远距离结构的学习及其神经机制*

姜 珊 郭秀艳 凌晓丽 郑 丽

（1.华东师范大学心理与认知科学学院，上海 200062；2.上海政法学院政府管理学院，上海 201701；3.复旦大学老龄研究院，上海 200433；4.山东师范大学心理学院，济南 250358）

1 远距离结构的概述

远距离结构是一种相邻元素之间没有顺序限制，多个元素在时间或空间上间隔一定距离的结构，这一结构广泛存在于自然语言（Wilson et al.，2018）、音乐、生物运动等人类生活的诸多领域。例如，英语中助动词和词素之间存在远距离的对应关系（is walking；has walked）、定语从句中包含复杂的层级嵌套结构｛The boy [the girl（the woman admires）loves]likes the dog｝；汉语中诗歌、对联中包含远距离的平仄层级结构（平平仄仄平——仄仄平平仄）等。音乐领域中不同的音乐形式（如西方古典音乐、爵士 乐 等，Cheung，Meyer，Friederici，&Koelsch，2018）都存在与自然语言语法结构极为相似的远距离结构（Lerdahl & Jackendoff，1983；Rohrmeier，Zuidema，Wiggins&Scharff，2015）。而在生物运动领域，也存在一些动作上的远距离层级结构以及远距离对称关系（Dienes，Kuhn，Guo，& Jones，2012；Zhang et al.，2020）。

在不同领域的远距离结构中，语言领域的远距离结构尤其受到了研究者的关注。早在1957 年，乔姆斯基提出了对语言学、数学、计算机科学及人工智能领域产生了重大影响的句法层级结构理论，在这一理论中，他阐明了远距离结构在自然语言句法领域的重要地位（Chomsky，1957）。乔姆斯基按照生成能力和复杂程度将句法结构分成限定状态语法（finite state grammar）和超越限定状态的短语结构语法（phrase structure grammar）。限定状态语法包含有限数量的“状态”（例如，单词），以及这些状态之间的转换概率，前一个“状态”与后一个“状态”存在限定的依赖关系，是一种简单的相邻语法结构。例如，在自然语言中，相邻单词之间存在简单的依赖关系，构成短语（“The dog”“on the sidewalk”“near the tree”）；相邻的短语之间存在依赖关系，构成句子［The dog（on the sidewalk）（near the tree）］。然而，人类语言具备无限生成能力，限定状态语法过于简单，不足以描述人类语言的复杂结构，语言的使用需要掌握超越限定状态的短语结构语法。短语结构语法是人类语言的重要组成部分，具备强大的生成能力，能将一串句子嵌入到另外一串句子中（例如，定语从句中包含的句子嵌套），生成更为复杂的远距离句法结构（李菲菲，乔福强，& 郭秀艳，2013；Fitch &Hauser，2004）。

在人类语言获得过程中，加工远距离句法结构的能力是理解和构建复杂句法结构的基础，是学习和驾驭语言的重要前提。近期的跨物种研究发现，人类和灵长类动物（如猴子、类人猿）都具备对远距离结构的敏感性，表明加工远距离结构的能力在人类语言出现的4000 万年前就已具备，是一种重要的祖先特征（Watson，Burkart，Schapiro，Lambeth，&Townsend，2020）。一些发展性研究也揭示了人类在婴儿时期就已经能够识别符合远距离结构的无意义音节序列（Gómez，2002；Gómez & Maye，2005）。而成年人不仅能够在有外显线索的条件下获得远距离结构，也具备在更接近自然状态语言获得模式的内隐学习条件下习得远距离结构的能力（Dienes & Longuet-Higgins，2004；Jiang et al.，2012；Kuhn & Dienes，2005，2006；Li，Jiang，Guo，Yang，& Dienes，2013；Ling，Li，Qiao，Guo，& Dienes，2016；Qiao et al，2018；Rohrmeier，Fu，& Dienes，2012；Zhang et al.，2020；李菲菲&刘宝根，2017）。鉴于远距离结构在语言领域中的重要地位，近十几年来，研究者们围绕人类如何学习远距离结构展开了众多的研究，取得了大量的研究成果。本文聚焦于语言领域的远距离结构，在人工语法范式的背景下，系统总结了远距离结构的种类，梳理了促进远距离结构学习的一系列额外线索，从神经层面探讨了Broca 区在远距离结构加工中的作用，并对未来的研究提出了展望。

2 远距离结构的种类

在探讨远距离结构学习过程中，研究者常采用Reber 于1967 年首创的人工语法范式，这一范式能够排除先前的语法知识和语义信息的干扰，在限定状态人工语法学习的研究中被广泛使用（Batterink，Paller，& Reber，2019；郭秀艳，姜珊，凌晓丽，朱磊，唐菁华，2011；张剑心，汤旦，李莹丽，刘电芝，2016）。使用这一范式时，首先需要基于自然语言中已有的结构人为地创设一种语法规则，以这套规则生成一系列符合规则的序列串，让被试在有明显的外显指导或者没有提示的内隐学习条件下进行学习，随后的测验要求被试对一系列序列串进行分类判断，考察语法知识的习得情况。

在先前研究中，研究者创设了不同种类的远距离人工语法规则，其中按照复杂程度由低到高，比较受关注的规则有：远距离对应关系AXB 规则、远距离层级结构AB规则以及人工唐诗规则，下面我们将详细阐述这些人工规则以及它们在自然语言中所对应的句法结构。

2.1 远距离对应关系AXB 规则

在远距离结构的研究中，最简单的远距离规则为AXB 规则（见图1），其中元素A 和元素B 存在远距离的对应关系（non-adjacent dependency，NAD），这种关系和中间的X 无关。这一规则是自然语言复杂句法结构的前身，是理解和构建更为复杂的句法结构的基础（Wilson et al.，2018）。研究者在探讨A 和B 的对应关系时，会考虑以下几种情况：①A 元素和B 元素存在一一对应的关系（见图1a 中的三对对应关系），例如，在英语中，存在时态的远距离一致性（is walking；has walked）；②A 和B 存在类别对应（见图1b），类别A 对应类别B，例如，在英语中，存在主语的名词——谓语动词数的远距离一致性（“the dog[down the street] barks”vs. “the dogs [down the street]bark”）。为了获得这种规则，被试首先需要习得哪些元素属于哪个类别，然后习得类别间的对应关系。这一方法的优势在于可以在测验阶段创设不同材料考察规则的迁移，在更为复杂的远距离层级结构规则的研究中也经常使用。

图1 远距离对应关系AXB 规则

由于研究者可以选择不同的对应关系控制规则的难度，这就使得AXB 规则在探讨远距离规则的学习时适用的人群范围较广。而在学习方式的选择上，采用人工AXB规则的研究大多采用更加符合自然状态下语言获得的模式，在学习阶段并不给予被试明显的外显指导和反馈，结果发现婴儿、儿童和成年人在学习阶段能够习得远距离对应关系AXB 规则（Frost & Monaghan，2016；Gómez，2002；Gómez & Maye，2005；Kant et al.，2020；Marchetto & Bonatti，2013；Mueller，Friederici，&Mannel，2012；Pena，Bonatti，Nespor&Mehler，2002；van den Bos，Christiansen，& Misyakvan，2012；Vuong，Meyer，& Christiansen，2016；Zettersten，Potter，&Saffran，2020）。

2.2 远距离层级结构AnBn 规则

在远距离对应关系AXB 规则的基础上，可以衍生出更为复杂的远距离层级结构AB规则，其中元素A 和元素B 存在n个层次的远距离对应关系，具体包括核心嵌套结构和交叉结构两种（见图2a 和2b）。在自然语言中，AB规则对应了更为复杂的句法结构，例如，英语中的核心嵌套结构（center-embedded dependencies，“The mouse the cat the dog chased bit ran away”）、交叉结构（crossed dependencies，“Tenzin，Trinley，and Tumpo wore yellow，black，and red hats，respectively”），荷兰语中的交叉结构（“Aad heft Jantje de lerares de knickers laten helpen opruimen.”）等。相对于AXB 规则中仅包含A 和B 的单层对应关系，对于远距离层及结构AB规则的加工需要同时识别和处理多个对应关系（Petkov&ten Cate，2019），带来了额外的认知负荷（Wilson et al.，2018）。

图2 远距离层级结构AnBn 规则（以n=3为例）

采用远距离层级结构AB规则的研究发现，在学习阶段有明确的外显提示或者反馈的条件下，被试能够习得这一结构（Bahlmann，Schubotz，& Friederici，2008；Friederici，Bahlmann，Heim，Schubotz，& Anwander，2006；Lai & Poletiek，2011；Mueller，Oberecker，& Friederici，2009）；此外，在没有明显的外显提示及反馈的无意学习条件（Poletiek et al.，2018）以及包含简单的意识性测量的内隐学习条件下（Uddén，Ingvar，Hagoort，& Petersson，2012，2017），被试仍然表现出对这一规则的敏感性。

2.3 人工唐诗规则

以上两种规则都是以非声调语言中的字母或者音节为载体创设规则，与非声调语言不同，作为声调语言之一的汉语语音体系包含音节和声调两个维度，使得汉语听起来更具有起伏感和韵律感，这一特点在唐诗的平仄格律中表现得尤为明显（例如，平平仄仄平——仄仄平平仄）。也正是受到唐诗这一特点的启发，研究者尝试采用汉语语音体系中的特征——声调为对象，创设了以人工唐诗规则为基础的汉语声调远距离映射范式。在创设人工唐诗规则时，通常设置长度为10 的无意义声音串，其中前五个音和后五个音在声调的平仄维度上存在远距离的交叉映射结构（见图3）。由于汉语语音包含音节和声调双维度，可以保证音节随机的基础上，将规则设置在声调上，且声调存在四声和平仄两个水平。因此，与上述单维度的远距离层级结构AB相比，这一规则更为复杂和隐蔽，尤其适合用来探讨对复杂规则敏感的内隐学习的特征。

图3 人工唐诗规则样例

Jiang 等（2012）的研究在同时控制组块强度和重复结构等表面相似性的基础上，运用结构知识（structure knowledge）这一严格的意识性测量方式探讨了人工唐诗规则的内隐习得。结果发现，被试能够内隐地习得人工唐诗规则。随后的研究进一步证明了人工唐诗规则的无意识可习得性（Li et al.，2013；Ling et al.，2016；Qiao et al，2018；李菲菲& 刘宝根，2017）以及灵活的迁移能力（姜珊，郭秀艳，杨靖，马闻笛，2014；姜珊&关守义，2018）。

综上所述，采用AXB 规则、AB规则以及人工唐诗规则探讨远距离结构学习的研究证明了被试能够习得远距离结构，尤其具备在更接近自然语言获得方式的内隐学习条件下获得这一结构的能力。然而，远距离结构不仅仅存在于语言领域，还广泛存在于视觉空间、音乐、生物运动等领域。非语言领域的研究发现，在意识层面和无意识层面，人们都表现出了对远距离结构的敏感性。例如，被试能够外显地习得音乐（Cheung et al.，2018） 和 图 形（Bahlmann，Schubotz，Mueller，Koester，& Friederici，2009）的远距离结构；在内隐学习的条件下，能够无意识地习得音乐（Dienes &Longuet-Higgins，2004；Kuhn & Dienes，2005，2006） 和身体动作（Dienes et al.，2012；Zhang et al.，2020）的远距离结构。可见，人们具备跨领域习得远距离结构的能力，远距离结构的学习具备领域普遍性。

3 影响远距离结构学习的因素

在加工远距离结构时，人们需要处理在1 个或者多个层次上存在远距离对应关系的刺激，因此和简单的相邻结构相比，加工远距离结构需要更高的认知负荷（Wilson et al.，2018） 和 更 强 大 的 记 忆 结 构（Uddén et al.，2012）。大量采用人工语法的实验研究发现远距离结构的学习非常困难。鉴于这一结构在人类语言中的重要地位，许多研究者尝试采用上述的几种人工远距离规则，寻找能够促进远距离结构学习的额外线索。下面我们将从学习材料、学习情境和学习者的视角探讨促进远距离结构学习的线索，具体来说，刺激材料本身的特征、训练方式、先前的学习和知识经验都能够影响远距离结构的学习。

3.1 刺激材料本身的特征

人类学习的过程具备很强的灵活性。在远距离结构的学习过程中，这种灵活性体现在人们可以根据外界输入的刺激特征调整注意指向，进而影响规则的习得。通过操纵刺激材料的特征，例如提高存在远距离对应关系的元素间的相似性、增加背景变异性以及边界停顿等方式，都能够促进远距离结构的学习。

3.1.1 相似性

采用AXB 规则的研究发现，格式塔相似性原则能够促进这一规则的学习，具体来说，当存在对应关系的A 和B 属于同一类型，而X 属于另一类型时，被试更容易注意到A 和B 之间的远距离关系（Creel，Newport，& Aslin，2004；Newport & Aslin，2004； Onnis， Monaghan， Richmond， &Chater，2005）。例如，在Gómez（2002）的研究中，A 和B 都是无意义单音节（如pel，vot，dak），而X 是无意义双音节（如wadim，kicey，puser），促进了A 和B 远距离关系的学习；Newport 和Aslin（2004）的研究发现当A、X 和B 都为音节时，被试不能够习得A 和B 之间的对应关系，而当A 和B 都为辅音，X 为元音，或者A 和B 都为元音，X为辅音时，被试能够习得A 和B 之间的对应关系。相似性也可以通过控制声音的特征来实现。例如，Onnis 等人（2005）的研究发现只有当音节A 和B 都是摩擦音（具有高相似性），而X 是爆破音时，学习才能发生。此外，音乐领域的研究也发现，知觉相似性能够促进音乐远距离结构的学习（Creel et al.，2004）。

3.1.2 变异性

远距离结构的学习存在背景变异性效应（variability effect）。背景变异性效应是指当规则的背景高度变化时，对于人们学习稳定结构具有促进作用（李菲菲& 刘宝根，2017）。Gómez（2002）最早发现了这一效应的存在，他通过操纵AXB 结构中的中间元素X 的变化情况，探讨了18 个月的婴儿和成年人对AXB 规则的学习X 个数的变化包括2、6、12、24 四种情况。结果发现无论是婴儿还是成人被试，随着X 数量的增加，学习效应越来越好。Gómez 认为中间的元素X 是变化的，导致相邻的关系是极其不稳定的（AX 和XB），所以很难被习得，因此，被试会更加注意那些在变化的情境中保持不变的特征，即A 和B 之间的关系。Christiansen，Chater 和Gómez（2003）增设了一个零变异条件，结果发现，零变异条件下学习成绩最好，其次是高变异条件（24种），即变异性与学习成绩呈现出U 型曲线关系。李菲菲和刘宝根（2017）采用人工唐诗规则中的交叉结构和核心嵌套结构，操纵了音节的数量（大变异：20 个音节；小变异：4 个音节），结果发现只有在大变异的情况下，被试才能够习得这两种结构，表明汉语声调远距离结构的内隐学习中同样存在背景变异性效应。

3.1.3 边界停顿

由于以AXB 为规则的研究在学习阶段大多采用连续语音流的呈现形式，因此目标刺激AXB 的边界并不清晰，于是有研究者尝试采用边界停顿的方式调整被试的注意指向考察这一规则的学习。例如，Pena等人（2002） 发现只有通过短暂的停顿（25ms）使呈现给被试的连续音节流中所包含的AXB 边界清晰时，被试才能够习得远距离结构，表明单词边界为远距离结构的习得提供了线索，Pena 认为这种短暂停顿使音节流与自然语言更加接近，从而促进了规则的学习。Mueller，Bahlmann 和Friederici（2010）采用核心嵌套结构，同样发现了当与韵律信息相结合时，停顿有助于这一结构的学习。

综上，通过提高存在远距离对应关系的元素间的相似性、增加背景变异性以及边界停顿等方式，能够调整被试的注意指向，进而促进远距离结构的学习。此外，刺激材料本身的特征之间可能存在交互作用，例如，Grama，Kerkhoff 和Wijnen（2016）的研究同时考察了停顿和相似性在AXB规则学习中的作用，结果发现当词间的停顿时间与不同类型元素的韵律状态相匹配的情况下，被试可以更好地依据相似性原则习得远距离规则。

3.2 训练方式

远距离结构的习得能力不仅取决于刺激材料的特征，还取决于采用何种学习方式，例如怎样安排刺激呈现的顺序，需要学习多久，如何巩固等。

3.2.1 由简单到复杂

在自然语言的获得过程中，儿童首先接触的往往是简单的语法结构，随着年龄的增长，逐渐接触复杂语法结构，语言发展趋于成熟（Lai&Poletiek，2011）。可见，在这一过程中，外界的信息输入并非按照随机方式，而是由简单到复杂的顺序出现。如果在学习复杂的人工远距离结构之前，让被试先学习简单的结构，是否会促进远距离结构的学习呢？Lany 和Gómez（2008）发现，只有先让12 个月大的婴儿学习相邻规则AB，随后学习AXB 规则，被试才会表现出对这一规则的敏感性。采用核心嵌套规则的研究同样证实了这一效应的存在。例如，Lai 和Poletiek（2011）发现了习得核心嵌套结构的两个必要条件：充分学习相邻结构和由简单到复杂的学习方式。Poletiek 等（2018）的研究也证实了只有在由简单到复杂的条件下，被试才能够习得核心嵌套结构。由于由简单到复杂的呈现方式能够凸显规则的基本结构，使被试在加工复杂结构之前，首先关注基本结构模式，从而促进了复杂规则的学习。

3.2.2 长期训练和巩固

复杂语法规则的习得得益于不断地学习和巩固（Uddén et al.，2012，2017）。Uddén等（2012）采用长期训练的方式比较了交叉结构和核心嵌套结构的习得。他们将“F-L”、“D-P”两组对应字母构成的远距离规则串嵌入在限定状态人工语法中让被试进行长达9 天的学习。结果表明，被试在长期训练条件下能够学会两种结构。研究者进一步将两种规则的学习成绩与先前研究中训练了5 天的相邻规则成绩进行了比较，发现二者并没有学习量上的差异，表明要达到相同的学习量，远距离规则需要更长的训练时间来实现语法知识的抽象化。知识的巩固除了源于长时间的学习，还得益于睡眠。Frost 和Monaghan（2017）让被试学习AXB 规则，学习阶段结束后，要求被试清醒或经历睡眠过程，之后进行测验，结果发现经历睡眠的被试会表现出对AXB规则的敏感性，表明睡眠有益于远距离规则的抽象化和巩固。

3.3 已有的知识经验和先前的学习

先前的学习和知识经验能够塑造和改变学习者的期望，并改变他们能够习得的结构（Lew-Williams & Saffran，2012；Potter，Wang，& Saffran，2017；Wang，Zevin，&Mintz，2017），这种影响主要表现在以下两个方面：

3.3.1 已有的知识经验对远距离规则学习的影响

学习者已有的母语知识会影响其对即将到来的语言输入结构的期望（Zettersten et al.，2020），进而影响后续对结构的加工。Lew-Williams 和Saffran（2012）发现9～10个月的婴儿能够更好地识别与其先前经验相匹配的结构规则。Wang 等（2017）的研究发现只有当远距离人工语法规则与先前呈现母语（英语）短语的节奏模式相匹配时，被试才能够习得这种远距离结构。表明先前呈现的句子结构影响了被试对即将到来的语言结构的期望，进而影响了远距离规则的学习。采用人工唐诗规则的研究也探讨了先前知识经验对内隐学习和迁移的影响，结果发现相对于符合平仄知识经验的汉语声调交叉规则，被试不能够内隐地习得和迁移任意声调的交叉规则，表明先前知识经验在远距离交叉规则内隐学习过程中发挥着重要作用（姜珊，2012）。此外，音乐（Cheung et al.，2018；Kuhn & Dienes，2005）和生物运动（Zhang et al.，2020）领域远距离结构的研究同样发现，学习者过去的训练经验会对远距离结构的学习产生影响。

3.3.2 先前的学习对远距离规则学习的影响

让被试在实验室情境下预先学习特定的材料，考察对后续远距离规则学习的影响，在上述提到的由简单到复杂的效应上有所体现，即学习相邻结构影响了远距离规则的习得。近期的一项研究（Zettersten et al.，2020）采用AXB 规则直接探讨了先前的学习经验对后续复杂远距离规则习得的影响。研究的第一阶段采用中间元素X 变异性较大的符合AXB 规则的简单材料让实验组被试进行预先学习（可学组），控制组被试同样学习变异性较大的但不符合AXB 规则的材料（不可学组）；在第二阶段，所有被试都学习中间元素X 变异性较小的符合AXB 规则的新的复杂材料。结果发现，与不可学组被试相比，可学组被试习得了更为复杂的远距离规则。这表明预先接触简单远距离规则的经验促进了后续新的复杂规则的习得。

综上，采用人工远距离结构的研究表明，人们具备习得远距离结构的能力，且从学习材料、学习情境和学习者的视角来看，存在诸多影响远距离结构学习的因素，刺激材料本身的特征、训练方式、先前的学习和知识经验等因素都会影响远距离结构的学习。

4 远距离结构加工的脑机制

近十几年，随着新技术的不断发展，研究者不仅局限于从行为层面探讨远距离结构的学习，也特别关注远距离结构加工的脑机制，试图从神经层面探讨远距离结构是如何被习得的，这些研究发现在加工远距离结构时，Broca 区发挥了重要作用，此外，连接Broca 区和STG 的背侧纤维通路似乎在复杂远距离结构的加工中起着关键作用。

4.1 Broca 区在加工远距离结构中的作用

Broca 区位于大脑皮层左侧额下回（inferior frontal gyrus，IFG），该区域包含BA44（额下回的岛盖部）和BA45（额下回的三角部），这一区域在语言生成和理解过程中发挥重要作用（Friederici，2011，2018；Hickok & Poeppel，2007；Pulvermüller，2010）。早期的神经心理学研究表明Broca区受损的病人在处理句法规则（包括层次规则）时明显存在困难（Caplan&Waters，1999；Grodzinsky，2000）。与加工简单结构的句子（如主语在句首）相比，复杂句子（如包含宾语前置从句）的加工会激活Broca区（Just，Carpenter，Keller，Eddy，&Thulborn， 1996； Fiebach， Schlesewsky，Bornkessel，& Friederici，2004；Friederici，2019）。一些采用自然语言为材料的研究发现Broca 区参与了远距离句法结构的加工（Kant et al.，2020；Makuuchi，Bahlmann，Anwande & Friederici，2009；Santi & Grodzinsky，2010）。

除了自然语言领域外，研究者尝试采用不同类型的人工远距离结构，从外显或者内隐的角度，探讨了远距离结构加工的脑机制，揭示了Broca 区在加工远距离结构中的核心作用。

Friederici，Bahlmann，Heim，Schubotz 和Anwander（2006） 探讨了加工相邻结构（AB）和层级嵌套结构AB的神经机制。学习阶段让被试寻找规则并给予反馈，测验阶段让被试进行语法判断并进行扫描。结果发现对相邻结构和层级嵌套结构的加工均激活了左侧额叶岛盖（frontal operculum，FOP），而Broca 区（BA44）参与了远距离层级嵌套结构的加工。然而，由于上述研究中使用的语法规则是两类音节的笼统对应，而不是一一对应，因此，被试很可能是基于计数策略，将A 和B 的个数加以匹配，在分类判断任务中表现出较好的成绩。于是Bahlmann 等（2008）通过设置A 和B子集的一一对应（A1—B1，A2—B2，A3—B3）尝试排除计数策略可能造成的干扰，结果发现与相邻结构（AB）相比，远距离嵌套结构AB的加工激活了Broca 区以及相邻的腹侧前运动皮层（BA44/6）。由于排除了计数策略，因此这一结果进一步表明Broca 区是远距离层级结构加工的重要脑区。

Opitz 和Friederici（2007）采用一种类似于自然语言的BROVANTO 语法，直接比较了相邻结构和远距离层级结构语法加工的神经机制。这两种结构都是由名词短语和动词短语组成，二者的差异在于层级结构语法图中允许句子嵌套。学习阶段让被试寻找规则并给予反馈，测验阶段让被试进行语法判断并进行扫描。结果发现被试能够习得两种结构，并且左侧腹侧前运动皮层和海马的激活与相邻结构的加工有关，而对远距离层级结构语法的加工激活了Broca 区（BA44）。

上述研究在有明显提示和反馈的外显学习条件下考察了远距离结构加工的神经机制，那么在更加符合自然状态下语言获得的内隐学习模式下，Broca 区是否同样参与了远距离结构的加工？凌晓丽（2016）考察了人工唐诗交叉规则的内隐学习所对应的脑激活模式，同时探查这一语法规则和相邻组块知识的加工所对应的脑区是否存在分离，结果发现，被试均可内隐习得组块和底层的语法规则，合法串相对于非法串在Broca 区（BA44/45）有更强的激活，而对相邻组块的加工则激活了壳核和内侧颞叶。可见，Broca 区也参与了远距离交叉规则的内隐加工。

综上所述，采用人工远距离结构的研究表明在加工复杂的远距离结构时，Broca区发挥了重要作用。基于上述研究，Uddén等（2017）采用重复经颅磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）直接探讨了Broca 区和交叉远距离结构内隐学习之间的因果关系。学习阶段共持续9 天，在第8 天的学习任务结束后的上午和下午分别对被试的Broca 区（BA44/45）或顶点（vertex）进行低频的经颅磁刺激（抑制），每次刺激之后均进行一次语法分类测试。结果发现，与抑制了顶点相比，抑制Broca 区会干扰被试的语法分类，导致成绩的下降。这一结果为Broca 区在交叉远距离结构内隐加工中的因果作用提供了支持。

Broca 区在包含远距离层级结构的语法规则加工中发挥重要作用已经得到了众多研究的支持，那么Broca 区对远距离层级结构的加工是否仅仅局限在语言领域呢？已有研究表明与相邻结构相比，对视觉空间序列远距离嵌套结构的加工激活了Broca 区以及一些前辅助运动皮层（pre-supplementary motor area，pre-SMA）（Bahlmann et al.，2009）；采用音乐嵌套结构的研究表明，双侧额下回，尤其是右侧额下回在处理音乐层次结构时起着一定的作用（Cheung et al.，2018）；采用生物运动远距离交叉规则的研究发现，Broca 区（BA44）的灰质密度与分类判断成绩存在高相关。上述结果表明Broca 区对远距离层级结构的加工并不仅仅局限在语言领域，而是具备领域一般性的特点。

综上所述，Broca 区在远距离结构的加工中发挥核心作用，这一作用并非针对某一特定的领域、学习方式或者某种特定的远距离规则，而是在更加广泛的层面参与到了远距离结构的加工中。

4.2 Broca 区和颞上回的功能连接在远距离结构加工中的作用

Friederici（2011）曾提出了系统的语言加工神经网络，指出大脑左半球和语言相关的皮层包括：额下回的Broca 区（IFG）、颞上回的Wernicke 区（STG）以及部分颞中回（MTG）和顶叶的顶叶下回和角回，这些区域之间通过纤维束相连，存在结构和功能上的关联（Friederici，2011，2018，2019）。具体包含2 条背侧通路和2 条腹侧通路：①BA44 和STG 通过背侧通路相连（这条背侧纤维束由上纵束（SLF）和弓状束（AF）组成，前者连接额叶皮质和顶叶皮质，后者弯曲进入颞叶皮质），在复杂句法加工过程中起着关键作用；②前运动皮层的BA6 和STG 通过背侧通路相连，该通路与听觉——运动映射（auditory-to-motor mapping）以及语句重复有关；③BA45 到颞叶、顶叶和枕叶皮质通过腹侧通路相连，与语义加工有关；④额盖（FOP）和颞前上回通过腹侧通路相连，与简单规则的加工有关。其中，通路①在远距离规则的加工过程中得到了研究者们较多的关注。

一些语言领域的研究发现，在加工自然语言复杂句法结构时，会同时激活Broca区（BA44）和颞上回（STG），二者存在功能上的连接（den Ouden et al.，2012；Makuuchi& Friederici，2013）。Friederici（2018，2019）指出，Broca 区（BA44）和颞上回（STG）的功能连接源于两个区域白质纤维束的结构连接。这一观点得到了一些研究的支持。例如，一项发展性研究发现，连接BA44 和STG 的背侧纤维束在发育过程中的成熟程度与复杂句子句法理解的准确性和速度呈现 高 相 关（Skeide，Brauer，& Friederici，2016）。临床研究也发现布罗卡区和颞叶皮质之间的背侧纤维束缺陷会导致加工复杂句法能力的缺失（Wilson et al.，2011）。因此，连接Broca 区和STG 的背侧纤维通路似乎在复杂句法结构的加工中起着关键作用。

Friederici 等（2006）的研究发现相邻结构和嵌套结构的加工均激活了左侧额盖（FOP），而Broca 区（BA44）参与了远距离嵌套结构的加工。DTI 的结果显示上述两个脑区存在不同的结构连通性，BA44 通过上纵束与颞上后部和中部相连，FOP 通过钩束与前颞叶相连接。这一结果表明Broca区和STG 的背侧纤维通路在加工远距离结构过程中的重要作用。近期的一项研究（Chen，Goucha，Männel，Friederici，&Zaccarella，2021）采用更接近人类自然语法结构的人工层级语法结构（hierarchical syntactic structure-building grammar，HG）和简单的嵌套结构（nested associating grammar，NG），探讨了两种结构加工的脑机制。二者的区别在于：对于简单的嵌套结构，各对应关系之间不存在关联，而层级句法结构存在更为复杂的层级上的依存关系，更接近自然语言的句法结构。fMRI 的结果表明，与NG 相比，加工HG 引发了更强的Broca区（BA44）和颞后上回（pSTG）的激活，以及两个区域间不同性质的功能连通性。具体来说，在加工HG 时，BA44 是主要的中心脑区，它接收实验任务信息，负责句法层次结构的构建，处理后的信息及时传递到pSTG 进行整合和存储，并且同时从pSTG向BA 44 发送反馈；而在加工NG 时，pSTG接收实验任务信息，负责对应关系信息的整合和存储，而BA44 的滞后ROI 效应会进一步调节这一过程，因此，BA44 对pSTG的影响相对滞后。研究者进一步指出，加工HG 时BA44 和pSTG 的功能连接可能源于BA44 和STG 的两个区域白质纤维束的结构连接。

总的来说，采用自然语言和人工语言的研究都表明在加工远距离语法结构时，Broca 区发挥了重要作用，这一作用与学习方式以及具体的远距离规则类型无关，且具备领域一般性，连接Broca 区和STG 的背侧纤维通路在复杂远距离语法结构的加工中起着关键作用。

5 远距离结构学习的未来展望

5.1 远距离结构的跨领域迁移还需要进一步探讨

迁移是在知识获得基础上形成的一种举一反三的能力，是人类由知识的掌握到能力形成的重要环节。先前采用人工唐诗范式的研究表明，听觉通道获得的汉语声调远距离映射结构可以灵活迁移到不同的声调（姜珊等，2014）以及不同长度（姜珊&关守义，2018）的材料上，为远距离结构学习的适应性和灵活性提供了初步的证据。神经生理学的研究表明Broca 区在远距离层级结构的加工中发挥核心作用，参与了不同领域远距离结构的加工，具有领域一般性的特点，如果不同领域远距离结构的加工共享相同的神经机制，那么由某一领域获得的远距离结构能否实现跨领域迁移？在远距离结构的学习和跨领域迁移过程中大脑功能上具备怎样的普遍性和特异性？这些问题都值得进一步探究。

5.2 远距离结构的加工过程还需要进一步明确

采用fMRI 探讨远距离结构的学习机制大多对测验阶段进行扫描，考察被试在区分合法串和非法串时不同的脑区、脑区间的功能连接以及结构上的差异。而采用EEG 这种电生理指标，除了考察被试在测验阶段分类判断时的特异性ERP 成分外，还可以探究学习阶段被试远距离结构的加工过程。

先前的EEG 研究着重探讨测验阶段远距离结构所引发的ERP 成分。例如，Muelle，Oberecker 和Friederici（2009）采 用学习和测验交替进行的方式考察被试对意大利语中AXB（A 为助词，B 为形态动词）规则的学习。结果表明非意大利语母语被试能够学到助词A 和形态动词B 的远距离对应关系，并且对非规则句子中错误动词后缀表现出分布于头皮中心后方的N400 成分以及随后的分布于头皮中心前方类似于P3a，而意大利语母语被试则表现出分别于头皮中心后方的N400 以及随后的P600。Citron，Oberecker，Friederici 和Mueller（2011）的研究采用类似的远距离规则，发现错误动词后缀引发了双向的ERP模式，即在N400 之后出现P600 成分。后续的研究也发现了错误的动词后缀会引发N400 成分以及和注意相关的P200 成分（de Diego-Balaguer，Rodríguez-Fornells，&Bachoud-Lévi，2015；Friederici，Mueller，Sehm，&Ragert，2013）。

近年来基于EEG 的神经振荡研究有助于研究者采用时频分析的方法探讨远距离结构的在线学习过程，避免分类策略的干扰。Buiatti 等（2009）采用符合AXB 规则的三音节语音流和随机语音流，并分别对单音节、双音节和三音节进行频谱分析考察被试对远距离结构的学习。结果发现与随机音节流相比，符合AXB 规则的三音节语音流的频谱分析表现出如下特点：反映单音节呈现频率的能量值（power）降低，对应于三音节单位频率的能量值增加，且后者与三音节词汇回忆的成绩呈现正相关。在采用8 个月的婴儿为被试的类似实验中，发现暴露于包含远距离规则AXB 语音流中的婴儿表现出对符合规则的单词频率神经夹带的增加（Kabdebon，Pena，Buiatti M，& Dehaene-Lambertz，2015）。由于神经夹带反映了大脑神经震荡活动和外部刺激之间的同步性（Choi，Batterink，Black，Paller，& Werker，2020）。因此这些结果表明，人脑在学习过程中对包含远距离结构的序列进行了夹带，逐渐习得了这一规则。可见，时频分析为远距离结构的在线学习过程提供了一种有效的度量指标。考虑到EEG 存在空间分辨率较低的问题，未来研究可以在此基础上采用MEG 技术通过时频分析考察远距离层级结构AB规则以及人工唐诗规则的在线学习，同时探讨在学习和测验阶段不同脑区之间的信息流传递过程，进一步明确远距离结构加工过程的脑机制。

5.3 远距离结构内隐学习和外显学习的关系还需进一步厘清

从神经层面来看，在内隐和外显学习条件下，Broca 区都参与了远距离结构的加工。但是从对结构加工的脑区的操作上来看，凌晓丽（2016）考察人工唐诗规则内隐学习所对应的脑激活模式时发现，相对于非法串，合法串在Broca 区（BA44/45）有更强的激活。而其他一些采用外显学习方式的研究则发现，Broca 区对非法串更加敏感（Friederici et al.，2006；Opitz & Friederici，2007）。这表明虽然在内隐和外显学习的条件下，Broca 区都参与了远距离结构的加工，但是心理过程可能存在差异。在外显学习的条件下，由于被试在学习阶段就知道规则的存在，有时测验阶段还存在反馈，因此可能会采取特定的检测错误策略，表现为对非规则串更加敏感；而在内隐学习条件下，被试在学习阶段仅仅完成记忆、复述等任务，在测验开始前才得知规则的存在且没有任何反馈，被试往往根据自己的猜测、直觉、流畅性等进行判断，因此对整体的规则性（合法串）可能会更加敏感。Uddén等（2017）发现采用重复经颅磁刺激探讨Broca 区和远距离结构内隐学习之间的因果关系时发现，抑制Broca 区会干扰被试的语法分类，具体表现为对合法串的分类判断判定率下降，而对非法串的判定率没有影响。这表明在远距离结构的内隐学习过程中，抑制Broca 区影响了被试对符合远距离规则合法串的敏感性。未来的研究可以直接探讨在两种不同学习方式以及在内隐学习向外显学习转化的过程中，Broca区是如何和其他脑区相互作用的，是否存在结构和功能上的分离，这有助于研究者进一步明确被试在不同状态、不同学习阶段是如何学习远距离结构的，更深层次揭示这一规则学习的神经机制。

6 结 论

远距离结构具备强大的生成能力，广泛存在于人类生活的各个领域。在不同领域的远距离结构中，语言领域的远距离结构尤其受到了研究者的关注，研究者们在人工语法范式的背景下通过创设不同复杂程度的远距离规则来探究远距离结构的学习。相对于相邻结构，远距离结构的学习更加困难。从行为层面来说，一些额外的线索，如刺激材料本身的特征、训练方式和先前知识经验能够促进这一结构的习得。从神经层面来看，Broca 区参与了远距离结构的加工，Broca 区和STG 的背侧纤维通路在加工远距离语法结构过程中发挥重要作用。未来的研究可以进一步探讨远距离结构的跨领域迁移，明确远距离结构的加工过程，厘清远距离结构内隐学习和外显学习之间的关系。