

［2］Tan Lihai，Liu Holing，Perfetti Charles A，et al. The neural systems underlying cheinese logographic reading［J］.Neuroiamge，2001，13：826-846.

［3］彭聃龄，徐世勇，丁国盛，等.汉语单字词音、义加工的脑激活模式［J］.中国神经科学杂志，2003，19（5）：287-291，296.

［4］曹小华，李愧敏，陈昌明，等.文盲文字加工的行为和脑机制［J］.心理科学进展，2009，17（5）：917-922.

［5］李修军，杨菁菁，杨家家，等.文盲与非文盲汉字字形和语音加工的脑机制［J］.心理科学，2013，36（6）：1408-1412.

［6］李修军，李奇，郭启勇，等.汉语语音判断时非文盲右脑活动特征的fMRI研究［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2013，36（6）：124-128.

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［10］Li Geng，Cheung Raymond T F，Gao Jaihong，et al.Cognitive processing in Chinese literate and illiterate subjects：An fMRI study［J］.Human Brain Mapping，2006，27：144-152.

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Research on the Brain Mechanism of Chinese Semantic Processing：an fMRI Study

YANG Jingjing1，LI Xiujun1，WU Jinglong2，TONG Dan3

（1.School of Computer Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Graduate School of Natural Science and Technology，Okayama University，Okayama 700-8530；3.Department of Radiology，No.1 Hospital of Jilin University，Changchun 130022）

In this study，we used functional magnetic resonance imaging（fMRI） to investigate the what’s Chinese semantic processing on the human mechanism.In fMRI experiment，subjects were asked to view the character semantic or figure pairs and discriminate whether the characters or figures of each stimuli pair were the same or not using response keys.The results of fMRI analysis showed that stronger activation of Chinese literates than illiterates.We observed that the brain network of Chinese phonological processing in the left middle frontal gyrus（BA9），the left angular gyrus（BA39/40），the left superior temporal gyrus（BA21/22） and cerebellum.

illiterate；literate；Chinese semantic；fMRI

H315

A

1672-9870（2016）03-0136-03

2016-01-03

杨菁菁（1979-），女，博士，助理研究员，E-mail：yangjingjing@cust.edu.cn