文字閱讀的神經(jīng)元再利用假說：觀點、啟示和展望

魏大為，許春燕

(1. 蘭州交通大學(xué) 外國語學(xué)院，蘭州 730070；2. 蘭州城市學(xué)院 教育學(xué)院，蘭州 730070)

一、神經(jīng)元再利用假說的緣起

與漫長的人類文明進化史相比，人類有文字閱讀的歷史可以說是微不足道的，只有短短的5400年左右[1]。從神經(jīng)科學(xué)的視角看，人類并沒有充足的時間來形成專門的閱讀神經(jīng)回路。唯一進化的是文化，文字本身逐步演化，逐漸適應(yīng)人腦加工的需要。各個國家和地區(qū)的語言文字在形式上千變?nèi)f化，尤其是拼音文字和非拼音文字之間的差異巨大，但是從抽象的角度來看，這些文字系統(tǒng)都是由簡單的形狀構(gòu)成，都依賴于一定的文字符號規(guī)則，并且，重要的是所有不同文化來源的文字都依賴于大腦中相似的腦回路尤其與語言區(qū)相聯(lián)系的腹側(cè)視覺系統(tǒng)來進行認知加工[1]。漫長的人類進化史背景下，在較短的時間內(nèi)，各地區(qū)不同的文字系統(tǒng)都發(fā)展出來，人類成功地適應(yīng)了文字閱讀這種高度復(fù)雜和專門化的認知任務(wù)。這種閱讀悖論(reading paradox)的背后，是怎樣的一種認知神經(jīng)機制在起作用呢？為解釋這一閱讀悖論，迪昂基于拼音文字閱讀的腦神經(jīng)科學(xué)證據(jù)，提出了神經(jīng)元再利用假說(Neuronal Recycling Hypothesis[1-3])。

二、閱讀的神經(jīng)元再利用理論的主要觀點和證據(jù)

神經(jīng)元再利用假說認為：文化產(chǎn)物會侵入到較原始的腦回路當(dāng)中，通過再回收利用這些回路來進化出新的認知功能，以適應(yīng)環(huán)境和文化的發(fā)展[1]。這種神經(jīng)元的再利用也不是沒有條件，新進化而來的神經(jīng)元通路必須根植于原有的但與新功能具有某種相似功能的通路中，并且具有神經(jīng)可塑性。同時，新舊認知功能會形成一定的競爭關(guān)系。在現(xiàn)代人類進化史上，人類文字閱讀能力并非通過進化直接獲得，而是在原有的用于面孔識別和視覺物體辨識等功能的腦神經(jīng)回路的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是對這些腦功能區(qū)域的再利用，最終形成了對閱讀能力具有特異性反應(yīng)的大腦左側(cè)枕顳葉交接的梭狀回中部區(qū)域，又稱為視覺詞形區(qū)(visual word form area,VWFA)[4-5]。具體來講，這一閱讀的神經(jīng)元再利用理論主要有以下幾個觀點[6]。

1. 閱讀能力的神經(jīng)基礎(chǔ)是在原有用于面孔識別的神經(jīng)結(jié)構(gòu)上發(fā)展而來，兩者具有較大的相似性

文化習(xí)得的神經(jīng)基礎(chǔ)來自于之前存在的神經(jīng)通路。閱讀的神經(jīng)通路基礎(chǔ)是負責(zé)物體識別的一般視覺通路，而這種神經(jīng)結(jié)構(gòu)普遍存在于所有的靈長類動物中[1]。通過比較英語真字、假字和面孔，Nestor等[7]利用功能性核磁共振技術(shù)(fMRI)發(fā)現(xiàn)假字和面孔識別都激活了相似的腹側(cè)皮質(zhì)，而真字相對假字在同樣的腹側(cè)區(qū)域有較廣泛的激活。Harris等人[8]通過對比了英文詞匯和面孔激活腦區(qū)的異同發(fā)現(xiàn)，在梭狀回面孔區(qū)(Fusiform Face Area,FFA)區(qū)域，兩種刺激既有自己獨特的激活點，又有共同的激活點。這兩項代表性的研究都說明文字閱讀和面孔識別的神經(jīng)表征具有相似之處。對10名6歲兒童在上學(xué)前后進行的追蹤研究也表明閱讀經(jīng)驗獲得之后，原先對面孔等視覺物體敏感的腦區(qū)也對文字閱讀出現(xiàn)激活反應(yīng)[9]。事件相關(guān)腦電位(ERP)研究也發(fā)現(xiàn)被試在學(xué)習(xí)漢字后，相比面孔，漢字誘發(fā)了更大的N170波幅(該成分是成年熟練閱讀者加工視覺詞匯過程中，視覺詞匯呈現(xiàn)后150～250 ms會誘發(fā)的一個早期負波)，可能表明漢字閱讀占用了部分面孔識別腦神經(jīng)資源[10-11]。這些研究都表明，用于文字識別的神經(jīng)通路是在原有視覺通路的而基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。

2. 腹側(cè)視覺通路為文字閱讀提供了先天的物質(zhì)基礎(chǔ)，但同時又制約了不同書寫系統(tǒng)中文字閱讀映射到該通路的變化范圍

“文化并不像社會科學(xué)家所津津樂道的那樣廣泛，具有無限的多樣性與隨意的創(chuàng)新性。大腦結(jié)構(gòu)的特點會不斷限制著文化的結(jié)構(gòu)體系。人類的創(chuàng)新能力并不是無窮無盡的，而是被神經(jīng)結(jié)構(gòu)所限制。人類文化之所以有多種多樣的形式，是因為人類對有限的基本文化特質(zhì)進行不同的選擇性組合，才形成了大量不同的文化形式”[1]。沒有文字閱讀經(jīng)驗的兒童或成人在日文、漢語和英語的短時間訓(xùn)練之后，視覺詞形區(qū)都得到了激活[12-14]。Changizi等[15]對比了幾類不同的視覺符號標(biāo)識(非語言符號、漢字等)，發(fā)現(xiàn)人腦腹側(cè)視覺通路先天對自然界基本的視覺線條輪廓敏感，促使其能夠更好地辨識字母符號。從腦神經(jīng)連接模式的角度來看，沒有英文文字閱讀經(jīng)驗時的腹側(cè)視覺通路的神經(jīng)連接模式能夠準(zhǔn)確預(yù)測經(jīng)過閱讀教育后英語兒童的詞匯激活區(qū)域。

與英文等拼音文字相比，漢字空間結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，同時又不具有形音轉(zhuǎn)換規(guī)則(Grapheme-Phoneme Conversion,GPC),學(xué)習(xí)者需要經(jīng)過扎實的訓(xùn)練才能建立字形和語音間的聯(lián)系，另外，漢語有聲調(diào)信息。這些語言本身的特征使得漢語的視覺詞形區(qū)具有雙側(cè)特征[16]。 Bolger等[17]針對不同文字閱讀加工的神經(jīng)影像數(shù)據(jù)進行了元分析，包括25項英文和其它字母語言的研究，5項漢字閱讀的研究，5項日文假名音節(jié)閱讀研究和4項日本漢字閱讀的研究。元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然書寫系統(tǒng)不同，但大腦在加工時利用的主要神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是相似的，尤其在視覺詞形區(qū)的激活出現(xiàn)了驚人的一致，并且這種一致性并未受到任務(wù)類型的影響。

漢字已有五千多年的歷史，是全球使用時間最長且沒有出現(xiàn)斷層的文字。與漢字相比，韓文是一種比較年輕的文字，迄今只有600年不到的歷史。漢字是典型的表意文字，韓文雖然有類似漢字的字形，但卻是一種表音文字。那么韓文閱讀所運用的視覺詞形區(qū)是否和漢語激活的視覺詞形區(qū)不同？為了回答這個問題，Bai等人[18]研究了早期熟練漢-韓雙語者在加工漢字、韓文字、線條圖形和面孔上時的腦激活差異。他們發(fā)現(xiàn)每個實驗被試在處理漢字和韓文字時視覺詞形區(qū)都得到了激活，而且它們在激活峰值點上也高度相似；在組間層面，激活強度和體素空間模式上也不存在差異。這項研究表明早期熟練雙語者在處理兩種不同體系的文字(表意和表音)時參與的視覺詞形區(qū)“幾乎相同”，可能說明視覺詞形區(qū)的激活可能更多地與閱讀水平非具體的文字類型有關(guān)。

綜上，盡管英文、漢字、韓文、日文隸屬于不同的書寫系統(tǒng)，存在較大的差異，但是這些文字激活的視覺詞形區(qū)區(qū)域都非常接近，具有一定的跨文化的恒常性。

3. 左側(cè)枕、顳交界處的梭狀回區(qū)域原先承載的面孔識別功能與新侵入的文字閱讀功能會出現(xiàn)此消彼長的競爭關(guān)系，并且后者會對前者產(chǎn)生一定的干擾作用

Dehaene等[19]發(fā)現(xiàn)，與文盲相比，識字被試的視覺詞形區(qū)對于文字的激活有了顯著增強，同時，隨著讀寫能力的提高，視覺詞形區(qū)相對于面孔材料出現(xiàn)了少量且有統(tǒng)計意義的激活下降。Cantlon等[20]也發(fā)現(xiàn)4歲兒童識別數(shù)字或字母的能力與面孔在FFA區(qū)域的激活強度呈反比關(guān)系。

視覺詞形區(qū)的激活與N170相關(guān)。與無意義符號相比，真字詞在左側(cè)顳枕區(qū)會誘發(fā)更大的N170，并且這種效應(yīng)在不同書寫系統(tǒng)中普遍存在[21-24]。羅文波等人[10-11]通過設(shè)計文字和面孔識別的單側(cè)探測任務(wù)也發(fā)現(xiàn)了面孔識別和文字閱讀任務(wù)相關(guān)的N170波幅的競爭關(guān)系。

新進化的文字閱讀功能依存并發(fā)展自原有的腦認知功能，兩者具有一定的相似性，相互之間也就具有一定的干擾，會對腦的一般認知功能產(chǎn)生某種程度的影響。有研究發(fā)現(xiàn)識字能力能夠使得面孔識別在FFA上的激活模式更加右側(cè)化。

但也有研究發(fā)現(xiàn)，上述的影響作用是有限的。迪昂等人利用核磁功能成像技術(shù)深入對比了不同受教育程度的人群對于面孔、棋盤格、真字和假字等不同實驗刺激材料的腦激活模式[19]。研究發(fā)現(xiàn)，視覺詞形區(qū)在文盲被試中的激活程度最弱，而隨著文化程度的提高，該區(qū)域?qū)τ跁孀衷~的反應(yīng)強度在增加，對于面孔和棋盤格的反應(yīng)在減弱；在背側(cè)枕葉皮質(zhì)區(qū)域，字詞和棋盤格的腦激活情況非常接近。由此可見，文字閱讀能力的習(xí)得會影響被試先天的視覺加工系統(tǒng)，但是這種影響又是有限的，并未改變視覺詞形區(qū)對于面孔和房屋等視覺物體的加工偏好，文字閱讀能力的提高反而是促進了該區(qū)域向精細化和多功能化的方向發(fā)展。

三、神經(jīng)元再利用假說對閱讀教育的啟示意義

閱讀的神經(jīng)元再利用假說在大量認知神經(jīng)科學(xué)實驗證據(jù)的基礎(chǔ)上提出人類文字閱讀能力的進化不是基因遺傳的結(jié)果，而是對現(xiàn)有的支持視覺等感知能力神經(jīng)元系統(tǒng)的充分利用。這一假說一定程度上破解了人類閱讀之謎，而且為人類其它文化形式的發(fā)生發(fā)展提供了理論支點，加深了我們對人類文明進化的理解，并為教育工作者基于這一進化規(guī)律進行閱讀教育提供了理論依據(jù)。

從前文討論來看，閱讀作為現(xiàn)代社會人類生活、工作和交際必須具備的基本能力，其實蘊含著復(fù)雜的認知加工過程。讀者通過視覺接受字詞形狀的輸入，通過神經(jīng)通路投射到視覺詞形區(qū)進行初步的視覺識別加工，然后到其它語言區(qū)域以通達語義信息，其中語音信息也在此過程中起著重要的作用。由此可見，語義通達是以視覺詞形區(qū)的字形加工為基礎(chǔ)的，對字詞的視覺識別是語義通達之前必須要完成的工作。關(guān)于語義的通達和提取，學(xué)界主要有兩個理論模型來解釋其中的認知加工過程，一個是雙通道模型，一個是平行分布模型。前者綜合了語音中介理論(語音在詞形到詞義提取過程中起著中介的作用)和直通理論(詞形識別后直接激活語義信息，語音不起中介作用)，認為這兩條通路并存，具體由閱讀的材料(詞匯)、讀者的閱讀水平以及閱讀的任務(wù)難度等來決定。平行分布模型摒棄了雙通道模型的詞匯和亞詞匯的層級結(jié)構(gòu)，詞形、語音和語義等信息采用了代碼的形式分布表征，它們之間以隱形單元為中介，詞匯識別是由各代碼連接的權(quán)重來決定。盡管這兩個理論在解釋具體的閱讀過程上不同，但是一個重要的相同點是閱讀是詞形、語音和語義的對應(yīng)，建立三者之間穩(wěn)固的映射聯(lián)結(jié)是閱讀能力的重要基礎(chǔ)。由此可見，在閱讀教育中，教師需要幫助學(xué)生不斷固化三者之間的關(guān)聯(lián)，促進學(xué)生認識到建立這種關(guān)聯(lián)的重要性，例如教師可以設(shè)計直接的記誦任務(wù)或者小游戲等來促進學(xué)生記憶，提高認知字詞的熟練程度。同時，加強閱讀量也是提高閱讀水平的必經(jīng)之路，這使得讀者對形音義的加工更加熟練和快速。

除正常兒童的閱讀教育外，閱讀的神經(jīng)元再利用假說對閱讀障礙也有一定的指導(dǎo)意義。這一假說突出了視覺通路在閱讀中的基礎(chǔ)地位，左側(cè)枕顳葉交接的梭狀回區(qū)域?qū)Ｋ咎幚硪话阋曈X感知，但它在語言文字的視覺輸入加工中也發(fā)揮著重要的支持作用。在閱讀能力習(xí)得的過程中，存在一定比例的兒童，他們雖無神經(jīng)或器質(zhì)性損傷，但是閱讀成績明顯低于相應(yīng)年齡的應(yīng)有水平，處于閱讀困難的狀態(tài)，對正常學(xué)業(yè)、心理和行為等造成很大影響，屬(發(fā)展性)閱讀障礙兒童[25]。在我國大陸地區(qū)，據(jù)統(tǒng)計閱讀障礙兒童的比例約占兒童總數(shù)的10%左右，考慮到我國兒童人口基數(shù)較大的國情，我國閱讀障礙兒童的數(shù)量相當(dāng)龐大。可以說，閱讀障礙若得不到充分的研究和干預(yù)，最終會影響我國基礎(chǔ)教育的公平和質(zhì)量以及整個社會的文明進步。有大量研究發(fā)現(xiàn)，我國漢語閱讀障礙兒童存在語言相關(guān)的技能缺陷例如對語音單元的感知和操作能力的缺陷，對字形的正字法規(guī)則的運用缺陷，語素意識缺陷等[26]。然而這些語言技能的缺陷可能是由于一般的視覺障礙造成的，具有代表性的是視覺大細胞障礙理論[27]。因漢字是典型的視覺文字，因而對視覺特征的分析能力會在漢語閱讀中起到很大的作用，這也獲得研究證實[28-29]。在漢語閱讀障礙群體中，人們發(fā)現(xiàn)該群體較普遍地存在視覺字形加工。發(fā)表于Nature與PNAS上兩項fMRI研究都發(fā)現(xiàn)，漢語閱讀障礙兒童在加工漢字時在左側(cè)前額中部溝回(left middle frontal gyrus,LMFG)出現(xiàn)激活水平降低，這與西文閱讀障礙者是在左側(cè)后顳葉區(qū)出現(xiàn)激活水平降低的現(xiàn)象形成對比[30-31]。作者認為，因LMFG主要的功能在于加工視覺空間信息和語言信息，此區(qū)域的激活異常可能導(dǎo)致了閱讀障礙兒童在漢字字形加工和形音連結(jié)上出現(xiàn)困難，提示一般視覺加工缺陷可能是漢語閱讀障礙的成因。Wang等(2010)設(shè)計了ERP實驗，在漢語閱讀障礙兒童中檢驗視覺大細胞障礙假說[29]。他們以視覺失匹配負波(mismatch negativity,MMN)為指標(biāo)，比較了閱讀障礙組、年齡匹配正常組和閱讀能力匹配組等三組兒童的MMN波幅大小。MMN是在經(jīng)典的Oddball實驗范式下,偏差刺激減去標(biāo)準(zhǔn)刺激后的負性差異波,潛伏期在100～400 ms之間。因可以在非注意情況下比較穩(wěn)定地獲得這種差異波，所以MMN成分一般被認為是自動化加工的神經(jīng)標(biāo)識，并廣泛應(yīng)用在聽覺科學(xué)和語言研究方面[32]。Wang等(2010)發(fā)現(xiàn)在視覺大細胞刺激條件下，閱讀障礙組要比后兩組的視覺MMN波幅顯著降低；但是三組被試在聽覺MMN上卻無差異。此結(jié)果說明，漢語閱讀障礙兒童可能存在一般視覺加工缺陷。在一項視覺缺陷干預(yù)研究中[33]，研究者通過訓(xùn)練漢語閱讀障礙兒童的視覺感知能力來推測兒童閱讀障礙的成因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與未訓(xùn)練的閱讀障礙兒童相比，閱讀障礙兒童的語音意識和視覺大細胞通路功能得到提升，達到了同齡正常兒童的水平。這一干預(yù)研究表明，一般視覺感知能力在閱讀中具有關(guān)鍵作用，對漢語閱讀障礙兒童一般視覺能力的訓(xùn)練有利于提升他們的閱讀能力。

以上我們發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元再利用假說對正常的閱讀教育和閱讀障礙的診治具有重要的啟示意義。但該假說也具有一定的不足，需要我們不斷地研究和完善。

四、對神經(jīng)元再利用假說的展望

首先，視覺詞形區(qū)是神經(jīng)元再利用假說的核心概念，圍繞該腦區(qū)進行的實證研究也比較多，但它是否具有跨文化恒常性的問題仍有爭議，需要進一步探討背后的原因和機理。雖然漢-韓熟練雙語者的研究得出視覺詞形區(qū)的激活高度一致的觀點[18]，但是Xu等人[34]認為這可能與采用的分析方法有關(guān)[35]，也有可能是因為漢字和韓文字具有相似的字形，導(dǎo)致在加工字形時出現(xiàn)的視覺詞形區(qū)激活非常相似。Xu等人(2017)比較了漢語-英語雙語者在一項內(nèi)隱詞匯比較任務(wù)中發(fā)現(xiàn)，兩種語言在左側(cè)FFA區(qū)域有相似的激活區(qū)域，但不同的激活區(qū)域也是明顯的。視覺詞形區(qū)跨文化的恒常性的問題可能是一個相對而非絕對的問題，語言之間字形的差異、實驗任務(wù)、被試的語言史等都有可能對實驗結(jié)論產(chǎn)生影響。一個可能的實驗方案是在漢、日、英多語者當(dāng)中比較他們對不同表音和表意文字如漢字、英文單詞、日本漢字和日語假名在實驗任務(wù)(字形，字義)中視覺詞形區(qū)的激活情況。其次，閱讀的神經(jīng)元再利用假說認為后天閱讀經(jīng)驗的獲得是對原先用于面孔加工的梭狀回區(qū)域的再利用，會使得面孔識別的神經(jīng)通路發(fā)生改變。目前對該觀點也很有爭議[6,36-38]。為了檢驗這個觀點，我們可以利用fMRI追蹤兒童在習(xí)得閱讀經(jīng)驗前后對文字和面孔、房屋和一般線條組合等不同視覺刺激范疇的反應(yīng),同時，也可以利用ERP技術(shù)高時間分辨率的優(yōu)勢，追蹤兒童在這些視覺刺激加工中峰值潛伏期的變化。閱讀經(jīng)驗的獲得是否會使得面孔加工的N170潛伏期延長？結(jié)合腦神經(jīng)聯(lián)結(jié)分析方法，還可以探討閱讀前后，兒童大腦在處理面孔和文字等刺激上的不同的腦連接模式。另外，眾多文化產(chǎn)物都受到人腦認知神經(jīng)結(jié)構(gòu)的規(guī)約，文字閱讀只不過是其中之一。神經(jīng)元再利用假說還可以延伸到解釋其他人類文化活動中[1]。這一假說為我們提供了一個理論框架，能夠幫助我們理解神經(jīng)結(jié)構(gòu)是如何制約人類文化的發(fā)展范圍的。可以預(yù)見，一些人類特有的文化產(chǎn)物如宗教信仰、文藝審美、音樂欣賞等可能與腦的諸多功能相聯(lián)系。相信教育神經(jīng)科學(xué)的研究會拓展到各種各樣的文化行為中，并揭示這些文化行為的認知神經(jīng)機制，以期為神經(jīng)元再利用假說找到堅實的研究證據(jù)。

綜上所述，閱讀的神經(jīng)元再利用假說提出人類能夠在現(xiàn)有用于視覺和人臉識別的神經(jīng)通路的基礎(chǔ)上發(fā)展出文字閱讀能力，以適應(yīng)人類文化的發(fā)展。這一進化出來的閱讀能力與原有的認知功能產(chǎn)生競爭并存在一定的干擾作用，可以說也是神經(jīng)元再利用和人腦可塑性的證據(jù)。該假說對文字閱讀教育和閱讀障礙人群的矯正治療具有重要的啟示意義。