语文学习困难儿童汉字记忆编码的神经机制研究，本文主要内容关键词为：汉字论文,语文学习论文,神经论文,困难论文,机制论文，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。
文章编号：1001-4918(2011)02-0164-173 中图分类号：G442 文献标识码：A
1 引言
大量的行为实验表明，学习困难儿童存在工作记忆和短时记忆等认知加工方面的不足（程灶火，龚耀先，1998；李晓东，聂尤彦，庞爱莲，林崇德，2003；金志成，隋洁，1999；张明，隋洁，2003；Sluis，Leij，& Peter，2005；王恩国，赵国祥，刘昌，吕勇，沈德立，2008；王恩国，刘昌，2008）。然而，造成这种缺陷的原因是由于记忆编码阶段的缺陷或是提取阶段的不足，仅仅依据行为实验还不能发现各信息加工阶段的真实时间特征。有关学习困难的ERP研究还没有深入到记忆等相关领域（Kujala & Naatanen，2001；Greenham & Stelmack，2003；Mangina，2004；Taylor & Keenan，1990；王恩国，刘昌，2005）。由于ERP技术的发展，为阐明真实时间条件下信息加工过程提供了可能。
目前，有关记忆编码神经机制的研究方法为深入探讨学习困难儿童的脑机制提供了借鉴。记忆可区分为编码、储存和提取三个独立而又相互作用的过程，在这三个过程中，编码和提取是非常活跃的过程。编码是指对信息最初的加工，它产生记忆痕迹；提取是对过去编码信息的重复激活。研究记忆编码神经机制的一个有效方法是记录学习阶段的神经活动，然后根据随后的记忆测验成绩来分类这些记录。已有许多研究探讨了学习阶段大脑电位活动与记忆编码过程之间的关系。Sanquist等人最早进行了记忆编码过程相继记忆效应的研究，该研究将学习阶段所诱发的神经活动，根据随后的测验成绩分成两类，分别对应于被再认的单词和未被再认的单词，结果表明，随后记忆正确被再认的单词比随后记忆不正确未被再认的单词有更大的晚期正成分LPC(Late Positive Component)。他们将这两类的差异称为相继记忆效应(Subsequent Memory Effects)。Paller等人(1988，1987)也进行了同类的研究，发现了同样的结果，他们称之为Dm效应或“记忆差异”(Differences due to memory)。它是基于相继记忆操作的ERP差异，并由此提出，Dm效应可能提供了被记住事件的测量（郭春彦，朱滢，丁锦红，2003）。目前，Dm效应的研究已在言语领域取得一定成就，研究发现（Elger et al.，1997；郭春彦，2005；罗跃嘉，魏景汉，翁旭初，卫星，2001；聂爱情，郭春彦，吴艳红，屈南，丁锦红，2004），正确再认的外文单词或汉字均比错误再认外文单词或汉字诱发的正波波幅更大，说明其加工深度存在差异。在非言语材料的研究中，面孔和有意义的图片均发现显著的Dm效应(Petten & Senltfor，1996；Wilding & Sharpe，2004；Simon et al.,2002)。但Dm效应与材料性质有很大关系，Petten和Senkbr使用无意义的图片作为实验材料，结果就没有发现Dm效应。研究记忆提取的一个有效方式是“旧／新”范式(old/new paradigm)，在测验阶段混合呈现学过与未学过的项目，要求被试判断项目是否学过，学过的项目为旧项目，未学过的项目为新项目，研究发现，在测验阶段正确再认旧项目比正确判断新项目的正波振幅更大，这种差异被称为“旧新”效应(old/new effect)。old/new效应被解释为提取加工的一种表征形式，这些提取加工涉及被试有意识的区分旧、新项目的能力。old/new效应通常开始在刺激呈现后400ms左右，一般持续300-400ms，主要集中在后部脑区，研究多使用单词、图片、面孔等其它视觉刺激。目前，关于old/new效应在言语领域已取得一致的结论，言语材料存在显著的old/new效应(Duarte，Ranganath，Winward，Hayward，& Knight，2004；Friedman & Trott，2000)。对非言语材料的研究中，以不同性质的图片为实验材料，结果发现，old/new效应存在差异，old/new效应也与材料性质有很大关系(Wilding & Rugg，1996；Weyerts，Tendolkar，Smidhgo，& Heinae，1997)。
本研究采用事件相关电位方法，以汉字作为研究材料，以语文学习困难儿童为研究对象，采用17导脑电记录方法，通过汉字“学习－再认”的ERP研究范式，考察对照组与语文学习困难儿童组记忆编码的Dm效应有何异同，揭示语文学习困难儿童组与对照组在加工程度上是否存在差异，进而深入探讨儿童汉字记忆编码过程的脑机制。
2 方法
2.1 被试的选取
在天津师范大学附属小学和天津市凤湖里小学选取语文学习困难儿童和正常儿童各19名（男21，女17），身体健康，无严重疾病史记录，右利手，视力和矫正视力在1.0以上，年龄为11.5-13.5岁（平均12.5岁），实验前均得到学生监护人的同意，实验结束后给予一定报酬。
语文学习困难的诊断工具包括三个量表：1)学习适应性测验（AAT测验），530名小学生参与测验，本测验是由日本教育研究所编制并进行了修订，由华东师范大学周步成教授引进并进行标准化，制定了中国常摸。以班为单位施测。根据每个人的得分转换为等级，将学习适应等级在2等或2等以下的48名可疑学习困难儿童挑选出来，进入学习困难的筛选；2)学习困难筛查测验（PRS测验），本测验是由美国两位博士（巴斯特和约翰）合作编制的。我国镇江医学院周平女士翻译成中文，经过了有关检验，评价了量表的等值性和同值性，制定了江苏常摸。该量表因子分析效性高，效价理想，适于国内团体测试，是比较理想的筛选学习困难的工具，确定42名学习困难儿童，将上学期期末考试成绩转化为Z分数，数学分数位于50%以上，语文考试分数低于25%，确定为语文困难共19名；3)瑞文标准智力测验(SPM)，排除智商低于80的被试，本次被筛选的被试智商均符合标准。
2.2 实验材料
单个汉字信息记忆编码和提取。每个学习组44个词频相同的单个汉字，其中4个靶字（动物）；每个再认组80个词频相同的单个汉字，测验时靶字不再呈现（新汉字40个，在学习组学过的汉字40个），被试的任务是看到表示动物的单个汉字就用一只手的拇指按键，非动物汉字不按键，按键的手在被试间平衡。汉字呈现的时间为250ms，ISI(offset-onset，interstimulus interval)为1400±200ms，共有4个学习组4个再认组，学习组动物单个汉字与其它汉字的比例是1∶10。新汉字与旧汉字在数据统计中有不同的标记。
2.3 实验程序
本实验采用“学习－再认”研究范式，整个实验序列包括3个阶段。
(1)学习阶段：被试对每个呈现在屏幕中央的单个汉字进行认真学习，被试的任务是看到表示动物的单个汉字就用一只手的拇指按键，非动物汉字不按键，按键的手在被试间平衡。每个汉字的呈现时间为200ms，呈现间隔(ISI)为1600±200ms。
(2)分心作业：每组学习任务结束后，屏幕上呈现一个3位数，要求被试进行1分钟的倒减3运算，以阻止被试对刚学过项目的复述。
(3)再认测验：要求被试既快又准确的以左、右手分别按建，用以判断呈现的一个汉字在学习阶段是否见过，见过的按1键，没见过的按9键。左、右手所对应的反应键在被试之间进行平衡。每个汉字的呈现时间为600ms，ISI为2200±200ms。
2.4 ERPs的记录与获得
采用德国Brain products公司生产的17导脑电记录系统和Ag/AgCI电极帽（德国BP公司），连续记录学习阶段17个单极导联的脑电(EEG)。电极位置采用10-20扩展电极系统（参见图2）。两个双极导联用于垂直和水平眼电(EOG)记录。以双侧乳突连线的平均作为参考。接地点在Fpz和Fz连线的中点。滤波带通为0.05～40Hz，A/D采样频率为250Hz。电极与头皮接触电阻均小于5KΩ。连续记录原始脑电，然后离线进行叠加分析。ERPs的观察窗是-200～1000ms，用-200～0ms的平均振幅对基线进行矫正。伴有眨眼、眼动、肌电等伪迹的数据均被排除。学习阶段（不按键）诱发的ERPs根据能否再认进行分类叠加，从而获得记住和没记住2种条件的ERPs曲线，再认阶段根据正确再认的旧汉字和正确再认的新汉字进行分类叠加，从而获得提取阶段2种条件的ERPs曲线。
图1 实验流程图
图2 电极分布图
2.5 数据分析
结合波形、地形图以及各种实验条件，并参照前人研究，确定4个主要测量分析时段：300～400ms，400～500ms，500～600ms，600～700ms，采用平均振幅测量法。
根据头皮分布与电极之间的关系，以及前人的研究选取少数具有代表性的脑区和电极进行分析，对于测量结果主要采用三因素方差分析(Repeated-Measure ANOVA)。编码阶段分析因素包括：记忆（2水平：记住与未记住数字）、脑区（4水平：额区、中央区、顶区和枕区）、电极位置（3水平：左半球中线内侧、中线、右半球中线内侧）。电极位置的脑区划分为：额区(F3、Fz、F4)，中央区(C3、C[,2]、C4)，顶区(P3、Pz、P4)，枕区(O1、Oz、O2)。提取阶段因素分析包括：记忆判断（2水平：正确记住旧数字与正确记住新数字）、脑区（4水平：额区、中央区、顶区和枕区）、电极位置（3水平：左半球中线内侧、中线、右半球中线内侧）。电极位置的脑区划分为：额区(F3、Fz、F4)，中央区(C3、Cz、C4)，顶区(P3、Pz、P4)，枕区(O1、Oz、O2)。
本研究分别分析编码过程中记住的Dm效应以及提取过程中记住的old/new效应的特征。
上述分析使用SPSS软件包进行处理，同时使用Greenhouse-Geisser矫正法。
3 结果分析
3.1 行为结果
在正确率方面，编码阶段，只要求被试对动物词按键，对靶词的正确判断率为96.8%。根据信号检测理论，被试的P(A)值应大于0.5［P(A)＝（击中数+正确否定数）／刺激总数］，本实验中，35名被试的P(A)值均大于0.5，平均P(A)值为0.65。
在反应时方面，学习阶段靶字的平均反应时为436.8ms。测验阶段正确判断为旧字的平均反应时为728.5ms，正确判断为新字的平均反应时为807.3ms，二者存在显著差异(
=7.25，p＜0.001)，说明旧字再认快于新词的正确判断。学习阶段，语文学习困难组与正常组对靶词的判断正确率分别为96.05%和95.88%，没有显著差异；但对照组对靶词的反应时比语文学习困难组长约61ms，具有统计学显著性意义。再认阶段，对照组平均再认正确率比语文学习困难组高约13.3%，也具有统计学显著性（见表1）。
3.2 ERP波形的基本特征
初步波形分析发现，3名被试眨眼次数过多，数据被剔除，有效被试共35人，语文学习困难儿童17名（男9，女8），对照组儿童各18名（男10，女8）。
对编码阶段相继成功回忆和未成功回忆汉字的ERP进行分类叠加（不包括靶项目，以排除按键动作的干扰），平均叠加次数分别是62和57；对编码相继正确再认和错误再认汉字的ERP进行分类叠加，平均叠加次数分别是65和58。
总体上看，记忆编码阶段，语文学习困难组和对照组的正确再认与错误再认2种条件下的ERPs在基本特征上十分相似，且记住比未记住的波幅更正。首先，可以观察到一般的视觉诱发电位，最初是以顶—枕区为代表的早期正波P1（平均潜伏期为110ms），接着出现的是一个早期负波N1（平均潜伏期148ms），随后出现的是一个稍晚的正波P2（平均潜伏期为237ms）；其次，在中央区（以Cz为代表），从356ms开始一直到记录结束，出现一个振幅较大且持续时间较长的晚期正成分LPC(late positive component)。提取阶段，正确判断旧字的ERPs与正确判断新字的ERPs亦具有相似性，且正确判断旧字的ERPs比正确判断新词的ERPs更正。在顶区和中央区，从368ms开始一直到记录结束可以观察到一个波幅较大的LPC，且在约726ms以后，记住与未记住的波形趋向于重合。
3.3 不同能力组记忆编码比较
分别对编码过程的四个时段(300～400ms，400～500ms，500～600ms，600～700ms)进行记忆判断（再认正确与再认错误）两种条件下的不同能力组（语文学习困难组与对照组）×脑区（4水平：额区、中央区、顶区和枕区）×电极位置（3水平：左半球中线内侧、中线、右半球中线内侧）3因素重复测量方差分析。
3.3.1 语文学习困难组与对照组正确再认的ERPs比较
图3 语文学习困难组与对照组正确再认的ERPs
图4 语文学习困难组与对照组正确再认的ERPs差异波地形图
3.3.2 语文学习困难组与对照组错误再认的ERPs比较
图5 语文学习困难组与对照组错误再认的ERPs
图6 语文学习困难组与对照组错误再认的ERPs差异波地形图
3.3.3 语文学习困难组与对照组Dm效应的差异波比较
将对照组记忆编码阶段正确再认的ERPs减去错误再认的ERPs就得到其Dm效应的差异波，同样，将语文学习困难组记忆编码阶段正确再认的ERPs减去错误再认的ERPs就得到其Dm效应的差异波。
分别对编码过程的四个时段(300～400ms，400～500ms，500～600ms，600～700ms)进行Dm效应差异波条件下的不同能力组（语文学习困难组与对照组）×脑区（4水平：额区、中央区、顶区和枕区）×电极位置（3水平：左半球中线内侧、中线、右半球中线内侧）3因素重复测量方差分析。
总之，从方差分析结果可以得出：在300～400ms，对照组记忆编码的Dm效应差异波与语文学习困难组记忆编码的Dm效应差异波没有显著差异。在400～500ms，对照组记忆编码的Dm效应差异波与语文学习困难组记忆编码的Dm效应差异波有显著差异，在顶区和中央区，对照组记忆编码的Dm效应要大于语文学习困难组记忆编码的Dm效应。在500～600ms和600～700ms，对照组记忆编码的Dm效应差异波与语文学习困难组记忆编码的Dm效应差异波有显著差异，在枕区、顶区和中央区，对照组记忆编码的Dm效应要大于语文学习困难组记忆编码的Dm效应。
图7 语文学习困难组与对照组Dm效应的差异波
4 讨论与结论
Dm效应是在与提取（正确与错误）有关的记忆编码过程中获取的ERPs差异，也就是记住与未记住的ERPs的差异，所以，它被看做记忆编码过程的反映。本实验既观察到了语文学习困难组和对照组存在的ERPs差异，也比较了不同能力组加工所对应的两种Dm效应。同时，还进一步比较探讨了加工差异与Dm之间的关系。
本研究发现编码过程在300～700ms存在显著的相继记忆效应，以往研究多使用英文或德文等拼音材料，被试主要是大学生，虽然本研究以儿童为被试，使用非拼音的汉语单字材料，但没有在视觉通道发现任何文字依赖的效应，语文学习困难组和对照组均发现明显的Dm效应。同时，与大多数研究一样，在不同能力组两种条件下，均获得了明显的Dm效应。
与此同时，本研究所获得的Dm效应也与以往研究有很大不同。时程上，本研究发现的Dm效应主要集中在300～700ms。郭春彦等(2003)关于不同加工与记忆编码关系的ERP研究发现，Dm效应与N2波有关，大约出现在230～280ms，作者将Dm效应划分为三个时段，除LPC1与LPC2外，还有一个fbN2，而且，Dm效应在fbN2与LPC1之间是不连续的，处在N2峰的两侧。出现这种差异的原因可能在于被试年龄差异造成的，郭春彦等的研究对象为大学生，而本研究被试为小学生。Friedman和Trott(2000)曾使用英文句子，研究两组被试（年轻人和老年人）记住和熟悉编码过程的分离，结果发现对于年轻被试，在210～1000ms都发现显著记住Dm效应，而老年人却没有。
在脑区分布上，本研究发现，相对右侧电极来说左侧电极记住的Dm效应相对更大。结合差异波地形图还发现，记住的Dm效应在400～500ms内的左侧后部电极位置活动更加显著，在500～600ms内后部脑区活动均十分明显，在600～700ms内顶区和中央区活动更为明显。总体来看，记住的Dm效应在500～600ms活动最明显，从波形图上能发现此段正确再认与错误再认的ERPs差异最大。这一结果同Duarte(2004)的ERP研究也有不同之处，该研究使用灰色实物图片，在刺激呈现后300～450ms发现双侧额极、左侧前额、左侧额区和左侧中央区的相继熟悉效应，而在该时段发现右额极、右前额、右额区和双侧中央区的相继记住效应.在此之前，Friedman等人(2000)研究发现在刺激呈现后810～1000ms，老年被试知道的Dm效应在右侧脑区更显著。实验材料的不同可能是导致上述结果不一致的原因，大量研究发现言语材料和非言语材料的神经机制不同，Elger等人(1997)的一项使用颅内安置电极技术比较言语材料和非言语材料的Dm效应的研究时发现，同一群体被试的图片和单词Dm效应的偏向不同。该研究以诊断额叶癫痛的病人为被试，在手术前检测期间，直接从13位有右额叶癫痛和13位有左额叶癫痛的病人（所有病人都显示有左半球语言优势）的内侧和外侧额叶获得记录结果（皮层电图和立体一脑电图）。不同组被试分别呈现图片或单词：每一情形中，一半的项目仅呈现一次，一半项目呈现两次。在图片和单词的初次（“新异的”）呈现期间，所有病人都显示在左右前内侧额叶有负波，大约400ms达到峰值，并且项目重复呈现时的波与第一次呈现时比，强度有所减小。至关重要的一点是从目前的观点出发，这一效应与被试的相继正确再认有显著相关，但受材料类型影响，偏向于左侧与单词的相继再认有关，偏向于右侧与图片的相继再认有关。
图8 语文学习困难组与对照组Dm效应的差异波地形图
本实验根据差异波的地形图发现Dm效应在后部脑区活动更显著。以往研究曾根据ERPs头皮分布，将Dm效应分为两类：一类是额叶最大，一类是中央顶区最大。前者主要由前额皮层神经活动所引发，后者一定程度上与内侧额叶区域的神经活动有关。研究者据此认为，基于头皮分布不同的两类Dm效应是由不同脑区和不同认知加工引发的。Paller等人(1987)和Petten等人(1996)的研究发现，当学习任务的指导语强调精细编码策略如语义联系、语义辨认和想象时，额区正波通常会更好地预测哪些单词将会被记住。Weyerts等人(1997)研究非联想编码（对每一个单词单独进行语义判断）和联想编码（建立两个单词之间的语义联系）的Dm效应，在后一种条件下观察到可靠的Dm效应，且在右额区最大。Paller等人(1988)提出Dm反映的编码加工类似于被称作“精细编码”的加工，外显的提取方式依赖被记住事件同其他信息之间通过精细编码建立起来的联系。总的来看，额叶Dm效应来自精细编码策略与机械编码策略、深加工与浅加工、联想与非联想编码任务之间的对比调节加工，它同编码过程中被试对项目的精细加工有关。结合本研究发现的Dm效应在所分析时段的晚期在大脑前部更显著，一种可能性就是精细编码策略对记忆编码的影响。
本研究中，语文学习困难组与对照组2种加工条件下的Dm效应存在着显著的时间与空间上的差异。在Dm效应出现前，不同能力组加工的突出差异表现在，语文学习困难组加工的P2潜伏期，显著晚于对照组。同时还发现，不同能力组加工的N2和LPC差异与Dm效应十分相似，对照组比语文学习困难组更正。但是，与Dm效应不同的是，不同能力组加工的分离明显大于Dm效应的分离，而且，持续时间更长，一直持续到1000ms之后，远远晚于Dm效应的分离时间。且对照组比语文学习困难组有一个更正的晚正成分。这些结果提示，Dm效应反应了加工的变化，语文学习困难组与对照组在加工程度上存在差异，使编码项目的记忆痕迹呈现强弱特点。
语文学习困难组和对照组都存在显著的Dm效应。对照组记忆编码的Dm效应大于语文学习困难组记忆编码的Dm效应。对照组记忆编码的加工程度高于语文学习困难组。