大脑功能不对称与半球间的功能整合——不同视觉复杂度汉字“同—异”判断的证据，本文主要内容关键词为：功能论文,汉字论文,复杂度论文,半球论文,不对称论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：B84文献标识码：A文章编号：1001-4608(2006)01-0096-07
一、引言
采用半视野速示术的研究资料[1-3] 提示，汉字视知觉加工中强调字形辨认时有明显的左视野(右半球)优势。对此，一些研究者推测，由于每一个汉字都是由若干笔画和部件所组成的方块结构，因此汉字的字形辨认加工应该主要由擅长视觉空间机能的大脑右半球来处理。近期，一些大脑功能成像的研究结果似乎也支持这种观点，如Tan等[4] 采用fMRI检查发现，汉字阅读时除了出现相对较强的大脑左半球额叶与颞叶激活之外，还有明显的右半球枕叶和顶叶的激活。研究者认为，这与需要分析处理由不同笔画构成的汉字空间结构有关。唐一源等[5] 的fMRI研究也显示，汉字默读过程伴随着大脑右半球枕叶的明显激活，作者也将此归咎于汉字的字形结构加工。但是，以上解释起码会受到有关大脑两半球“视觉空间频率不对称假设”[6，7] 的置疑。这一假设认为，大脑左半球对视觉空间刺激高频成分的加工更有效，而右半球则对低频成分的加工更有效。这提示，大脑两半球对视觉空间结构的加工存在明显的机能不对称现象。Coney[8] 曾通过控制笔画数来改变汉字的视觉复杂度，试图验证研究者[9] 早先所提出的“汉字加工的右半球优势可能只是受到了对多笔画汉字刺激加工影响”的假设。但研究结果却发现了与之相反的不对称现象，即对多笔画汉字认读明显的右视野(左半球)优势。研究者认为，这种优势模式完全可以由“视觉空间频率不对称假设”来解释，因为多笔画汉字相对于少笔画汉字的视觉空间频率要高，既然左半球擅长于加工高频空间成分，所以对多笔画汉字的阅读便出现了明显的右视野优势。这种解释还存在一些需要进一步澄清的问题。首先，虽然大脑两半球的空间频率不对称现象出现在相对较迟的知觉加工阶段，但不同的认知加工任务会影响其表现，尤其是对视觉语言材料的语音或语义加工会明显掩盖这种不对称效应[6，7]。Coney的研究[8] 采用了汉字阅读任务，其加工直接需要对汉字进行语音编码和输出，还可能有语义的自动激活。第二，一些脑功能成像的研究资料[4，5] 显示，汉字阅读时负责视觉空间加工的右半球枕叶和顶叶脑区有明显的激活，这似乎验证了有关汉字知觉辨认中右半球优势的推测，而不支持Coney的观点。但也有的汉字阅读脑成像研究[10] 发现了两侧枕叶和顶叶的激活，提示两半球可能均参与了汉字辨认加工。由于这些研究均未对汉字的笔画数加以控制，因此还无法确定由笔画数所决定的汉字视觉复杂度在知觉加工中与大脑两半球功能不对称的关系。据此，本研究选择了少笔画简单汉字和多笔画复杂汉字的“同—异”判断任务，采用半视野速示术将汉字字对在左视野(右半球)或右视野(左半球)呈现，进一步考察这种强调汉字字形辨认的任务加工中是否存在由笔画数所决定的汉字视觉空间频率对大脑功能不对称的影响。
本研究的另一个目的是检查在不同视觉复杂度汉字辨认加工中是否存在大脑两半球间的整合效应。为了检查这种效应，近期的研究[11-15] 在半视野单侧速示呈现刺激的基础上普遍增加了两视野(两半球)同时呈现相同或不同刺激的条件。可以将两视野(两半球)同时呈现条件下对某项任务的加工速度和正确性与两种单侧视野(左半球或右半球)呈现条件进行比较，如果两视野呈现条件的加工速度明显快于任何单侧视野呈现，正确性高于任何单侧视野呈现，则可以认为此项任务加工存在明显的两半球整合优势。因此，本研究的实验设计还增加了将每一字对中两个汉字分别在两视野(两半球)同时呈现的条件，以评价是否存在这种整合加工的优势。Banich的一系列研究[12，13] 发现，只要一项认知任务中大脑两半球可能在任何加工成分中起作用，两半球的整合加工就可能发生，但这种优势效应只出现在计算复杂的任务条件下。如果汉字字形加工中需要具有不同视觉空间频率不对称加工的两半球参与，它们之间的功能整合就应该明显改善对空间结构的加工效率，从而出现优势效应。不过，这可能会受到任务难度的影响。关联性“同—异”判断加工中“同”与“异”可能采取不同的加工方式，它们的相对加工速度明显受到刺激对之间“异”相关的纬度量的调节[16]。因此，本研究中汉字的“同—异”判断也许能区分任务计算难度的水平。我们预计，一方面，由笔画数多少所决定的不同汉字视觉空间频率可能影响字形辨认加工的大脑两半球不对称；另一方面，由汉字视觉复杂度所决定的不同刺激计算难度和由“同—异”判断方式所决定的不同判断任务计算难度可能共同影响是否出现两半球整合加工的优势效应。
二、方法
(一)被试
大学生32名(男女各16名，年龄22～26岁)，经利手十项标准[17] 检查均为右利手，且视力正常。
(二)实验装置与材料
P IV电脑一台。采用自编半视野速示实验软件(TVH)进行汉字对的呈现和反应时与错误率数据的采集。从《现代汉语频率字典》[18] 前500位汉字中选择60个少笔画简单汉字(1～4画)组成20对相同和20对不同字对，另选60个左右、上下或上中下结构的多笔画复杂汉字(9～12画)组成20对相同和20对不同字对。每对不同汉字对均不包含相同的构字部件。
(三)实验设计和测试过程
采用2刺激复杂度(简单与复杂汉字)×2判断方式(同—异)×3视野呈现条件(左视野、右视野和两视野)的重复实验设计。
测验在一安静半暗的隔音实验室内进行。测试前，告知被试每次测验将有一对汉字上下同时在视野左侧或右侧呈现，或左右侧同时呈现各一个汉字。测验时，被试端坐于正对屏幕50厘米处，并将下颚置于头架上。准备状态为屏幕中央出现“请按启动键”的提示，此时被试可用拇指按下空格键启动测验，随即屏幕中央会出现一“+”字，被试须两眼凝视该字符。1秒后，屏幕的左侧或右侧会出现一对汉字，或左右侧同时出现各一个汉字。汉字对呈现时间为50毫秒，偏心视角5度，大小为上下、左右各3.5度，一侧视野上下排列的两个汉字相距1.75度。被试的任务是辨认与判别屏幕上每次呈现的两个汉字的“同—异”，并以手动按键方式尽快报告结果。当呈现的字对为相同汉字时，被试按压“同”键；如果所呈现的字对为不同汉字时，则按压“异”键。三种视野呈现方式随机出现，汉字对的“同—异”判断半随机出现。实验中有一半被试用左手反应，另一半用右手反应，以平衡用手对大脑半球功能的影响。左、右反应用手被试中各有一半被试用食指按压“同”键，中指按压“异”键；另一半被试用中指按压“同”键，食指按压“异”键，以平衡食指和中指反应的差异。所有被试均先进行3×(20+20)=120次简单汉字的测验，然后进行相同次数的复杂汉字测验，两组测试之间休息约5分钟。用另10对(5对“同”和5对“异”)汉字刺激示范呈现方式，并熟练被试对任务的加工反应。整个实验在30分钟内完成。
三、结果
32名被试的总平均正确反应时和总平均错误百分率的实验结果见表1。用SPSS10.0/for Windows对数据进行2×2×3(刺激复杂度×判断方式×视野呈现条件)的多因素方差(ANOVAs)分析。
表1 简单与复杂汉字在三种视野条件下同—异判断的平均正确反应时(毫秒)和错误百分率(括号中为SD)
左视野
右视野
两视野
反应时 错误率 反应时错误率反应时 错误率
简单字
同678.3(168.8)
15.6(16.8)640.8(147.9)16.9(18.9)
580.9(110.4)7.2(10.3)
异582.7(113.5)1.7(3.7) 579.6(110.6) 3.1(4.5)565.9(106.6)2.3(2.8)
复杂字
同678.3(119.0)
24.1(19.2)716.3(158.1)24.7(19.3)
643.2(112.3)9.7(9.3)
异617.3(109.8)4.2(10.1)650.6(136.8) 3.3(8.3)603.0(114.5)3.3(4.1)
(一)正确反应时
ANOVAs结果表明：汉字复杂度主效应显著[F(1，31)=10.44，p=.003]，显示少笔画简单字的正确反应时(M=604.70)显著快于多笔画复杂汉字(M=651.46)；判断方式主效应显著(F(1，31)=17.65，p=.000)，显示“同”判断的正确反应时(M=656.30)显著慢于“异”判断(M=599.86)；视野呈现条件主效应显著[F(2，62)=17.05，p=.000]，具体表现为两视野的正确反应时(M=598.27)显著快于左视野(M=639.13)[F(1，31)=26.10，p=.000]和右视野(M=646.84)[F(1，31)=34.30，p=.000]，但左右视野差异不显著[F(1，31)=1.46，p=.236]。
汉字复杂度×判断任务的交互作用不显著[F(1，31)=0.01，p=.906]。原因在于简单字“同”判断的正确反应时(M=633.34)显著慢于“异”判断(M=576.06)[F(1，31)=14.54，p=.001]，复杂字“同”判断的正确反应时(M=679.26)也显著慢于“异”判断(M=623.66)[F(1，31)=12.501，p=.001]。
汉字复杂度×视野呈现条件交互作用显著[F(2，62)=7.47，p=.002]。其中，汉字复杂度×左右视野交互作用显著[F(1，31)=15.61，p=.000]，具体表现为简单字的正确反应时在右视野(M=610.23)显著快于左视野(M=630.45)[F(1，31)=5.52，p=.025]，而复杂字的正确反应时在左视野(M=647.80)显著快于右视野(M=683.45)[F(1，31)=11.82，p=.002]。汉字复杂度×左两视野交互作用显著[F(1，31)=7.85，p=.009]，因为简单字在两视野的正确反应时(M=573.42)显著快于左视野(M=630.50)[F(1，31)=921.12，p=.000]，复杂字在两视野的正确反应时(M=623.13)也显著快于左视野(M=644.80)[F(1，31)=9.84，p=.004]，但不如简单字的差异大。汉字复杂度×右两视野的交互作用不显著[F(1，31)=4.08，p=.052]，因为简单字在两视野的正确反应时(M=573.42)显著快于右视野(M=610.20)[F(1，31)=24.16，p=.000]，复杂字在两视野的正确反应时(M=623.13)也显著快于右视野(M=683.45)[F(1，31)=24.38，p=.000]。
判断方式×视野呈现条件的交互作用显著[F(2，62)=5.36，p=.007]。“同”判断的正确反应时在左视野(M=678.30)与右视野(M=678.55)间没有显著差异[F(1，31)=0.001，p=.978]，但两视野(M=612.05)显著快于左视野[F(1，31)=34.12，p=.000]和右视野[F(1，31)=24.16，p=.000]。“异”判断的正确反应时在左视野(M=600.00)与右视野(M=615.10)间差异不显著[F(1，31)=2.66，p=.113]，两视野(M=584.45)与左视野的间差异也不显著[F(1，31)=3.41，p=0.074]，但两视野显著快于右视野[F(1，31)=8.92，p=.005]。
进一步对简单字和复杂字的“同—异”判断平均正确反应时在三个视野间进行比较的结果表明：简单字“同”判断在右视野的正确反应时显著快于左视野[F(1，31)=4.88，p=0.035]，两视野显著快于左视野[F(1，31)=23.46，p=0.000]和右视野[F(1，31)=16.97，p=0.000]；简单字的“异”判断在左视野与右视野[F(1，31)=0.11，p=0.739]，两视野与左视野[F(1，31)=1.88，p=0.180]，以及两视野与右视野[F(1，31)=1.43，p=0.241]之间均差异不显著。复杂字“同”判断在左视野的正确反应时显著快于右视野[F(1，31)=8.02，p=0.008]，两视野显著快于左视野[F(1，31)=9.46，p=0.004]和右视野[F(1，31)=19.601，p=0.000]；复杂字“异”判断在左视野的正确反应时(M=617.34)快于右视野，差异接近显著[F(1，31)=4.12，p=0.051]，两视野(M=603.03)显著快于右视野[F(1，31)=8.81，p=0.006]，但与左视野差异不显著[F(1，31)=1.452，p=0.237]。
(二)错误百分率
ANOVAs结果表明，汉字复杂度主效应显著[F(1，31)=11.98，p=.002]，显示简单字的错误百分率(M=7.8)显著低于复杂字(M=11.5)；判断方式主效应显著[F(1，31)=36.29，p=.000]，显示“同”判断的错误百分率(M=16.3)显著高于异判断(M=3.0)；呈现视野条件主效应显著[F(2，62)=22.90，p=.000]，具体表现为两视野的错误百分率(M=5.6)显著低于左视野(M=11.4)[F(1，31)=35.85，p=0.000]和右视野(M=12.0)[F(1，31)=40.69，p=0.000]，但左右视野错误百分率没有显著差异[F(1，31)=0.26，p=0.614]。
汉字复杂度×判断方式的交互作用显著(F(1，31)=4.73，p=.037)。原因在于简单字“同”判断的错误百分率(M=13.3)显著低于复杂字(M=19.5)[F(1，31)=9.42，p=0.004]；而简单字“异”判断的错误百分率(M=2.4)与复杂字(M=3.6)差异不显著[F(1，31)=1.69，p=0.203]。
汉字复杂度×呈现视野条件的交互作用显著[F(2，62)=3.260，p=.045]。进一步比较的结果显示，简单字在两视野的错误百分率(M=6.1)显著低于左视野(M=10.3)[F(1，31)=11.32，p=0.002]和右视野(M=11.7)[F(1，31)=16.35，p=0.000]，复杂字在两视野的错误百分率(M=6.7)也显著低于左视野(M=14.6)[F(1，31)=40.79，p=0.000]与右视野(M=13.8)[F(1，31)=38.48，p=0.000]。但简单字和复杂字在左右视野间的差异也不显著。
判断任务×视野呈现条件的交互作用显著[F(2，62)=14.40，p=.000]。具体表现为“同”判断的错误百分率在左视野(M=19.9)和右视野(M=20.8)间差异不显著[F(1，31)=0.18，p=0.679]，但两视野(M=8.44)显著低于左视野[F(1，31)=34.06，p=0.000]和右视野[F(1，31)=35.20，p=0.000]；“异”判断的错误百分率在左视野(M=3.0)与右视野(M=3.2)间[F(1，31)=0.05，p=0.825]、两视野(M=2.8)与左视野间[F(1，31)=0.03，p=0.875]和两视野与右视野间[F(1，31)=0.23，p=0.633]的差异均不显著。
进一步对简单字和复杂字“同—异”判断的错误百分率分别进行三种视野间比较的结果表明：简单字“同”判断的错误百分率在左视野与右视野间的差异不显著[F(1，31)=0.35，p=0.559]，但两视野显著低于左视野[F(1，31)=14.65，p=0.001]和右视野[F(31)=14.55，p=0.001]；简单字“异”判断的错误百分率在左视野和右视野间[F(1，31)=3.21，p=0.083]，两视野与左视野间[F(1，31)=0.80，p=0.379]，以及两视野与右视野间[F(1，31)=0.86，p=0.361]均差异不显著。复杂字“同”判断的错误百分率在左视野和右视野的差异不显著[F(1，31)=0.03，p=0.857]，但两视野显著低于左视野[F(1，31)=30.21，p=0.000]和右视野[F(1，31)=32.82，p=0.000]；复杂字“异”判断在左视野与右视野间[F(1，31)=0.33，p=0.568]，两视野(M=3.3)与左视野间[F(1，31)=0.35，p=0.561]，以及两视野(M=3.3)与右视野间[F(1，31)=0.00，p=1.000]均差异不显著。
四、讨论
本研究在半视野速示呈现条件下要求被试对具有不同笔画数的汉字对进行“同—异”判断加工。结果显示，正确反应时在汉字复杂度与左右视野间出现了明显的交互作用，表现为少笔画简单汉字倾向于出现右视野(左半球)优势，这在“同”判断尤为明显；而多笔画复杂汉字的“同”与“异”判断均出现了明显的左视野(右半球)优势(见图1)。Coney[8] 采用汉字阅读任务检查的结果发现，少笔画简单字倾向于出现左视野(右半球)优势，而多笔画复杂字则为明显的右视野(左半球)优势。以上不一致的原因可能在于加工任务的不同。汉字的“同—异”判断可能主要依赖于对字形的知觉辨认，而语音语义的加工不是必要的。但认读任务除了要准确辨认字形之外，还需进行语音编码和输出控制，可能还有语义的自动激活。虽然不排除由笔画数所决定的视觉空间复杂度对大脑两半球优势加工的影响，但刺激的语言学特性，如词的语音语义加工会明显掩盖这种不对称效应[19]。有研究[3] 发现汉字音同判断有明显的左半球优势，还有研究[20] 表明对少笔画汉字语义加工有明显的左半球优势。因此，Coney将多笔画复杂汉字认读的右视野(左半球)优势简单归咎于它们具有较高的视觉空间频率是值得商榷的。相比之下，本研究所采用的汉字“同—异”判断任务主要依赖于对两个汉字字形“同—异”的辨认与归类判别。与一些研究[1-3] 所发现的汉字字形辨认的右半球优势不同，本研究结果提示左半球加工少笔画简单字更有效，而右半球加工多笔画复杂字更有效，这可以根据大脑两半球加工视觉空间频率的不对称假设来解释。在半视野速示条件下，尤其在呈现时间较短和偏心视角较大时，刺激的高频成分受损相对于低频成分要更明显[19]。本实验的刺激呈现时间为50毫秒，偏心视角5度。这种偏侧化速示条件可能显著损害多笔画复杂字的高频信号，使得字形辨认只能依赖相对低频成分的加工，也就是主要依靠字形的整体轮廓，这显然是右半球所擅长的[21]。相比而言，少笔画简单字包含的高频成分相对较少，速示条件对汉字刺激清晰度的影响较小。由于汉字“同—异”判断需要对字刺激间的微细差异进行精确辨认，左半球可能利用自己对高频信号的加工能力表征字的局部特征[21] 400～433，最终导致对简单字“同”判断的加工成绩明显好于右半球。
本研究结果出现了汉字复杂度的难度效应，即多笔画复杂字的反应时显著长于少笔画简单字，错误率也显著高于简单字；同时还出现了判断方式的难度效应，即“同”判断的反应时显著长于“异”判断，错误率也高于“异”判断(见图1，2)。这种汉字笔画数多少引起的刺激难度效应与Coney[8] 的结果一致。判断方式的“同”难效应可能与关联性“同—异”判断中“同”与“异”范畴归类采取了不同的加工方式有关。在关联性范畴条件下，如果刺激对的所有相关纬度匹配(如ABC-ABC)，就可以归为“同”，刺激在一个或更多的相关刺激纬度上不匹配则可以归为“异”(如ABC-AXC)。已有研究资料[16] 显示，两个刺激“异”判断的快慢与它们之间存在的相关纬度的相异量成反比，即相异的纬度越多，作出“异”判断的反应越快。本研究中“异”判断汉字对没有相同或相似的对应结构部件，它们的差异大，相似性小，因此“异”任务相对简单。相反，“同”判断加工是按“排它”和“穷尽”原则进行处理的，即只有两个刺激在所有相关纬度上都一样，才能作出“同”的判断，如果有任何一个相关纬度上相异，则应排除作出“同”判断的可能。原则上要作出“同”判断必须在所有的相关纬度之间进行比较后才能完成。因此，本研究中汉字的“同”判断相对于“异”判断的加工步骤更多，相应的加工计算复杂性明显要高。另外，由于汉字中存在较多的形似字，被试在测试过程中可能存在作出“异”判断的优势预期，可能有部分“同”判断是在“异”的范畴归类之后作出的。这也是“同”判断相对于“异”判断反应慢的部分原因。
以上出现的汉字刺激难度和“同—异”判断方式的任务加工计算复杂性效应与假设的预计是一致的。重要的是本研究结果表明，简单与复杂汉字在计算复杂性高的“同”判断任务加工中两视野(两半球)同时呈现相对于任何单侧视野呈现的正确反应时要明显快，错误率明显要低，而简单字在计算复杂性低的“异”判断则没有这种差异(见图1，2)。另外，复杂汉字的“异”判断在两视野(两半球)呈现也显著快于右视野(左半球)(见图1)。这些结果均提示，大脑两半球通过相互作用实现的信息整合可以明显改善对计算复杂任务的加工效率。这与Banich等[12，13] 的理论和一系列实验结果是一致的。她们提出，人脑的加工能力是有限的，单位时间内的加工效率与任务量之间成反比；两个脑半球作为两个分离的加工器有各自的能源空间，为了提高脑的计算能力它们之间可以隔离，也可以联合；只要每一个脑半球能完成任务的一些有意义的成分，加工便可以在两半球间分配。她们曾在视觉、听觉和触觉实验中通过增加加工步骤或任务的选择性注意要求来提高任务计算的复杂性，发现随着任务难度的提高，半球间的加工(关键的信息在两半球分离呈现)要明显好于半球内的加工(所有对任务加工起关键作用的信息均直接投射到一个脑半球)。Banich[12] 认为，在计算复杂的任务加工中大脑两半球之间的信息整合可以明显提高人脑的加工能力与注意资源。本研究通过控制汉字的刺激复杂度和判断方式这两个变量试图改变计算加工的难易水平。结果发现，少笔画字的“异”判断这种刺激与判断方式都简单的加工，没有出现半球间加工的优势，少笔画和多笔画字的“同”判断这种计算复杂的任务均出现了半球间加工的明显优势，而多笔画字的“异”判断在反应时上相对于右视野(左半球)也有明显的优势。这些结果提示，本研究中由“同—异”判断方式不同所导致的计算复杂性差异是决定是否出现两半球间加工优势的主导因素，这在错误百分率的结果中最为典型(见图2)。但是，正确反应时的结果则显示出由笔画数多少所决定的汉字视觉空间频率在半视野速示条件下的大脑两半球不对称加工，也在一定程度上反映了汉字复杂度对两半球间加工优势的调节作用(见图1)。
本研究有关汉字辨认加工存在大脑两半球功能不对称，以及计算复杂任务加工中存在半球间加工优势的发现与Zhang等[15] 的结果不一致。他们的实验没有将汉字笔画数作为变量来控制，也就无法鉴别汉字视觉空间复杂度对半球加工不对称的影响；任务为汉字的形似判断，加工中只需辨认和判别两个汉字是否存在基本相似的结构部件，这与本研究中采取“排它”与“穷尽”式的汉字“同”判断任务加工相比要明显简单。但是，他们发现了汉字音同和义近判断这两种计算较复杂的加工任务存在明显的两半球间加工优势。因此，已有研究资料[12-15] 和本研究结果均表明，任务计算加工的复杂性也许是决定大脑两半球间信息整合加工优势的主要因素。