五行生克关系判断的事件相关电位和功能性磁共振成像研究

吴 彤 黄慧雯 窦嘉乐 贾春华 韩布新

(1 北京中医药大学中医学院，北京，100029; 2 陕西中医药大学基础医学院，咸阳，712046；3 浙江中医药大学基础医学院，杭州，310053；4 中国科学院心理研究所心理健康重点实验室，北京，100101)

五行学说作为中医理论的重要组成部分，一直是中医学者研究的重点。近年来，关于五行学说的起源[1-2]、逻辑解析与科学性[3-5]、概念隐喻[6-8]及其范畴化[9-12]等研究相继展开。然而，五行学说应用过程中的独特思维却未得到应有的重视，有关五行推理的认知神经科学研究仍为一片空白。

前期研究表明：五行成员通过家族相似性进入木、火、土、金、水5大家族，进而形成五行系统。在纳入五行系统之后，成员又接受了系统赋予的“行”与“行”间的生克关系，最终形成一个可供推理的事物演运系统[13]。其中，“行”与“行”间的相生和相克关系是五行推理的核心[13]。本文以事件相关电位(Event-related Potential，ERP)和功能性磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)技术为工具，观察五行生克关系判断过程中诱发的脑电成分和激活脑区，分析五行生克关系判断的思维加工过程，为五行学说的思维独特性提供认知神经科学的依据。

1 资料与方法

1.1 资料

1.1.1 研究对象 选取40名北京中医药大学在校生参与了ERP实验，其中包含本科生13名，研究生27名。男生共22名，女生共18名。年龄20～28岁，平均年龄(23.65±2.59)岁，受教育时间15～21年，平均受教育时间(17.38±2.03)年。被试者在满足基本要求之外，还需要符合专业为中医专业、中西医结合专业或针灸推拿专业[14]。为确保被试者熟悉并掌握五行类属关系，所有被试者均经过五行归类测验且正确率达到90%。有4名被试者因脑电效果不佳而被剔除，其余36名被试者实验数据均予以纳入。本实验经北京中医药大学伦理委员会审批通过(伦理审批号：2022BZYLL0508)。

33名北京中医药大学在校生参与了fMRI实验，其中本科生11名，研究生22名。男生17名，女生16名。年龄20～31岁，平均年龄(24.36±2.88)岁，受教育时间13～22岁，平均受教育时间(17.64±2.57)年。其他基本要求同上。

1.1.2 语料 本实验所涉及的五行成员均来自“十一五”国家级规划教材中“事物属性的五行归类表”[15]。

ERP实验语料：选取属于五腑、五脏、五季、五气、五味、五体、五色、五官、五志和五方概念中的五行成员，将其组成相生关系词对和相克关系词对各50个，共有词对100个。词对格式为“A-B”，如“肝-心”“肝-脾”。

fMRI实验语料：选取上述语料中属于五脏、五色、五气、五季、五腑、五官的成员，将其依据相生关系组成相生词对30个，依据相克关系组成相克词对30个，共有词对60个。

1.1.3 仪器 ERP实验应用Compumedics公司生产的Neuroscan 64导电极帽，采用Curry 8记录脑电数据，使用E-prime 3.0记录行为学数据。fMRI实验在中国科学院心理研究所磁共振成像研究中心进行，实验应用GE Discovery MR750脑成像系统，3.0 T磁共振扫描仪。

1.2 方法

1.2.1 实验设计与程序 实验应用关系判断任务[16]，采用单因素重复测量的实验设计。自变量是词对的相生、相克关系，因变量是被试者进行生克关系判断时的反应时、正确率、脑电数据的平均波幅以及所激活脑区。实验刺激的呈现用E-Prime 3.0软件完成。

ERP实验流程如图1，被试者理解实验流程后开始实验，屏幕首先呈现注视符800 ms,接着呈现格式为“A-B”的词对，如“肝-脾”，呈现时间为6 000 ms。在这个界面，要求被试者判断词对的生克关系，相生则按J键，相克则按F键。共100试次，词对呈现顺序经伪随机处理。正式实验前，被试者均会进行练习实验，练习实验与正式实验范式相同。

图1 五行生克关系判断的ERP实验流程

fMRI实验采用组块设计，整个实验共有6个组块，每一组块包含10个试次，每一组块内呈现单一类型的词对，相邻2个组块呈现的刺激类型不一致。实验在专业的磁共振实验中心进行，被试者进入磁体室之前，主试会告知被试者所有实验流程及实验中需要注意的相关事项。进入磁体室内，被试者平躺在扫描仪内，通过头顶的反光镜观看电脑屏幕上呈现的信息，被试者左、右手各有一个按键板，每个按键板上有2个数字按钮，右手的按键板是1键和2键，左手的按键板是3键和4键。

fMRI实验流程如图2。实验正式开始后，屏幕首先呈现注视符16 000 ms，之后开始呈现第一个组块的题目，在同一组块内，屏幕依次呈现10个格式为“A-B”的词对，每个词对呈现时间为4 000 ms，词对之间呈现空屏1 000 ms。在词对呈现界面，被试者按照实验要求尽快做出正确反应。若词对属于相生关系则按1，相克关系则按2。实验共呈现6个组块，每2组块之间呈现注视符16 000 ms。实验共包含60试次，每一组块内，词对呈现顺序经过随机处理。

图2 五行生克关系推理的fMRI实验流程

1.2.2 数据记录与分析 ERP实验地点要求及数据记录遵循公认的操作要求[14]。脑电数据离线处理使用基于MATLAB R2014a软件的EEGLAB v13.6.5b和ERPLAB工具包完成。采样频率为500 Hz，采用24 dB/oct低通滤波，使用独立成分分析方法剔除眨眼、眼动、肌电等伪迹。行为学数据利用E-DataAid3和E-Merge3进行处理。

fMRI实验在中国科学院心理研究所磁共振成像研究中心进行，实验应用GE Discovery MR750脑成像系统，3.0 T磁共振扫描仪。采用平面回波成像序列(Echo Planar Imaging，EPI)，隔层扫描。参数设置如下：矩阵大小(matrix size)=64 mm×64 mm，视野(Field of View，FOV)=224 mm×224 mm，体素大小(Voxel Size)=3.5 mm×3.5 mm×3.5 mm，层数(Slice Number)=37，重复时间(Time Repetition，TR)=2 000 ms，层厚(Slice Thickness)=3.5 mm，回波时间(Echo Time，TE)=30 ms，层间距(gap)=0 mm，翻转角(Flip Angle，FA)=90 deg。结构像采用3D-T1成像技术，扰相梯度回波序列(Spoiled Gradient Echo，SPGR)序列扫描获得，参数设置如下：矩阵大小(Matrix Size)=256 mm×256 mm，FOV=256 mm×256 mm，层厚=1 mm，体素大小=1 mm×1 mm×1 mm，FA=12 deg。数据处理与分析使用基于MATLAB R2014a软件的SPM12、xjView和MarsBaR工具包完成。数据处理经过预处理和一阶建模2个步骤。数据分析从2个方面进行，分别是全脑分析(二阶分析)和感兴趣区(Region of Interest，ROI)分析。

预处理：去除每个实验的前5个时间点(TR)后，依次进行时间校正、头动校正、图像配准、分割、两次空间标准化和平滑。其中，经头动校正后，剔除平动>3 mm，转动>3 deg的数据。空间标准化中，依次以3 mm×3 mm×3 mm和1 mm×1 mm×1 mm的大小对大脑图像进行重采样处理。以6 mm的高斯核对图像进行平滑处理。一阶建模：对每位被试者单独进行分析。对4种条件下的BOLD信号进行对比，构建的对比有：相生关系、相克关系、相生关系>相克关系、相克关系>相生关系。全脑分析：考察组水平下所构建对比激活的有关脑区。应用单样本t检验对上述每种对比分别进行检验。为更全面的展示实验结果，分别呈现阈值为0.001(P)和0.005(P)，均为未校正，选择激活体素大于5的区域。ROI分析：依据全脑激活的结果选取兴趣区域，采用特定毫米为半径的球体的中心坐标进行定义。

1.3 统计学方法 借助IBM SPSS Statistics 26统计软件进行数据分析。对2种条件下的ERP实验中收集的反应时、正确率以及fMRI实验中ROI分析获得的数据分别进行检验，若数据符合正态分布，则使用配对t检验，否则使用2个样本相关的非参数检验进行分析。ERP数据中，选取合适的时间窗和电极点，对2种条件下的平均波幅进行重复测量方差分析。反应时由于数据不符合正态分布，因此选择非参数检验。

对150～650 ms以100 ms为单位分为5个时段分别进行平均波幅检验。选取F3、FZ、F4、FC3、FCZ、FC3、C3、CZ、C3、CP3、CPZ、CP4、P3、PZ、P4共15个电极点进行检验。对条件2(相生关系；相克关系)×前后5(前F3、FZ、F4；前中FC3、FCZ、FC4；中C3、CZ、C4；中后CP3、CPZ、CP4；后P3、PZ、P4)进行2因素重复测量方差分析；对条件2(相生关系；相克关系)×左右3(左F3、FC3、C3、CP3、P3；中FZ、FCZ、CZ、CPZ、PZ;右F4、FC4、C4、CP4、P4)进行2因素重复测量方差分析。分析结果均经Greenhouse-Geisser法进行校正。

2 结果

2.1 行为学结果 结果显示，相生关系的反应时小于相克关系,差异有统计学意义(Z=-2.99，P<0.01)。见表1。

表1 相生与相克反应时与正确率

正确率的基本统计结果显示相生与相克的正确率差异无统计学意义(t=1.40，P=0.17)。

表2 条件、前后、左右的重复测量方差分析结果

图3 相生关系和相克关系条件下的平均波形

250～350 ms：条件的主效应不显著[F(1，35)=2.825，P=0.10，η2=0.08]。

550～650 ms：条件与左右存在交互作用[F(2，70)=3.69，P=0.03，η2=0.10]，事后比较显示：左、中、右脑部，相生、相克条件差异均不显著[统计结果分别为：F=0.53，P=0.47，η2=0.02；F=0.42，P=0.52，η2=0.01；F=2.69，P=0.11，η2=0.07]。

2.3 fMRI全脑分析结果

2.3.1P=0.001(未校正)，体素>5 实验结果如表3，当设定P=0.001(未校正)，体素>5时，相生关系和相克关系未见明显的正激活。相生关系和相克关系的相互比较见明显激活脑区。

表3 相生关系和相克关系条件存在差异的脑区(P<0.001,未校正)

相生关系>相克关系：右脑额叶的额内侧回区域显著激活。相克关系>相生关系：右脑顶叶的顶上小叶区域显著激活。见图4。

图4 “相生>相克”对比的全脑激活图(左)；“相克>相生”对比的全脑激活图(右)

2.3.2P=0.005(未校正)，体素>5 实验结果显示，在相克条件下和生克关系相互对比时可见明显的激活脑区见表4。

表4 相生和相克条件下激活的脑区和存在差异的脑区(P<0.001，未校正)

相克关系：右脑顶叶的顶下小叶区域见显著激活。相生关系>相克关系：右脑额叶的额内侧回、右脑额叶的中央旁小叶、右脑叶下的岛叶和左脑枕叶的楔叶区域显著激活。相克关系>相生关系：右脑顶叶的顶上小叶和右脑额叶的中央前回区域显著激活。见图5。

图5 相克条件下的全脑激活图(左)；“相生>相克”对比的全脑激活图(中)；“相克>相生”对比的全脑激活图(右)

2.4 感兴趣区域分析结果 选取P=0.005(未校正)，体素>5时，全脑激活的9个区域作为兴趣区域，经过统计学分析，仅有4处差异有统计学意义，结果分别是：枕叶楔叶(BA18；-9，-79，26；3)、顶上小叶(BA7；21，-67，44；21，-67，56；4)处均表现为相生大于相克，额叶中央前回(BA6；30，-7，53；2)处表现为相克大于相生。见表5。

表5 有统计意义的感兴趣区域坐标及激活强度

3 讨论

3.1 生克关系加工的基本策略 人类认识世界，统筹世界知识的关键是进行规律、有序的组织语义知识。语义知识的组织形式大概分为2种，一种是基于事物之间的相似性，以事物的特征为依据，对纷繁复杂的外事件、事物进行分类组织；另一种则是依照事物之间，或与其他实体的外在关系进行组织[17-18]。前者是分类关系，后者是主题关系。关于语义关系的ERP研究显示，主题关系加工的脑电成分主要表现为400 ms事件相关电位负波(Negative ERP component peak around 400 ms，N400)和晚期负成分(Late Negative Component，LNC)[19-22]，而分类关系加工则表现为300 ms事件相关电位正波(Positive ERP component peak around 300 ms，P300)、晚期正成分(Late Positive Component，LPC)等[23]。关于语义关系加工的fMRI研究显示，主题关系和分类关系的加工脑区并不相同[18,24]。神经影像学研究结果表明，分类处理特别激活了双侧视觉区域(楔叶，BA18)，主题处理激活了双侧颞-顶叶网络，包括顶下小叶(BA40)和颞中回(BA39/21/22)[25]。基于图-词干扰范式的语义关系研究也表明顶叶在主题关系加工的重要意义[26]。基于语义启动范式的研究发现，类别关系词对的加工涉及右侧额叶的激活，并且相较于主题相关词对，类别关系词对额外激活了岛叶区域[27]。

五行成员间的相生关系和相克关系是成员纳入五行系统之后，经木、火、土、金、水之间生克关系嫁接而来。五行成员依照木、火、土、金、水的顺序对应，相邻位置的成员之间为相生关系，隔一位置的成员之间则为相克关系。结合语义关系相关理论判断，五行成员间的生克关系应该属于语义关系中的主题关系。然而实验结果显示，生克关系加工并未诱发与主题关系加工相关的脑电成分，反而诱发了与分类关系加工有关脑电成分，分别是出现在150～250 ms的200 ms事件相关电位正波(Positive ERP component peak around 200 ms，P200)、350～450 ms的P300和450～650 ms的LPC成分，fMRI研究中，相较于相克关系推理，相生关系额外激活了枕叶、额叶和岛叶区域，ROI分析显示，楔叶(BA18)在相生、相克均有激活，且相生激活更加显著。由于BA18是分类关系加工的主要区域，提示生克关系的加工是依据分类关系进行的。

导致这一现象的原因可能是，参与实验的被试者均已掌握五行学说基本内容，尤其是五行生克关系判断的基本规律，即“相邻相生，隔一相克”。此外，被试者在回忆五行成员时，更倾向于按照五行表纵向的成员进行背诵，如“肝心脾肺肾”。实验中，处于相邻位置的相生关系更容易进行判断。在此前提下，依据思维经济学原则，被试者倾向于以较为简单的相生关系类别判断为实验任务。即当呈现词对为相生关系则符合预期，判断为相生关系；当呈现词对不是相生关系时，则不符合预期，判断为相克关系。此时，生克关系的判断并不涉及2种关系具体含义的加工，即主题关系加工并未激活。因此，生克关系加工是基于分类关系加工进行的，这种认知策略则会相继诱发P200、P300和LPC成分，与分类关系加工的相关研究相符。

3.2 相生关系加工的优先性 依据分类关系的ERP研究，P200成分出现在早期知觉阶段[28]，是大脑自上而下加工的反映[29]，诱发更大P200成分的刺激与大脑的预激活内容相匹配[30]。类别的典型性效应研究支持P200成分是大脑早期对于类别典型特征快速检测的敏感指标[30]。P300成分则是分类关系加工的关键指标，更大的P300成分一则反映大脑预期与典型特征目标的高度匹配[22，31]；二则反映大脑对于目标刺激投入较多的认知资源[32-34]。在分类关系加工中，晚期成分LPC是P300成分的延续，反映认知资源分配[23]。

ERP实验中，相较于相克关系，相生关系加工诱发更大的P200、P300和LPC成分。fMRI实验中，相较于相克条件，相生条件显著激活了与决策信心水平相关的顶上小叶(BA7)[35]，提示相较于相克关系，相生关系词对与大脑预期更为匹配，决策信心水平更高。

此外，从语义距离的角度来看，相关研究表明，语义距离是影响语义关系加工反应时的重要因素，近距离的语义关系存在大脑加工的优先性，行为学上表现为反应时短于远距离反应时[36]。在本实验的行为学结果中，相生条件反应时短于相克条件反应时，即是大脑优先加工相生关系的体现。

4 小结

本研究应用ERP和fMRI技术观察五行生克关系判断的大脑加工过程。行为学结果显示，相生关系判断的反应速度小于相克关系判断。ERP结果显示，相生关系判断和相克关系判断过程先后诱发P200成分、P300成分和LPC成分。3种成分的平均波幅统计结果均为相生条件大于相克条件。fMRI结果显示，相克关系判断激活顶叶区域；相较于相生关系判断，相克关系额外激活顶叶和额叶区域；相生关系判断比相克关系额外激活枕叶、额叶和岛叶区域。ROI分析显示，楔叶(BA18)处和顶上小叶(BA7/8)处均表现为相生条件激活更为显著。

研究结果表明，五行生克关系判断的策略为基于分类关系加工的认知策略，词对关系是否符合相生关系是分类策略加工的核心。这也提示相生关系比相克关系的加工更具有优先性。

本研究考察了五行2个成员间生克关系判断任务的大脑加工过程。然而，在五行学说的应用过程中，生克关系的应用还体现在成员间生克关系的传递和推理，关于此类推理的大脑加工过程，有待进一步研究。