汉字位置信息加工的脑电变化进程 *

2019-06-15李昱霖

心理与行为研究 2019年3期

李昱霖杨帆王琳隋雪

(1 辽宁师范大学心理学院,儿童青少年健康人格评定与培养协同创新中心，大连 116029) (2 大连外国语大学国际关系学院，大连 116044)

1 引言

视觉词汇识别包含一系列阶段：字符外形特征编码、字符身份信息和位置信息的识别、字符语音信息解码、字符语义激活、词汇通达等。字符身份信息编码和字符位置信息编码非常重要。前者确定组成词汇的字符有哪些，后者确定这些字符所处的位置。字符位置编码出现问题，会导致很难区分相同字符组成的不同的词（真词或者假词），如“trial”和“trail”。字符身份编码出现问题，会导致相似词汇区分困难，例如“weed”与“weep”。拼音文字研究表明，单词内部相邻两个字母的位置互换影响词汇识别（Johnson &Dunne, 2012），但是，与词汇中个别字母被替换形成的假词相比，词汇中相邻字母位置互换形成的假词更像原词。这种经由换位操作而形成的假词更容易同其原词混淆的现象，被称为字母换位效应（transposed-letter effect, TL effect），简称换位效应（Bruner & O'Dowd, 1958; Duñabeitia, Perea, &Carreiras, 2014; Rayner & Liversedge, 2011）。换位效应表明在词汇编码过程中，字母身份信息对词汇识别的影响比位置信息大。但字符位置信息编码同样重要，它决定最后的词汇通达是否正确（Winskel & Perea, 2013）。

有研究（Carreiras, Vergara, & Perea, 2007）用ERP（event related potential）考察换位效应产生的机制。实验材料为，互换单词内部非相邻的元音音素或者辅音音素形成的假词（如revolution 中的“v、l”互换形成的假词relovution）（换位假词），替换相应的音素形成的假词（替换假词）以及原词。记录被试识别词汇的脑电，结果发现，在3 0 0-5 0 0 m s 时程内，替换假词诱发的N400 的波幅大于换位假词和原词诱发的N400 波幅。换位假词和原词诱发的N400 波幅没有差异。在5 0 0-6 5 0 m s 时程内，换位假词诱发的晚期N400 的波幅大于替换假词和原词诱发的波幅。研究者推测，在300-500 ms 时间段被试将换位假词感知成了真词，因此二者诱发的N400 波幅没有显著差异；而被试感知到替换假词不同于真词，所以诱发的N400 波幅较大。但是到了500-650 ms的时间段，换位假词与原词的差异被识别，换位假词诱发的N400 波幅大于替换假词诱发的N400的情况。该研究还发现换位辅音假词（仅换位单词内部两辅音音素）和换位元音假词（仅换位单词内部两元音音素）二者诱发的脑电存在电极间的差异，前者诱发的波幅出现在前部和中央的电极上，而后者诱发的波幅出现在中央和后部电极上。后续研究（Carreiras, Vergara, & Perea, 2009）发现，元音音素换位形成的假词同元音音素替换形成的假词诱发的脑电，在150-250 ms 时程内，以及300-500 ms 时程内，都有显著差异。但换位辅音形成的假词与辅音替换形成的假词的差异仅在300-500 ms 时程内显现，且换位辅音到达波峰的时间早于替换辅音。研究者（Duñabeitia,Dimitropoulou, Grainger, Hernández, & Carreiras, 2012）用字母、数字、符号等作为实验材料研究发现，字母串的换位效应在N1、N2、P3 三个ERP 成分均有所显现，但数字串和符号串仅在P3 成分有所显现。这说明字母、字符的位置编码机制不同于数字和符号。也有对字母、符号、数字、假字符串、音符，及单词音素（元音和辅音）等材料的换位效应的研究（Beyersmann, McCormick, & Rastle,2013; Martin & Altarriba, 2016）。也有研究（Blythe,Johnson, Liversedge, & Rayner, 2014）考虑到换位效应的研究语境与现实语境之间存在差异，因此对两者进行匹配。结果发现，单独词汇呈现的条件下，间隔字母换位的反应准确性特别差。而在有意义的现实语境下，字母位置编码的灵活性开始显现，被试较难察觉出词汇位置信息的改变。

以上研究大部分是拼音文字的研究，相对来说，对汉语词汇的换位研究不多。比较早的类似研究是彭聃龄等人（彭聃龄, 丁国盛, 王春茂, Taft,朱晓平, 1999）对双字逆序词的研究。也有一些不同于拼音文字的研究值得借鉴，如韩语的相关研究（Lee, Kwon, Kim, & Rastle, 2015）。

启动范式被用来研究词汇的相关程度。不同启动项（如: 羊、阳、美、牛、安）先呈现，然后呈现目标项（如: 羊），记录被试对目标项的反应时。无关启动（安）条件下，反应时最长，其他条件下，反应时不同程度地缩短，启动效应不同。采用启动范式研究换位效应发现，当启动刺激呈现时间为80 ms，且启动刺激同目标刺激在语义上相关的时候，字母换位形成的假词能够产生一个显著的启动效应，而替换假词没有产生启动效应（Perea & Lupker, 2003）。当把启动刺激呈现时间延长至200 ms，换位假词仍然产生显著的启动效应（Perea, Palti, & Gomez, 2012）。本研究也采用启动范式，考察汉语词汇中汉字位置信息和身份信息加工的脑电反应。以汉语四字词为实验材料，实验一的启动时间为80 ms，考察在启动项呈现时间较短的情况下，换位假词与替换假词是否与原词反应一致。实验二的启动时间延长至200 ms，考察在启动项呈现时间较长的情况下，换位假词与替换假词的启动效应是否与原词一样。本研究假设：在启动项呈现时间较短的情况下，换位假词和替换假词启动效果接近，不同时间段的脑电变化没有差异。因为当启动刺激呈现较短时，被试来不及觉察启动词的身份信息和位置信息的改变，两种假词启动对目标刺激的语义激活效果与真词相同。而在启动项呈现时间较长的情况下，两种假词启动对目标刺激的语义激活效果与真词不同，替换假词与换位假词启动诱发了不同的脑电改变，身份信息先于位置信息起作用。

2 实验一短时启动条件下汉字信息的编码

2.1 被试

共21 名大学生参加本实验，其中男生10 人，女生11 人。平均年龄 24.78 岁（SD=1.17），所有被试母语为汉语，都为右利手，没有神经系统症状和精神障碍的病史，视力或矫正视力正常。实验结束后会得到20 元的报酬。

2.2 实验设计

采用单因素被试内实验设计，自变量为启动类型，包含3 个水平：真词启动、换位假词启动（换位启动）和替换假词启动（替换启动）。

2.3 实验材料

从汉语词典中（中国社会科学院语言研究所词典编辑室，2012）选取四字词，由不参加正式实验的30 名大学生进行熟悉度10 点评定，1 代表最不熟悉，10 代表最熟悉，评定结果，M=6.70，SD=0.60，属于高熟悉度词语；另外，进行了启动词与目标词相似度10 点评定，1 代表相似度最低，10 代表相似度最高，评定结果，M=5.77，SD=0.65，符合实验要求。词平均总笔画数为，M=30，SD=6.72。最终选出100 对同义词对，如沉鱼落雁—闭月羞花，启动词已标记加粗。在实验中，对启动词进行材料处理，同一个目标词，有3 种启动方式：（1）真词启动，如沉鱼落雁—闭月羞花；（2）换位假词启动，如沉落鱼雁— 闭月羞花；（3）替换假词启动，沉武落雁—闭月羞花（替换假词中的第二字与被替换的原词中的第二字笔画相同，如“武”和“鱼”都是8 画）。对于被试，在实验中每个目标词，只能遇见上述3 种启动方式中的1 种启动，即如果被试遇见“沉鱼落雁—闭月羞花”，那么他就不会再遇见其他2 种条件，最后完成对目标词真假判断。本实验采用被试内材料间的实验设计，给被试呈现所有同义词对，但相同实验材料的不同处理水平不会重复呈现。实验任务为真假词判断，另选100 个真词和100 个假词作为填充材料，增加两种无关的启动方式作为填充任务：（1）真词启动假词目标，如“过河拆桥”-“蓝站拿故”；（2）假词启动假词目标，如“确毛细共”-“穿时易游”（所有构成假词的四个字，均从汉语高频1000 字中选取（山石, 2001）。即每名被试需要对共计300 对词进行真假词判断。

2.4 实验程序

采用启动范式，考察前面呈现的启动项对后面的目标项的影响。实验在心理学脑电实验室完成，严格控制噪音等额外因素。实验刺激均在高分辨率的CRT 显示屏（刷新率60 Hz）上利用EPrime 软件呈现。被试眼睛距离屏幕70 cm。每个trial 包含顺序呈现的4 个事件，（1）屏幕中央呈现一个注视点（+），呈现时间为500 ms；（2）启动项取代注视点，呈现时间为80 ms，宋体，字号为24；（3）启动项消失后，掩蔽项“####”出现，呈现时间为40 ms；（4）目标项出现，字体为黑色宋体，字号大小为24，持续呈现直至被试判断出目标词的真假，做出按键反应，下一轮trial 开始。实验过程中，要求被试尽量不要出现除了按键以外多余的动作，双手平放在反应盒上，保持左右手的平衡。正式实验开始前，有20 个练习trial。实验流程见图1。

2.5 数据记录与分析

实验使用Brain Product 脑电记录系统，双侧耳后左右乳突为参考电极，使用电极数为64 导的脑电帽记录EEG，同时记录眼电。记录时每一个电极的电阻保持在5 KΩ 以下，采样率为500 Hz。离线分析实验所记录的目标词数据，分析时长为1000 毫秒，并以刺激前200 毫秒为基线，自动矫正眨眼、肌肉运动等伪迹。参考前人的研究，本研究在头皮地形图中选取了六个兴趣区：左前（F3, F1, FC3, FC1），右前（F2, F4, FC2, FC4），左中（C3, C1, CP3, CP1），右中（C2, C4, CP2,CP4），左后（P3, P1, PO3），右后（P2, P4,PO4）。统计分析两个时间窗口：150 ms-250 ms，250 ms-550 ms。对每个时间窗口的ERP 平均波幅进行3（启动类型：真词，换位假词，替换假词）×2（半球: 左, 右）×3（电极位置: 前, 中, 后）重复测量方差分析，并对数据值用 Geisser 和Greenhouse 进行p 值矫正。有3 个被试因伪迹太多，数据被剔除。

2.6 结果与讨论

2.6.1 行为学数据

启动类型主效应不显著，F（2,40）=2.234, p＞0.05, η2=0.242。没有发现不同启动条件之间的差异。

2.6.2 ERP 数据

参考Carreiras 等人（Carreiras et al., 2009）的实验研究选取了两个时间窗口进行分析：150 ～ 250 ms和250 ～ 550 ms。

（1）150 ～ 250 ms 时间窗口

在这个时间段里，没有发现不同启动条件间的显著差异。

（2）250 ～ 550 ms 时间窗口

在这个时间窗，对平均波幅进行方差分析，结果发现，启动类型主效应不显著，F（2,36）=2.36，p＞0.05，η2=0.11；半球主效应显著，F（1,18）=6.37，p=0.021，η2=0.26；电极位置主效应边缘显著，F（2,36）=3.11，p=0.084, η2=0.15。启动类型和半球交互作用显著，F（2,36）=21.88，p＜0.001，η2=0.55。简单效应检验表明：仅在右半球上，真词启动、换位启动与替换假词启动差异显著。

从实验一的结果可以看出，当启动刺激呈现时间为80 ms 的时候，在150-250 ms 时间窗内，启动类型没有显著的效应，说明在这段时间内，换位假词和替换假词与真词的作用基本相同，也就是说被试可能没有感觉到汉字位置被调换或者某个汉字被替换，其作用跟真词没有不同。在250 ms-550 ms 时间窗内，启动类型主效应也不显著，说明在这个时间段，换位假词、替换假词同真词启动的差异还没有表现出来。实验发现的半球和启动效应存在交互作用，在右半球上，真词启动、换位启动都与替换启动差异显著。可能是因为大脑右半球在这个时间段已经开始对字符身份信息进行编码，替换假词启动项呈现时，替换信息开始被右脑探测到，对目标词启动效果有所下降。而字符位置信息的差异在右半球上还没有体现出来，所以换位启动与替换启动差异不显著，造成最终的结果为启动类型主效应不显著，而右半球上，真词启动和换位启动与替换启动差异显著。这一结果说明，当启动刺激呈现时间较短时，字符位置信息的差异没有被反映出来，换位假词被当做原词进行加工。字符身份信息已经开始进行编码，但是处在编码的早期阶段，尚未完全发挥作用。

3 实验二长时启动条件下汉字信息的编码

3.1 被试

18 名大学生参加实验（平均年龄23.56, 标准差1.65），男女各半，实验完毕给予20 元报酬。所有被试母语均为汉语，均为右利手，没有神经系统症状和精神障碍的病史，视力或矫正视力正常。所有被试均自愿签署“实验知情同意书”。

3.2 实验设计

设计同实验一。

3.3 实验材料

同实验一的材料。

3.4 实验程序

实验程序基本与实验一相同，只是在启动刺激呈现时间方面作以改动，由原来的80 毫秒延长为200 毫秒。实验流程见图3。

3.5 数据记录与分析

脑电数据的记录与分析同实验一，其中有两个人的数据伪迹太多，被剔除。

3.6 结果与讨论

3.6.1 行为学数据

启动类型主效应显著，F（2,34）=83.083，p＜0.001，η2=0.83。事后检验表明真词启动同替换假词启动差异显著，p＜0.01，换位假词启动同替换假词启动差异显著，p＜0.01。

3.6.2 ERP 数据

依然分析两个时间窗口的脑电数据变化。

（1）150-250 毫秒时间窗口

在这个时间窗，对平均波幅进行方差分析，结果发现，启动类型主效应显著，F（2,32）=13.17，p＜0.001，η2=0.45。电极位置主效应显著，F（2,32）=4.54，p= 0.038，η2=0.22。事后检验表明，真词启动、换位启动都与替换启动所诱发的波幅差异显著，即替换启动产生的平均波幅比换位启动和真词启动产生的平均波幅更大，没有发现变量间的交互作用。

（2）250-550 毫秒时间窗口

在这个时间窗，对平均波幅进行方差分析，结果发现，启动类型主效应显著，F（2,32）=7.86，p=0.002，η2=0.33；半球主效应显著，F（2,32）=4.50，p=0.05，η2=0.22。事后检验表明，真词启动、换位启动都与替换启动所诱发的平均波幅差异显著，替换启动产生更大波幅的N400 效应。启动类型和半球的交互作用显著，简单效应检验表明，在左半球上，真词启动同替换启动边缘显著，F（2,15）= 1.6，p=0.088，而换位假词同替换假词相比不显著；但是在右半球，真词启动、换位启动都与替换启动差异显著。启动类型和电极位置的交互作用显著，F（2,32）=8.09，p=0.001，η2=0.34，具体表现在中央、后部电极位置，真词启动、换位启动都与替换启动差异显著。启动类型，半球和电极位置三者交互作用显著，F（4,64）=4.74，p= 0.002，η2=0.23。简单-简单效应检验表明，在左脑的后部电极，真词启动、换位启动都与替换启动差异显著。而在右脑的中部电极和后部电极上，真词启动、换位启动都与替换启动差异显著。

实验结果表明，当启动刺激呈现时间延长至200 ms 时，两个时间窗内启动类型主效应都显著，真词启动、换位启动都与替换启动差异显著。当启动刺激呈现时间较长时，换位假词依然可以发挥同原词一样的作用，同样促进了与其原词在语义或联想上相关目标词的加工，而替换假词与原词的差异被探测到，对目标词的激活能力下降，因为在对目标词加工的时候同换位假词和真词已经有所区分。此时字符身份信息的编码已经开始发挥作用，但是字符位置信息的编码还没有体现出来，因此，换位假词仍然可以起到原词一样的激活效果。与此同时替换假词已经被识别出来，导致真词启动和换位启动都与替换启动差异显著。由此，也看出换位效应此时是依旧存在的。

4 讨论

本研究以汉语四字词为实验材料，采用掩蔽启动范式并结合ERP 技术，考察了四字词的换位效应及汉字身份信息和位置信息编码的差异。结果表明，当启动时间较短时，换位假词、替换假词与原词启动作用一样。当启动时间较长时，换位假词依然具有原词启动一样的作用，而替换假词与原词作用出现差异。说明此时对汉字身份信息的识别已经开始，而对汉字位置信息的识别还没有表现出来。在使用ERP 技术来探讨换位效应的实验中，很多研究采用的是相同-不同任务（same-different）的知觉启动范式。尽管与本研究所用范式不同，但是在相似的ERP 成分上都得到了相似的结果。研究发现，双字词呈现之后200 ms左右，在大脑额部、中区和顶部，一个负走向的波分布较为广泛，并把它定义为：顶中区N200。研究者认为N200 波反应了词形的加工，与拼音文字相比，汉字的神经加工机制更倾向并注重于视觉加工（张学新等, 2012）。另一个与言语认知密切相关的脑电成分就是N400，众所周知N400 同词汇语义加工有关（Vergara-Martínez, Perea, Gómez, &Swaab, 2013; Rueschemeyer, Gardner, & Stoner,2015）。此外本研究在N200 和N400 两个脑电成分上都发现了启动类型和半球的交互作用显著，在赵思敏等人（赵思敏, 吴岩, 李天虹, 郭庆童，2017）的研究中也得到了相似的结论。

在实验一中，行为数据结果和ERP 数据结果都发现启动类型主效应不显著，说明在启动时间很短的条件下，不同条件的启动刺激对目标刺激的语义激活程度相同。而仅在大脑右半球上，真词启动、换位启动与替换假词启动差异显著。这一结果表明，大脑对四字词的身份信息和位置信息编码尚未开始或者刚刚开始，但未在行为表现上有所体现。而在实验二中，150-250 毫秒时间窗口和250-550 毫秒时间窗口，行为学和ERP 数据结果启动类型主效应都显著，说明此时对四字词的身份信息和位置信息编码已经开始，身份信息的改变导致启动刺激对目标刺激的语义激活与真词启动的语义激活有所不同，从而激发了更大波幅的N400 效应。而换位假词的启动仍在一定程度上保持着同真词启动一样的语义激活水平，而与替换假词的启动产生差异。也就是说，在四字词的词汇识别过程中，最开始是对四字词的整体进行加工，此时被试并没有察觉到身份信息和位置信息的改变，所以三种条件四字词的启动刺激都对目标刺激产生语义激活。而当呈现时间延长后，被试开始对四字词进行更深入的加工，身份信息和位置信息编码开始起作用，并且身份信息的编码对词汇结构的影响更大，导致了两种假词启动刺激产生了不同幅度的N400 波。

这一结果同样支持了开放—二元编码模型，离散型的开放—二元编码机制认为字符串是由其包含的一系列有序的字母对编码的，并且形成的字母对之间间隔字母不得多于两个（Grainger &van Heuven, 2003）。而连续型的开放—二元编码模型（sequential encoding regulated by inputs to oscillations within letter units, SERIOL 模型）即考虑到字母的连续性对词汇的激活，又考虑到字母对中字母的位置对词汇的激活（Whitney, 2001;Whitney & Berndt, 1999）。两种模型都明确支持了身份信息的改变对原词结构的破环程度高于位置信息的改变的破环程度，即身份信息的改变对词汇加工影响更大。

但是此研究结果与Perea 等人（Perea & Lupker,2003）的研究结果有一定出入，主要体现在短时启动条件下，掩蔽启动刺激为替换假词时，是否能够对目标词产生不受抑制的自动激活。Perea 等人的研究认为，字母换位形成的假词能够产生一个显著的语义启动效应，而替换假词没有产生这种效应。本研究结果表明，当启动刺激呈现时间较短且被掩蔽的时候，换位假词和替换假词都能够发挥出其原词的作用激活其原词，也就是说在启动时间较短时两者对同义目标词的启动效应没有显著差异。这样结果可能的原因是，在启动刺激呈现时间较短的时候，字符位置信息和字符身份信息的编码均未得到有效发挥，开始被试没有感觉到汉字位置被调换或者某个汉字被替换，所以其作用跟真词没有不同。然后ERP 数据显示被试在认知加工过程中有所察觉，但行为反应尚未来得及表现出来。最终导致本研究结果在短时启动刺激呈现时与Perea 等人的行为实验结果有所差异。而当启动刺激呈现时间较长时，研究结果与Perea 等人的行为实验结果相一致，即换位假词仍然能够激活其原词，而替换假词此时已经被识别出并归类到假词，所以对其原词的同义目标词的加工便没有了促进作用，但此时换位假词仍然在一定程度上激活了真词。

综上所述，研究结果发现在启动刺激呈现时间为80 ms 的时候，对字符位置信息和字符身份信息的编码均未得到有效发挥，替换和换位两种掩蔽启动刺激均能激活目标词。而当启动刺激呈现时间为200 ms 时，字符身份信息已经得到加工，而对字符位置信息的加工似乎依然没有展开，换位掩蔽启动刺激仍然产生显著的启动效应，而替换掩蔽启动刺激则没有启动效应了。研究结果表明在视觉词汇识别早期阶段，字符内部身份信息的编码要早于位置信息的编码。