文字阅读的神经元再利用假说：观点、启示和展望

魏大为，许春燕

(1. 兰州交通大学 外国语学院，兰州 730070；2. 兰州城市学院 教育学院，兰州 730070)

一、神经元再利用假说的缘起

与漫长的人类文明进化史相比，人类有文字阅读的历史可以说是微不足道的，只有短短的5400年左右[1]。从神经科学的视角看，人类并没有充足的时间来形成专门的阅读神经回路。唯一进化的是文化，文字本身逐步演化，逐渐适应人脑加工的需要。各个国家和地区的语言文字在形式上千变万化，尤其是拼音文字和非拼音文字之间的差异巨大，但是从抽象的角度来看，这些文字系统都是由简单的形状构成，都依赖于一定的文字符号规则，并且，重要的是所有不同文化来源的文字都依赖于大脑中相似的脑回路尤其与语言区相联系的腹侧视觉系统来进行认知加工[1]。漫长的人类进化史背景下，在较短的时间内，各地区不同的文字系统都发展出来，人类成功地适应了文字阅读这种高度复杂和专门化的认知任务。这种阅读悖论(reading paradox)的背后，是怎样的一种认知神经机制在起作用呢？为解释这一阅读悖论，迪昂基于拼音文字阅读的脑神经科学证据，提出了神经元再利用假说(Neuronal Recycling Hypothesis[1-3])。

二、阅读的神经元再利用理论的主要观点和证据

神经元再利用假说认为：文化产物会侵入到较原始的脑回路当中，通过再回收利用这些回路来进化出新的认知功能，以适应环境和文化的发展[1]。这种神经元的再利用也不是没有条件，新进化而来的神经元通路必须根植于原有的但与新功能具有某种相似功能的通路中，并且具有神经可塑性。同时，新旧认知功能会形成一定的竞争关系。在现代人类进化史上，人类文字阅读能力并非通过进化直接获得，而是在原有的用于面孔识别和视觉物体辨识等功能的脑神经回路的基础上发展而来的，是对这些脑功能区域的再利用，最终形成了对阅读能力具有特异性反应的大脑左侧枕颞叶交接的梭状回中部区域，又称为视觉词形区(visual word form area,VWFA)[4-5]。具体来讲，这一阅读的神经元再利用理论主要有以下几个观点[6]。

1. 阅读能力的神经基础是在原有用于面孔识别的神经结构上发展而来，两者具有较大的相似性

文化习得的神经基础来自于之前存在的神经通路。阅读的神经通路基础是负责物体识别的一般视觉通路，而这种神经结构普遍存在于所有的灵长类动物中[1]。通过比较英语真字、假字和面孔，Nestor等[7]利用功能性核磁共振技术(fMRI)发现假字和面孔识别都激活了相似的腹侧皮质，而真字相对假字在同样的腹侧区域有较广泛的激活。Harris等人[8]通过对比了英文词汇和面孔激活脑区的异同发现，在梭状回面孔区(Fusiform Face Area,FFA)区域，两种刺激既有自己独特的激活点，又有共同的激活点。这两项代表性的研究都说明文字阅读和面孔识别的神经表征具有相似之处。对10名6岁儿童在上学前后进行的追踪研究也表明阅读经验获得之后，原先对面孔等视觉物体敏感的脑区也对文字阅读出现激活反应[9]。事件相关脑电位(ERP)研究也发现被试在学习汉字后，相比面孔，汉字诱发了更大的N170波幅(该成分是成年熟练阅读者加工视觉词汇过程中，视觉词汇呈现后150～250 ms会诱发的一个早期负波)，可能表明汉字阅读占用了部分面孔识别脑神经资源[10-11]。这些研究都表明，用于文字识别的神经通路是在原有视觉通路的而基础上发展而来的。

2. 腹侧视觉通路为文字阅读提供了先天的物质基础，但同时又制约了不同书写系统中文字阅读映射到该通路的变化范围

“文化并不像社会科学家所津津乐道的那样广泛，具有无限的多样性与随意的创新性。大脑结构的特点会不断限制着文化的结构体系。人类的创新能力并不是无穷无尽的，而是被神经结构所限制。人类文化之所以有多种多样的形式，是因为人类对有限的基本文化特质进行不同的选择性组合，才形成了大量不同的文化形式”[1]。没有文字阅读经验的儿童或成人在日文、汉语和英语的短时间训练之后，视觉词形区都得到了激活[12-14]。Changizi等[15]对比了几类不同的视觉符号标识(非语言符号、汉字等)，发现人脑腹侧视觉通路先天对自然界基本的视觉线条轮廓敏感，促使其能够更好地辨识字母符号。从脑神经连接模式的角度来看，没有英文文字阅读经验时的腹侧视觉通路的神经连接模式能够准确预测经过阅读教育后英语儿童的词汇激活区域。

与英文等拼音文字相比，汉字空间结构更复杂，同时又不具有形音转换规则(Grapheme-Phoneme Conversion,GPC),学习者需要经过扎实的训练才能建立字形和语音间的联系，另外，汉语有声调信息。这些语言本身的特征使得汉语的视觉词形区具有双侧特征[16]。 Bolger等[17]针对不同文字阅读加工的神经影像数据进行了元分析，包括25项英文和其它字母语言的研究，5项汉字阅读的研究，5项日文假名音节阅读研究和4项日本汉字阅读的研究。元分析结果发现，虽然书写系统不同，但大脑在加工时利用的主要神经网络是相似的，尤其在视觉词形区的激活出现了惊人的一致，并且这种一致性并未受到任务类型的影响。

汉字已有五千多年的历史，是全球使用时间最长且没有出现断层的文字。与汉字相比，韩文是一种比较年轻的文字，迄今只有600年不到的历史。汉字是典型的表意文字，韩文虽然有类似汉字的字形，但却是一种表音文字。那么韩文阅读所运用的视觉词形区是否和汉语激活的视觉词形区不同？为了回答这个问题，Bai等人[18]研究了早期熟练汉-韩双语者在加工汉字、韩文字、线条图形和面孔上时的脑激活差异。他们发现每个实验被试在处理汉字和韩文字时视觉词形区都得到了激活，而且它们在激活峰值点上也高度相似；在组间层面，激活强度和体素空间模式上也不存在差异。这项研究表明早期熟练双语者在处理两种不同体系的文字(表意和表音)时参与的视觉词形区“几乎相同”，可能说明视觉词形区的激活可能更多地与阅读水平非具体的文字类型有关。

综上，尽管英文、汉字、韩文、日文隶属于不同的书写系统，存在较大的差异，但是这些文字激活的视觉词形区区域都非常接近，具有一定的跨文化的恒常性。

3. 左侧枕、颞交界处的梭状回区域原先承载的面孔识别功能与新侵入的文字阅读功能会出现此消彼长的竞争关系，并且后者会对前者产生一定的干扰作用

Dehaene等[19]发现，与文盲相比，识字被试的视觉词形区对于文字的激活有了显著增强，同时，随着读写能力的提高，视觉词形区相对于面孔材料出现了少量且有统计意义的激活下降。Cantlon等[20]也发现4岁儿童识别数字或字母的能力与面孔在FFA区域的激活强度呈反比关系。

视觉词形区的激活与N170相关。与无意义符号相比，真字词在左侧颞枕区会诱发更大的N170，并且这种效应在不同书写系统中普遍存在[21-24]。罗文波等人[10-11]通过设计文字和面孔识别的单侧探测任务也发现了面孔识别和文字阅读任务相关的N170波幅的竞争关系。

新进化的文字阅读功能依存并发展自原有的脑认知功能，两者具有一定的相似性，相互之间也就具有一定的干扰，会对脑的一般认知功能产生某种程度的影响。有研究发现识字能力能够使得面孔识别在FFA上的激活模式更加右侧化。

但也有研究发现，上述的影响作用是有限的。迪昂等人利用核磁功能成像技术深入对比了不同受教育程度的人群对于面孔、棋盘格、真字和假字等不同实验刺激材料的脑激活模式[19]。研究发现，视觉词形区在文盲被试中的激活程度最弱，而随着文化程度的提高，该区域对于书面字词的反应强度在增加，对于面孔和棋盘格的反应在减弱；在背侧枕叶皮质区域，字词和棋盘格的脑激活情况非常接近。由此可见，文字阅读能力的习得会影响被试先天的视觉加工系统，但是这种影响又是有限的，并未改变视觉词形区对于面孔和房屋等视觉物体的加工偏好，文字阅读能力的提高反而是促进了该区域向精细化和多功能化的方向发展。

三、神经元再利用假说对阅读教育的启示意义

阅读的神经元再利用假说在大量认知神经科学实验证据的基础上提出人类文字阅读能力的进化不是基因遗传的结果，而是对现有的支持视觉等感知能力神经元系统的充分利用。这一假说一定程度上破解了人类阅读之谜，而且为人类其它文化形式的发生发展提供了理论支点，加深了我们对人类文明进化的理解，并为教育工作者基于这一进化规律进行阅读教育提供了理论依据。

从前文讨论来看，阅读作为现代社会人类生活、工作和交际必须具备的基本能力，其实蕴含着复杂的认知加工过程。读者通过视觉接受字词形状的输入，通过神经通路投射到视觉词形区进行初步的视觉识别加工，然后到其它语言区域以通达语义信息，其中语音信息也在此过程中起着重要的作用。由此可见，语义通达是以视觉词形区的字形加工为基础的，对字词的视觉识别是语义通达之前必须要完成的工作。关于语义的通达和提取，学界主要有两个理论模型来解释其中的认知加工过程，一个是双通道模型，一个是平行分布模型。前者综合了语音中介理论(语音在词形到词义提取过程中起着中介的作用)和直通理论(词形识别后直接激活语义信息，语音不起中介作用)，认为这两条通路并存，具体由阅读的材料(词汇)、读者的阅读水平以及阅读的任务难度等来决定。平行分布模型摒弃了双通道模型的词汇和亚词汇的层级结构，词形、语音和语义等信息采用了代码的形式分布表征，它们之间以隐形单元为中介，词汇识别是由各代码连接的权重来决定。尽管这两个理论在解释具体的阅读过程上不同，但是一个重要的相同点是阅读是词形、语音和语义的对应，建立三者之间稳固的映射联结是阅读能力的重要基础。由此可见，在阅读教育中，教师需要帮助学生不断固化三者之间的关联，促进学生认识到建立这种关联的重要性，例如教师可以设计直接的记诵任务或者小游戏等来促进学生记忆，提高认知字词的熟练程度。同时，加强阅读量也是提高阅读水平的必经之路，这使得读者对形音义的加工更加熟练和快速。

除正常儿童的阅读教育外，阅读的神经元再利用假说对阅读障碍也有一定的指导意义。这一假说突出了视觉通路在阅读中的基础地位，左侧枕颞叶交接的梭状回区域专司处理一般视觉感知，但它在语言文字的视觉输入加工中也发挥着重要的支持作用。在阅读能力习得的过程中，存在一定比例的儿童，他们虽无神经或器质性损伤，但是阅读成绩明显低于相应年龄的应有水平，处于阅读困难的状态，对正常学业、心理和行为等造成很大影响，属(发展性)阅读障碍儿童[25]。在我国大陆地区，据统计阅读障碍儿童的比例约占儿童总数的10%左右，考虑到我国儿童人口基数较大的国情，我国阅读障碍儿童的数量相当庞大。可以说，阅读障碍若得不到充分的研究和干预，最终会影响我国基础教育的公平和质量以及整个社会的文明进步。有大量研究发现，我国汉语阅读障碍儿童存在语言相关的技能缺陷例如对语音单元的感知和操作能力的缺陷，对字形的正字法规则的运用缺陷，语素意识缺陷等[26]。然而这些语言技能的缺陷可能是由于一般的视觉障碍造成的，具有代表性的是视觉大细胞障碍理论[27]。因汉字是典型的视觉文字，因而对视觉特征的分析能力会在汉语阅读中起到很大的作用，这也获得研究证实[28-29]。在汉语阅读障碍群体中，人们发现该群体较普遍地存在视觉字形加工。发表于Nature与PNAS上两项fMRI研究都发现，汉语阅读障碍儿童在加工汉字时在左侧前额中部沟回(left middle frontal gyrus,LMFG)出现激活水平降低，这与西文阅读障碍者是在左侧后颞叶区出现激活水平降低的现象形成对比[30-31]。作者认为，因LMFG主要的功能在于加工视觉空间信息和语言信息，此区域的激活异常可能导致了阅读障碍儿童在汉字字形加工和形音连结上出现困难，提示一般视觉加工缺陷可能是汉语阅读障碍的成因。Wang等(2010)设计了ERP实验，在汉语阅读障碍儿童中检验视觉大细胞障碍假说[29]。他们以视觉失匹配负波(mismatch negativity,MMN)为指标，比较了阅读障碍组、年龄匹配正常组和阅读能力匹配组等三组儿童的MMN波幅大小。MMN是在经典的Oddball实验范式下,偏差刺激减去标准刺激后的负性差异波,潜伏期在100～400 ms之间。因可以在非注意情况下比较稳定地获得这种差异波，所以MMN成分一般被认为是自动化加工的神经标识，并广泛应用在听觉科学和语言研究方面[32]。Wang等(2010)发现在视觉大细胞刺激条件下，阅读障碍组要比后两组的视觉MMN波幅显著降低；但是三组被试在听觉MMN上却无差异。此结果说明，汉语阅读障碍儿童可能存在一般视觉加工缺陷。在一项视觉缺陷干预研究中[33]，研究者通过训练汉语阅读障碍儿童的视觉感知能力来推测儿童阅读障碍的成因，结果发现，与未训练的阅读障碍儿童相比，阅读障碍儿童的语音意识和视觉大细胞通路功能得到提升，达到了同龄正常儿童的水平。这一干预研究表明，一般视觉感知能力在阅读中具有关键作用，对汉语阅读障碍儿童一般视觉能力的训练有利于提升他们的阅读能力。

以上我们发现，神经元再利用假说对正常的阅读教育和阅读障碍的诊治具有重要的启示意义。但该假说也具有一定的不足，需要我们不断地研究和完善。

四、对神经元再利用假说的展望

首先，视觉词形区是神经元再利用假说的核心概念，围绕该脑区进行的实证研究也比较多，但它是否具有跨文化恒常性的问题仍有争议，需要进一步探讨背后的原因和机理。虽然汉-韩熟练双语者的研究得出视觉词形区的激活高度一致的观点[18]，但是Xu等人[34]认为这可能与采用的分析方法有关[35]，也有可能是因为汉字和韩文字具有相似的字形，导致在加工字形时出现的视觉词形区激活非常相似。Xu等人(2017)比较了汉语-英语双语者在一项内隐词汇比较任务中发现，两种语言在左侧FFA区域有相似的激活区域，但不同的激活区域也是明显的。视觉词形区跨文化的恒常性的问题可能是一个相对而非绝对的问题，语言之间字形的差异、实验任务、被试的语言史等都有可能对实验结论产生影响。一个可能的实验方案是在汉、日、英多语者当中比较他们对不同表音和表意文字如汉字、英文单词、日本汉字和日语假名在实验任务(字形，字义)中视觉词形区的激活情况。其次，阅读的神经元再利用假说认为后天阅读经验的获得是对原先用于面孔加工的梭状回区域的再利用，会使得面孔识别的神经通路发生改变。目前对该观点也很有争议[6,36-38]。为了检验这个观点，我们可以利用fMRI追踪儿童在习得阅读经验前后对文字和面孔、房屋和一般线条组合等不同视觉刺激范畴的反应,同时，也可以利用ERP技术高时间分辨率的优势，追踪儿童在这些视觉刺激加工中峰值潜伏期的变化。阅读经验的获得是否会使得面孔加工的N170潜伏期延长？结合脑神经联结分析方法，还可以探讨阅读前后，儿童大脑在处理面孔和文字等刺激上的不同的脑连接模式。另外，众多文化产物都受到人脑认知神经结构的规约，文字阅读只不过是其中之一。神经元再利用假说还可以延伸到解释其他人类文化活动中[1]。这一假说为我们提供了一个理论框架，能够帮助我们理解神经结构是如何制约人类文化的发展范围的。可以预见，一些人类特有的文化产物如宗教信仰、文艺审美、音乐欣赏等可能与脑的诸多功能相联系。相信教育神经科学的研究会拓展到各种各样的文化行为中，并揭示这些文化行为的认知神经机制，以期为神经元再利用假说找到坚实的研究证据。

综上所述，阅读的神经元再利用假说提出人类能够在现有用于视觉和人脸识别的神经通路的基础上发展出文字阅读能力，以适应人类文化的发展。这一进化出来的阅读能力与原有的认知功能产生竞争并存在一定的干扰作用，可以说也是神经元再利用和人脑可塑性的证据。该假说对文字阅读教育和阅读障碍人群的矫正治疗具有重要的启示意义。