神经机制下工作记忆和二语句子理解研究述评

徐 方

(青岛科技大学 外国语学院，山东 青岛 266061)

二语句子理解涉及的是输入信息和个体变量相互作用的过程。在个体变量中，除了二语习得者的年龄、先前知识(包括第一语言、第二语言的语言学知识和世界知识)[1]外，Skehan提出，一些学习者处理输入信息更有效，可能是因为他们拥有更大的工作记忆容量，[2]或是因为他们能以更快速度执行工作记忆中的分析过程。心理语言学通过行为测量来研究二语习得者如何在线处理和理解句子，引起了许多争议。本论文从神经认知科学角度，回顾工作记忆和二语句子理解实验研究。运用神经认知科学的测量技术(即ERP、fMRI、PET)测试脑活动来探讨习得年龄、一语向二语迁移与内容熟悉度是如何与工作记忆相联系来制约和促进二语句子理解，从而更好地解决心理语言学行为测量的一些矛盾问题。

一、工作记忆概述

(一)神经成像研究中的工作记忆

工作记忆容量通常由广度任务测量。早期的神经成像(neuroimaging)研究集中于辨别工作记忆中的维持和处理过程：维持信息通常没有外在刺激，例如练习；处理和重组被维持的信息，即中央执行功能。神经成像研究主要集中于大脑的三个额(frontal)区：1)Ventrolateral(VLPFC)=BA44,45,47，即大脑腹侧前额叶皮层是布罗德曼区(Brodmann’s area)44、45、47号，负责维持信息；2)Dorsolateral(DLPFC)=BA9,46，即大脑背侧前额叶皮层是布罗德曼区9、46号，负责处理信息；3)Anterior(APFC)=BA10，即大脑前额皮层前部是布罗德曼区10号，负责更高层次的控制过程；同时，还集中于parietal regions(BA7 & 40)，即大脑顶叶区是布罗德曼区7、40号，认为可能存在包含大脑前额叶皮层(prefrontal cortex,PFC)和顶叶皮层(parietal cortex)的注意神经回路。

额叶(frontal lobe)内的前额叶皮层被广泛认为在工作记忆中扮演着重要角色。大多数模型认为储存信息的主要场所不在额叶内，而是在后皮层(posterior cortex)。前额叶皮层的功能是根据当前目标保持信息活跃并且或者处理这些活跃信息。如图1：[3]

图1

Smith, E. E. & Jonides,J通过PET研究工作记忆得出结论：[4]不同的神经回路影响言语、空间和物体工作记忆，空间记忆是右侧向(right lateralized)，而言语和物体记忆是左侧向；同时，涉及每一种工作记忆的一些皮层区存在不同：空间工作记忆激活枕叶区(occipital region)和下额区(inferior frontal region)，物体记忆是下颞区(inferotemporal area)活跃，言语记忆激活布罗卡区。

Müller, R. A. & Basho, S. (2004)通过fMRI发现听-视-运动处理流的输入汇集激活场所位于左侧大脑下额叶。[5]下额叶皮层是语言习得重要场所之一。下额叶皮层的功能由于工作记忆容量而进一步增强，使之在句法解码时必不可少。

(二)前额叶皮层的两个结构原则

前额叶皮层的两个结构原则是认知分层(cognitive hierarchy)与自动化程度(degree of automaticity,DoA)。

语言一直以来被认为具有分层结构特点，音节由音素组成，单词由音节组成，词组由单词组成，然后词组组合构建成句子。[6][7][8]前额叶皮层一直沿着前部-到-后部轴心有系统地组织，并依赖于认知分层变化的层次，前部区域涉及更高层次而后部区域涉及更低层次。[9]已发现分层加工的神经基础涉及大脑背侧前额叶皮层。[10]Jeon, H. A. & Friederici, A. D.提出自动化程度是PFC组织的要素，后部-至-前部梯度体系表明二语(即低自动化程度)脑前部更控制的过程，而以后部为主的体系表明本族语(即高自动化程度)主要涉及脑后部更自动化过程。[11]

(三)工作记忆各成分在二语学习中的角色

研究者们纷纷实验证明工作记忆在二语习得中扮演的角色。二语研究者提出个体在工作记忆中的差异会限制注意，因此影响二语习得。[12][2]语音记忆(phonological memory, PM)和中央执行功能在二语和本族语的学习中被认为尤其重要。

处理语音信息对语言学习和使用至关重要。Baddeley工作记忆模式中的语音环操纵着语音短时记忆，此成分在本族语发展中扮演着重要角色。语音环支持语言学习，包括词汇发展、流利性和一些对理解的测量。[13][14][15]语音环的功能不是记忆熟悉单词而是帮助学习新单词。[16]语音记忆在儿童和成年二语发展中扮演着重要角色。学习新声音模式中的语音记忆功能对二语词汇学习、[17]涉及诸如性别一致性依存关系的形态规则和二语语法学习都至关重要。[18][19]实验证明越经常在语音短时记忆中练习二语结构、越容易学习，并从中归纳出规则。[13]许多研究者把语音短时记忆和语言学习间的联系归因于语音环对新语音材料形成稳定、长时心理表征的重要性，这些表征对语音知识尤为重要，例如单个的单词和语块。短时记忆容量预测语块能力，“组块”是记忆和恰当使用二语固定词组能力，组块能力又反过来与以后创造性地运用语言相关联。[20]

中央执行功能与阅读理解和全面言语能力相关。[21][22]控制注意是中央执行器的主要功能，已适用于二语研究。注意控制与工作记忆是同义词。[23]基于工作记忆的中央执行成分的控制注意功能，工作记忆与二语词汇和语法学习有直接联系。[24]

对视觉和空间记忆的研究并没有引起语言研究学家的重视，反映了处理口头和书面语言时语音信息所扮演的重要角色。迄今为止，二语学习中还没有对新增加到Baddeley模式的情景缓冲器的研究。

二、影响二语句子理解中工作记忆的因素

(一)一语向二语迁移与工作记忆

已有大量证据证明一语的语音、拼写、语素词汇、词汇-语义和句法特性会影响二语句子理解。[25][26][27][28][29][30][31]

充分迁移观点(full transfer view)认为持续习得二语不仅会在二语加工时使用这些语言特征和加工路线，还会习得一语中没有的二语特点。[32]“建构理论”模式指出熟练的阅读者抑制不恰当的意思来建构庞大、连贯的分层结构，其中每一个新成分被组合并激活前面相关成分，反复受到激活的成分更易于回忆。一语阅读向二语转换时，熟练的本族语阅读者能在阅读后回忆一语语境文本成分，并构建一个连贯结构以便以后回忆这些成分；如果二语水平与文本相符合，他们会很好地处理二语语境每一个句子，也可以回忆这些成分。[33]

(二)内容熟悉度与工作记忆

由于有限的工作记忆容量，加工一系列句子时，语境能提供加工益处。储存的语境可以提前激活与理解相关的概念、关系和图式以便于加工随后的句子。[34]

背景知识在阅读中有利于词汇学习或单词意思的推断。[35][36][37]Hambrick & Engle提出领域知识和工作记忆对理解的相互作用：相关背景知识或领域知识能在理解时弥补低工作记忆，而高层面领域知识可以削弱甚至抵销工作记忆的促进性影响；高工作记忆提高了相关领域知识，代表了“丰富-变得-更丰富”假设，即如果拥有足够的背景知识，更大的工作记忆容量可以促进理解。有三个模式涉及工作记忆容量和领域知识对认知表现的影响：补偿模式；丰富-变得-更丰富；独立影响模式。[38]

(三)习得年龄与工作记忆

自从Lenneberg和Penfield & Roberts首次提出二语习得生物限制期假设，[39][40]研究者对于关键期假设(critical period hypothesis，Lenneberg)又提出许多新观点。大多数理论认为像本族语一样习得二语的能力受到成熟期限制(maturational constraints)，儿童期开始下降并在青春期消失。[41]

反对关键期假设的一个观点是二语习得不仅是语言学习年龄跨度的总下降，还反映与年龄相关的其它认知资源如工作记忆的下降。[42]

Newport, E. et al认为习得语法受到关键期影响。儿童期和青春期的发展变化引起本族语和二语中语法加工的差异。[41][43][44]陈述-程序模式提出由于成熟因素，程序记忆体系涉及的二语加工比本族语更少些。此提议基于与语言加工相关的两个大脑记忆体系的区别：陈述性体系促进记忆单词和词组的储存，位于包含内侧颞叶(medial temporal)和额前皮层区的特定脑结构网络；程序性记忆体系涉及加工语言的组合规则，依赖于包含额-基底神经节巡回(frontal-basal ganglia circuits)和额下回(BA44或布罗卡区)的网络。[44]晚期二语学习者过度依赖陈述性体系(如语法加工)，主要由于儿童期和青春期发生的成熟变化，而本族语依赖于程序性体系。

三、神经机制下二语句子理解

二语习得的研究使用了许多测量技术。心理语言学家一直使用一系列行为测试来研究二语习得者在理解过程中是如何在线加工语言。神经科学家一直使用脑活动测试，来研究二语理解过程中推断不同种类信息牵涉到大脑的什么组织，来调查一个大脑存放两种或更多语言的认知和神经结果。

(一)二语句子理解中的ERP成分和工作记忆

N400被用来间接测试工作记忆容量对更严格分析句法各方面的影响。Garnsey et al N400探测加工选择暂时句法歧义句引起的语义花园小径。[45]花园小径是由于工作记忆容量的限制，N400可以帮助以一种更抽象方式在句法层面反映工作记忆需求。与更小的工作记忆负荷相比，适中的工作记忆负荷与介于250和600毫秒间更大的负波相关，尤其出现在左半球中央电极区。

研究表明LAN是工作记忆负荷(与暂时储存在工作记忆中的填充词相关)更综合的指标。LAN的神经区域是(左)前额叶皮层，特别是布罗卡区。[46]Kluender & Kutas(1993)研究了长距离依存关系的wh-句和关系从句，必须在工作记忆中保存填充词一段时间，直到完成填充词-缺口(filler-gap)委派；至少两类词引发LAN：保存在工作记忆中正在被加工的填充词，和在随后位置正进行主题角色委派的词。因此工作记忆负荷能融入到正在构建的句子表证中。[47]

Neville et al.观察到由功能词引发的位于脑后部、偏左侧N400-700成分。大多数英语功能词的重要特征是支持最初句法分析、介绍新句法成分、决定句子中词组结构，功能词在语法中扮演重要角色。因此一个功能词本身就反映了更大的工作记忆负荷，从而引发了N400-700。[48]

(二)fMRI/PET和二语句子理解

Friederici提出本族语的神经加工阶段。[49]神经基础的第一个加工阶段是左颞上回前部(anterior portion of the left superior temporal gyrus，STG)和深额岛盖(deep frontal operculum)；第二个阶段的词汇-语义/主题信息以及形态句法信息的综合主要依赖于颞上回后部(posterior STG)、颞中回(middle temporal gyrus，MTG)和额下回(inferior frontal gyrus，IFG)(通常被认为是布罗卡区)；最后再分析加工主要激活包含颞上回后部和基底神经节的皮质-皮质下体系。

布罗卡区位于左额下回，按功能分为三个区域：语音、语义和句法，[50]但也对非语言功能如认知控制起重要作用。[51][52]一部分布罗卡区(BA 44，岛盖部(pars opercularis))主要加工句法信息，而左额下回更低部分(BA 47,眶部(pars orbitalis)有选择性地加工语义信息。[53]布罗卡区对本族语仅是语言器官，而左额下回其余部分对二语起作用。[54]

四、神经机制下工作记忆和二语句子理解实验研究

到目前为止，从脑神经机制的角度研究工作记忆和二语句子理解的论文不多，这是有待于进一步发展和探索的领域。表1、表2、表3分别从工作记忆以及与工作记忆相关的习得年龄、一语向二语的迁移、内容熟悉度四个方面研究回顾了二语句子理解ERP(7个)、fMRI(10个)、ERP和fMRI(1个)、PET(2个)实验结果。

(一)ERP实验：

ERP实验分为语音和语义相结合、语义、句法、语义和句法相结合四个方面，见表1。

表1 与习得年龄、语言迁移、内容熟悉度和工作记忆相关的二语句子理解ERP研究回顾

(二)fMRI实验

fMRI实验分为语音、句法、语义和句法相结合、自动化程度四个方面，见表2。

表2 与习得年龄、语言迁移、内容熟悉度和工作记忆相关的二语句子理解fMRI研究回顾

(三)ERP和fMRI实验相结合

ERP和fMRI实验反映自动化程度，见表3.。

(四)PET实验

根据语音和语义相结合来考察言语记忆，有两个实验，见表3。

表3 与习得年龄、语言迁移、内容熟悉度和工作记忆相关的二语句子理解ERP和fMRI、PET研究回顾

五、启示

1、从表1工作记忆与二语句子理解ERP研究数据表明：加工二语句法时，高水平的二语学习者接近本族语，往往引发P600，可是涉及到二语句法加工的、与工作记忆负荷相关的左前额负波经常缺失；而低水平的二语学习者通常引发语义加工的N400。实验证明工作记忆是影响语言理解的关键因素。工作记忆和短时记忆是学能模式中更高层次语言水平技能的重要组成部分。[74]

大多数二语研究LAN的缺失表明二语句子加工时自动化程度显著降低，尽管涉及加工局部语法依赖的自动化程度会随着二语水平而提高。然而，涉及复杂分层结构的二语句子加工是否能完全自动化还有待于进一步研究。来自神经影像研究已表明：二语结构复杂句子的脑皮层激活增加，说明二语比本族语理解需要更大加工。如果加工非局部依存对工作记忆有更大需要，此领域学习者的困难可能源于加工二语时缺少工作记忆资源，而不是语法知识。

虽然ERP具有很高的时间分辨率，可是只能提供表层皮质区域的信息，而其它神经影像技术，例如MRI可以深入到更深的皮质、或皮质下的区域来了解激活模式。

2、从表2、表3工作记忆与二语句子理解fMRI、PET研究数据表明：首先，与二语相关的递增的大脑活动出现在斡旋一语的脑区或这些脑区附近，例如左额下回(inferior frontal gyrus, IFG)、或颞上回(STG)；其次，与认知控制相关的特定的、额外的脑区活动，例如左前额叶皮层(PFC)、前扣带回(anterior cingulate cortex, ACC)、基底神经节(basal ganglia)。

对控制的需求与前额叶皮层(PFC)活动增加相联系。一项任务越得到更多的练习，对控制(和PFC)的依赖便会减小，因为练习加强了大脑其他结构与任务相关的神经通路的联系。这些巡回可以随时间独立于PFC而运行，执行任务变得更自动化。神经成像研究表明学习初始阶段PFC表现出更大激活，随着学习经历和练习的增加，PFC内的神经活动变弱。高效率处理句子常常来自于练习或是一些指导性干预。阅读中强化训练同样可以对一些理解成分加工产生更大效率。为了增加总工作记忆容量，练习可以征集更多激活或额外的加工和结构，复述(rehearsal)依赖于恢复(refreshing)的过程，此过程涉及到对选项的持续注意。记忆依赖于学习者对材料的熟悉度并随着练习而增强。因此在二语教学中，教师应根据学生水平在考试前给予学生适当指导，并辅以练习题来巩固和强化所学知识。

大脑前额叶皮层执行工作记忆，来自亚利桑那大学的教授Nicole P. Yuan表明前额叶皮层体积越大和PFC皮层越厚会有更好的执行表现。[75]因此应参加各种认知活动来锻炼前额叶皮层使之增强。因此，在二语教学中，教师可以通过记录笔记、遵循指示和忽视干扰来锻炼学生加工能力从而提高工作记忆容量。

如果工作记忆与注意容量或者控制中央执行功能相联系(可以抑制来自一语的竞争压力)，那么二语学习者可以集中于二语形式并努力抑制一语影响。许多学者认为一语迁移是不可避免的，控制注意资源并抑制影响是成功二语学习的关键。前额叶皮层被逐渐激活，说明在加工低水平二语时，前额叶皮层阻挡来自更强本族语的更优势的、不相关的反应，从而便利加工与任务相关的弱势二语表征。背侧前额叶皮层与抑制和注意相联系说明工作记忆不是一个与其它执行功能完全分开的加工。因此在二语教学中，教师应帮助学生激活图式(schema)，即优先与任务相联系的反应，抑制不恰当的反应。对任务图式更有效率的管理是让具备更大工作记忆容量的二语学习者能更迅速地排除竞争信息中的干扰。如何成功抑制将是今后二语研究的课题。

根据Hernandez et al. (2007)；Suh et al. (2007)；Jeong et al. (2007)；Ru¨schemeyer et al. (2006)(表2)实验表明：不同的模式(听力或阅读)证实了一语和二语句法加工使用相似的脑区，一语和二语激活区重叠。然而二语句法习得应存在激活脑额区和颞区的交替使用，特别是左前额皮层(额下回，IFG)与学习句法规则相联系。因此，应该在未来研究中更仔细地调查句法语言加工时脑额区和颞区(表2)间交替使用的特性。成年二语学习者习得二语语法不依赖于用于加工本族语的相同大脑结构(额纹状体网络，fronto-striatal network)。[76]随着语言水平的提高，介于本族语和二语学习者之间的最后神经差异会消失。[77]句法复杂性与更高的工作记忆需求相关。语言理解个体差异已表明高-容量者更大的可塑性，在前额区域和纹状体(striatum)易于观察到最大、最一致的可塑效应，调查工作记忆的神经成像研究经常激活这些区域。随着句法复杂性增加，更大程度地运用前额区域和终脑皮层表明了高-容量比低-容量阅读者更有效的句子理解措施。个体可塑性差异与相关信息积极、轻松地转换到皮层加工中心相联系，这种能力对于语言理解以及需要维持和处理信息的其他任务(如，工作记忆容量)都至关重要。为了更好地了解二语句法分析体系与工作记忆的关系，从语言学、神经生理学层面以及构成二语句法习得的脑基础来考虑和调查多重结构微妙之处是十分必要的。

根据Jeong et al. (2007)(表2)、Kim et al. (2002)(表3)实验表明：二语低水平学习者使用右半球更多区域来弥补语言的低水平。语言理解中右半球的功能是什么？此问题一直争论不休，更别说二语研究。因此，对于语言任务，大多数人一致地激活左半球语言区域，而右半球的作用在个体和任务间变化，难以概述。通过使用脑神经设备，涉及二语加工的右半球个体差异将得到系统研究，此类困难和问题会被逐步攻克。

3、根据Weber-Fox et al. (2001)(表1)；Hernandez et al. (2007)(表2)；Rodriguez-Fornells et al. (2002)(表3)实验表明：二语者习得年龄都是早期，可是实验并没有表明前额叶的广泛活动是由于习得年龄还是与二语水平相关的其他因素。对二语儿童的神经认知学测量实验很少。Perani & Abutalebi对涉及语法加工的本族语者和二语者大脑活动进行对比：早期双语者(刚出生者)大脑活动没有差异；晚期二语学习者(六岁后)大脑语言相关区域牵涉更多活动。一语是在关键期的隐性(implicit)习得，而二语通常只能通过正式指导来显性(explicit)习得，因此，加工二语语法知识并不是通过与隐性加工一语语法相关的神经结构，如布罗卡区和基底神经节。[78]Newport提出儿童时期小工作记忆容量的优势，即“越小越多的假设”(“Less is More” hypothesis)，因此，儿童有限的工作记忆容量为语言学习时涉及的成分分析提供了优势。[79]二语儿童学好外语涉及大脑的可塑性和关键期。通过神经认知科学测量技术，可以观测和解决如何在临界期提高工作记忆来提高二语儿童语言水平。