遠距離結構的學習及其神經機制*

姜 珊 郭秀艷 凌曉麗 鄭 麗

（1.華東師范大學心理與認知科學學院，上海 200062；2.上海政法學院政府管理學院，上海 201701；3.復旦大學老齡研究院，上海 200433；4.山東師范大學心理學院，濟南 250358）

1 遠距離結構的概述

遠距離結構是一種相鄰元素之間沒有順序限制，多個元素在時間或空間上間隔一定距離的結構，這一結構廣泛存在于自然語言（Wilson et al.，2018）、音樂、生物運動等人類生活的諸多領域。例如，英語中助動詞和詞素之間存在遠距離的對應關系（is walking；has walked）、定語從句中包含復雜的層級嵌套結構｛The boy [the girl（the woman admires）loves]likes the dog｝；漢語中詩歌、對聯中包含遠距離的平仄層級結構（平平仄仄平——仄仄平平仄）等。音樂領域中不同的音樂形式（如西方古典音樂、爵士 樂 等，Cheung，Meyer，Friederici，&Koelsch，2018）都存在與自然語言語法結構極為相似的遠距離結構（Lerdahl & Jackendoff，1983；Rohrmeier，Zuidema，Wiggins&Scharff，2015）。而在生物運動領域，也存在一些動作上的遠距離層級結構以及遠距離對稱關系（Dienes，Kuhn，Guo，& Jones，2012；Zhang et al.，2020）。

在不同領域的遠距離結構中，語言領域的遠距離結構尤其受到了研究者的關注。早在1957 年，喬姆斯基提出了對語言學、數學、計算機科學及人工智能領域產生了重大影響的句法層級結構理論，在這一理論中，他闡明了遠距離結構在自然語言句法領域的重要地位（Chomsky，1957）。喬姆斯基按照生成能力和復雜程度將句法結構分成限定狀態語法（finite state grammar）和超越限定狀態的短語結構語法（phrase structure grammar）。限定狀態語法包含有限數量的“狀態”（例如，單詞），以及這些狀態之間的轉換概率，前一個“狀態”與后一個“狀態”存在限定的依賴關系，是一種簡單的相鄰語法結構。例如，在自然語言中，相鄰單詞之間存在簡單的依賴關系，構成短語（“The dog”“on the sidewalk”“near the tree”）；相鄰的短語之間存在依賴關系，構成句子［The dog（on the sidewalk）（near the tree）］。然而，人類語言具備無限生成能力，限定狀態語法過于簡單，不足以描述人類語言的復雜結構，語言的使用需要掌握超越限定狀態的短語結構語法。短語結構語法是人類語言的重要組成部分，具備強大的生成能力，能將一串句子嵌入到另外一串句子中（例如，定語從句中包含的句子嵌套），生成更為復雜的遠距離句法結構（李菲菲，喬福強，& 郭秀艷，2013；Fitch &Hauser，2004）。

在人類語言獲得過程中，加工遠距離句法結構的能力是理解和構建復雜句法結構的基礎，是學習和駕馭語言的重要前提。近期的跨物種研究發現，人類和靈長類動物（如猴子、類人猿）都具備對遠距離結構的敏感性，表明加工遠距離結構的能力在人類語言出現的4000 萬年前就已具備，是一種重要的祖先特征（Watson，Burkart，Schapiro，Lambeth，&Townsend，2020）。一些發展性研究也揭示了人類在嬰兒時期就已經能夠識別符合遠距離結構的無意義音節序列（Gómez，2002；Gómez & Maye，2005）。而成年人不僅能夠在有外顯線索的條件下獲得遠距離結構，也具備在更接近自然狀態語言獲得模式的內隱學習條件下習得遠距離結構的能力（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&劉寶根，2017）。鑒于遠距離結構在語言領域中的重要地位，近十幾年來，研究者們圍繞人類如何學習遠距離結構展開了眾多的研究，取得了大量的研究成果。本文聚焦于語言領域的遠距離結構，在人工語法范式的背景下，系統總結了遠距離結構的種類，梳理了促進遠距離結構學習的一系列額外線索，從神經層面探討了Broca 區在遠距離結構加工中的作用，并對未來的研究提出了展望。

2 遠距離結構的種類

在探討遠距離結構學習過程中，研究者常采用Reber 于1967 年首創的人工語法范式，這一范式能夠排除先前的語法知識和語義信息的干擾，在限定狀態人工語法學習的研究中被廣泛使用（Batterink，Paller，& Reber，2019；郭秀艷，姜珊，凌曉麗，朱磊，唐菁華，2011；張劍心，湯旦，李瑩麗，劉電芝，2016）。使用這一范式時，首先需要基于自然語言中已有的結構人為地創設一種語法規則，以這套規則生成一系列符合規則的序列串，讓被試在有明顯的外顯指導或者沒有提示的內隱學習條件下進行學習，隨后的測驗要求被試對一系列序列串進行分類判斷，考察語法知識的習得情況。

在先前研究中，研究者創設了不同種類的遠距離人工語法規則，其中按照復雜程度由低到高，比較受關注的規則有：遠距離對應關系AXB 規則、遠距離層級結構AB規則以及人工唐詩規則，下面我們將詳細闡述這些人工規則以及它們在自然語言中所對應的句法結構。

2.1 遠距離對應關系AXB 規則

在遠距離結構的研究中，最簡單的遠距離規則為AXB 規則（見圖1），其中元素A 和元素B 存在遠距離的對應關系（non-adjacent dependency，NAD），這種關系和中間的X 無關。這一規則是自然語言復雜句法結構的前身，是理解和構建更為復雜的句法結構的基礎（Wilson et al.，2018）。研究者在探討A 和B 的對應關系時，會考慮以下幾種情況：①A 元素和B 元素存在一一對應的關系（見圖1a 中的三對對應關系），例如，在英語中，存在時態的遠距離一致性（is walking；has walked）；②A 和B 存在類別對應（見圖1b），類別A 對應類別B，例如，在英語中，存在主語的名詞——謂語動詞數的遠距離一致性（“the dog[down the street] barks”vs. “the dogs [down the street]bark”）。為了獲得這種規則，被試首先需要習得哪些元素屬于哪個類別，然后習得類別間的對應關系。這一方法的優勢在于可以在測驗階段創設不同材料考察規則的遷移，在更為復雜的遠距離層級結構規則的研究中也經常使用。

圖1 遠距離對應關系AXB 規則

由于研究者可以選擇不同的對應關系控制規則的難度，這就使得AXB 規則在探討遠距離規則的學習時適用的人群范圍較廣。而在學習方式的選擇上，采用人工AXB規則的研究大多采用更加符合自然狀態下語言獲得的模式，在學習階段并不給予被試明顯的外顯指導和反饋，結果發現嬰兒、兒童和成年人在學習階段能夠習得遠距離對應關系AXB 規則（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 遠距離層級結構AnBn 規則

在遠距離對應關系AXB 規則的基礎上，可以衍生出更為復雜的遠距離層級結構AB規則，其中元素A 和元素B 存在n個層次的遠距離對應關系，具體包括核心嵌套結構和交叉結構兩種（見圖2a 和2b）。在自然語言中，AB規則對應了更為復雜的句法結構，例如，英語中的核心嵌套結構（center-embedded dependencies，“The mouse the cat the dog chased bit ran away”）、交叉結構（crossed dependencies，“Tenzin，Trinley，and Tumpo wore yellow，black，and red hats，respectively”），荷蘭語中的交叉結構（“Aad heft Jantje de lerares de knickers laten helpen opruimen.”）等。相對于AXB 規則中僅包含A 和B 的單層對應關系，對于遠距離層及結構AB規則的加工需要同時識別和處理多個對應關系（Petkov&ten Cate，2019），帶來了額外的認知負荷（Wilson et al.，2018）。

圖2 遠距離層級結構AnBn 規則（以n=3為例）

采用遠距離層級結構AB規則的研究發現，在學習階段有明確的外顯提示或者反饋的條件下，被試能夠習得這一結構（Bahlmann，Schubotz，& Friederici，2008；Friederici，Bahlmann，Heim，Schubotz，& Anwander，2006；Lai & Poletiek，2011；Mueller，Oberecker，& Friederici，2009）；此外，在沒有明顯的外顯提示及反饋的無意學習條件（Poletiek et al.，2018）以及包含簡單的意識性測量的內隱學習條件下（Uddén，Ingvar，Hagoort，& Petersson，2012，2017），被試仍然表現出對這一規則的敏感性。

2.3 人工唐詩規則

以上兩種規則都是以非聲調語言中的字母或者音節為載體創設規則，與非聲調語言不同，作為聲調語言之一的漢語語音體系包含音節和聲調兩個維度，使得漢語聽起來更具有起伏感和韻律感，這一特點在唐詩的平仄格律中表現得尤為明顯（例如，平平仄仄平——仄仄平平仄）。也正是受到唐詩這一特點的啟發，研究者嘗試采用漢語語音體系中的特征——聲調為對象，創設了以人工唐詩規則為基礎的漢語聲調遠距離映射范式。在創設人工唐詩規則時，通常設置長度為10 的無意義聲音串，其中前五個音和后五個音在聲調的平仄維度上存在遠距離的交叉映射結構（見圖3）。由于漢語語音包含音節和聲調雙維度，可以保證音節隨機的基礎上，將規則設置在聲調上，且聲調存在四聲和平仄兩個水平。因此，與上述單維度的遠距離層級結構AB相比，這一規則更為復雜和隱蔽，尤其適合用來探討對復雜規則敏感的內隱學習的特征。

圖3 人工唐詩規則樣例

Jiang 等（2012）的研究在同時控制組塊強度和重復結構等表面相似性的基礎上，運用結構知識（structure knowledge）這一嚴格的意識性測量方式探討了人工唐詩規則的內隱習得。結果發現，被試能夠內隱地習得人工唐詩規則。隨后的研究進一步證明了人工唐詩規則的無意識可習得性（Li et al.，2013；Ling et al.，2016；Qiao et al，2018；李菲菲& 劉寶根，2017）以及靈活的遷移能力（姜珊，郭秀艷，楊靖，馬聞笛，2014；姜珊&關守義，2018）。

綜上所述，采用AXB 規則、AB規則以及人工唐詩規則探討遠距離結構學習的研究證明了被試能夠習得遠距離結構，尤其具備在更接近自然語言獲得方式的內隱學習條件下獲得這一結構的能力。然而，遠距離結構不僅僅存在于語言領域，還廣泛存在于視覺空間、音樂、生物運動等領域。非語言領域的研究發現，在意識層面和無意識層面，人們都表現出了對遠距離結構的敏感性。例如，被試能夠外顯地習得音樂（Cheung et al.，2018） 和 圖 形（Bahlmann，Schubotz，Mueller，Koester，& Friederici，2009）的遠距離結構；在內隱學習的條件下，能夠無意識地習得音樂（Dienes &Longuet-Higgins，2004；Kuhn & Dienes，2005，2006） 和身體動作（Dienes et al.，2012；Zhang et al.，2020）的遠距離結構。可見，人們具備跨領域習得遠距離結構的能力，遠距離結構的學習具備領域普遍性。

3 影響遠距離結構學習的因素

在加工遠距離結構時，人們需要處理在1 個或者多個層次上存在遠距離對應關系的刺激，因此和簡單的相鄰結構相比，加工遠距離結構需要更高的認知負荷（Wilson et al.，2018） 和 更 強 大 的 記 憶 結 構（Uddén et al.，2012）。大量采用人工語法的實驗研究發現遠距離結構的學習非常困難。鑒于這一結構在人類語言中的重要地位，許多研究者嘗試采用上述的幾種人工遠距離規則，尋找能夠促進遠距離結構學習的額外線索。下面我們將從學習材料、學習情境和學習者的視角探討促進遠距離結構學習的線索，具體來說，刺激材料本身的特征、訓練方式、先前的學習和知識經驗都能夠影響遠距離結構的學習。

3.1 刺激材料本身的特征

人類學習的過程具備很強的靈活性。在遠距離結構的學習過程中，這種靈活性體現在人們可以根據外界輸入的刺激特征調整注意指向，進而影響規則的習得。通過操縱刺激材料的特征，例如提高存在遠距離對應關系的元素間的相似性、增加背景變異性以及邊界停頓等方式，都能夠促進遠距離結構的學習。

3.1.1 相似性

采用AXB 規則的研究發現，格式塔相似性原則能夠促進這一規則的學習，具體來說，當存在對應關系的A 和B 屬于同一類型，而X 屬于另一類型時，被試更容易注意到A 和B 之間的遠距離關系（Creel，Newport，& Aslin，2004；Newport & Aslin，2004； Onnis， Monaghan， Richmond， &Chater，2005）。例如，在Gómez（2002）的研究中，A 和B 都是無意義單音節（如pel，vot，dak），而X 是無意義雙音節（如wadim，kicey，puser），促進了A 和B 遠距離關系的學習；Newport 和Aslin（2004）的研究發現當A、X 和B 都為音節時，被試不能夠習得A 和B 之間的對應關系，而當A 和B 都為輔音，X 為元音，或者A 和B 都為元音，X為輔音時，被試能夠習得A 和B 之間的對應關系。相似性也可以通過控制聲音的特征來實現。例如，Onnis 等人（2005）的研究發現只有當音節A 和B 都是摩擦音（具有高相似性），而X 是爆破音時，學習才能發生。此外，音樂領域的研究也發現，知覺相似性能夠促進音樂遠距離結構的學習（Creel et al.，2004）。

3.1.2 變異性

遠距離結構的學習存在背景變異性效應（variability effect）。背景變異性效應是指當規則的背景高度變化時，對于人們學習穩定結構具有促進作用（李菲菲& 劉寶根，2017）。Gómez（2002）最早發現了這一效應的存在，他通過操縱AXB 結構中的中間元素X 的變化情況，探討了18 個月的嬰兒和成年人對AXB 規則的學習X 個數的變化包括2、6、12、24 四種情況。結果發現無論是嬰兒還是成人被試，隨著X 數量的增加，學習效應越來越好。Gómez 認為中間的元素X 是變化的，導致相鄰的關系是極其不穩定的（AX 和XB），所以很難被習得，因此，被試會更加注意那些在變化的情境中保持不變的特征，即A 和B 之間的關系。Christiansen，Chater 和Gómez（2003）增設了一個零變異條件，結果發現，零變異條件下學習成績最好，其次是高變異條件（24種），即變異性與學習成績呈現出U 型曲線關系。李菲菲和劉寶根（2017）采用人工唐詩規則中的交叉結構和核心嵌套結構，操縱了音節的數量（大變異：20 個音節；小變異：4 個音節），結果發現只有在大變異的情況下，被試才能夠習得這兩種結構，表明漢語聲調遠距離結構的內隱學習中同樣存在背景變異性效應。

3.1.3 邊界停頓

由于以AXB 為規則的研究在學習階段大多采用連續語音流的呈現形式，因此目標刺激AXB 的邊界并不清晰，于是有研究者嘗試采用邊界停頓的方式調整被試的注意指向考察這一規則的學習。例如，Pena等人（2002） 發現只有通過短暫的停頓（25ms）使呈現給被試的連續音節流中所包含的AXB 邊界清晰時，被試才能夠習得遠距離結構，表明單詞邊界為遠距離結構的習得提供了線索，Pena 認為這種短暫停頓使音節流與自然語言更加接近，從而促進了規則的學習。Mueller，Bahlmann 和Friederici（2010）采用核心嵌套結構，同樣發現了當與韻律信息相結合時，停頓有助于這一結構的學習。

綜上，通過提高存在遠距離對應關系的元素間的相似性、增加背景變異性以及邊界停頓等方式，能夠調整被試的注意指向，進而促進遠距離結構的學習。此外，刺激材料本身的特征之間可能存在交互作用，例如，Grama，Kerkhoff 和Wijnen（2016）的研究同時考察了停頓和相似性在AXB規則學習中的作用，結果發現當詞間的停頓時間與不同類型元素的韻律狀態相匹配的情況下，被試可以更好地依據相似性原則習得遠距離規則。

3.2 訓練方式

遠距離結構的習得能力不僅取決于刺激材料的特征，還取決于采用何種學習方式，例如怎樣安排刺激呈現的順序，需要學習多久，如何鞏固等。

3.2.1 由簡單到復雜

在自然語言的獲得過程中，兒童首先接觸的往往是簡單的語法結構，隨著年齡的增長，逐漸接觸復雜語法結構，語言發展趨于成熟（Lai&Poletiek，2011）。可見，在這一過程中，外界的信息輸入并非按照隨機方式，而是由簡單到復雜的順序出現。如果在學習復雜的人工遠距離結構之前，讓被試先學習簡單的結構，是否會促進遠距離結構的學習呢？Lany 和Gómez（2008）發現，只有先讓12 個月大的嬰兒學習相鄰規則AB，隨后學習AXB 規則，被試才會表現出對這一規則的敏感性。采用核心嵌套規則的研究同樣證實了這一效應的存在。例如，Lai 和Poletiek（2011）發現了習得核心嵌套結構的兩個必要條件：充分學習相鄰結構和由簡單到復雜的學習方式。Poletiek 等（2018）的研究也證實了只有在由簡單到復雜的條件下，被試才能夠習得核心嵌套結構。由于由簡單到復雜的呈現方式能夠凸顯規則的基本結構，使被試在加工復雜結構之前，首先關注基本結構模式，從而促進了復雜規則的學習。

3.2.2 長期訓練和鞏固

復雜語法規則的習得得益于不斷地學習和鞏固（Uddén et al.，2012，2017）。Uddén等（2012）采用長期訓練的方式比較了交叉結構和核心嵌套結構的習得。他們將“F-L”、“D-P”兩組對應字母構成的遠距離規則串嵌入在限定狀態人工語法中讓被試進行長達9 天的學習。結果表明，被試在長期訓練條件下能夠學會兩種結構。研究者進一步將兩種規則的學習成績與先前研究中訓練了5 天的相鄰規則成績進行了比較，發現二者并沒有學習量上的差異，表明要達到相同的學習量，遠距離規則需要更長的訓練時間來實現語法知識的抽象化。知識的鞏固除了源于長時間的學習，還得益于睡眠。Frost 和Monaghan（2017）讓被試學習AXB 規則，學習階段結束后，要求被試清醒或經歷睡眠過程，之后進行測驗，結果發現經歷睡眠的被試會表現出對AXB規則的敏感性，表明睡眠有益于遠距離規則的抽象化和鞏固。

3.3 已有的知識經驗和先前的學習

先前的學習和知識經驗能夠塑造和改變學習者的期望，并改變他們能夠習得的結構（Lew-Williams & Saffran，2012；Potter，Wang，& Saffran，2017；Wang，Zevin，&Mintz，2017），這種影響主要表現在以下兩個方面：

3.3.1 已有的知識經驗對遠距離規則學習的影響

學習者已有的母語知識會影響其對即將到來的語言輸入結構的期望（Zettersten et al.，2020），進而影響后續對結構的加工。Lew-Williams 和Saffran（2012）發現9～10個月的嬰兒能夠更好地識別與其先前經驗相匹配的結構規則。Wang 等（2017）的研究發現只有當遠距離人工語法規則與先前呈現母語（英語）短語的節奏模式相匹配時，被試才能夠習得這種遠距離結構。表明先前呈現的句子結構影響了被試對即將到來的語言結構的期望，進而影響了遠距離規則的學習。采用人工唐詩規則的研究也探討了先前知識經驗對內隱學習和遷移的影響，結果發現相對于符合平仄知識經驗的漢語聲調交叉規則，被試不能夠內隱地習得和遷移任意聲調的交叉規則，表明先前知識經驗在遠距離交叉規則內隱學習過程中發揮著重要作用（姜珊，2012）。此外，音樂（Cheung et al.，2018；Kuhn & Dienes，2005）和生物運動（Zhang et al.，2020）領域遠距離結構的研究同樣發現，學習者過去的訓練經驗會對遠距離結構的學習產生影響。

3.3.2 先前的學習對遠距離規則學習的影響

讓被試在實驗室情境下預先學習特定的材料，考察對后續遠距離規則學習的影響，在上述提到的由簡單到復雜的效應上有所體現，即學習相鄰結構影響了遠距離規則的習得。近期的一項研究（Zettersten et al.，2020）采用AXB 規則直接探討了先前的學習經驗對后續復雜遠距離規則習得的影響。研究的第一階段采用中間元素X 變異性較大的符合AXB 規則的簡單材料讓實驗組被試進行預先學習（可學組），控制組被試同樣學習變異性較大的但不符合AXB 規則的材料（不可學組）；在第二階段，所有被試都學習中間元素X 變異性較小的符合AXB 規則的新的復雜材料。結果發現，與不可學組被試相比，可學組被試習得了更為復雜的遠距離規則。這表明預先接觸簡單遠距離規則的經驗促進了后續新的復雜規則的習得。

綜上，采用人工遠距離結構的研究表明，人們具備習得遠距離結構的能力，且從學習材料、學習情境和學習者的視角來看，存在諸多影響遠距離結構學習的因素，刺激材料本身的特征、訓練方式、先前的學習和知識經驗等因素都會影響遠距離結構的學習。

4 遠距離結構加工的腦機制

近十幾年，隨著新技術的不斷發展，研究者不僅局限于從行為層面探討遠距離結構的學習，也特別關注遠距離結構加工的腦機制，試圖從神經層面探討遠距離結構是如何被習得的，這些研究發現在加工遠距離結構時，Broca 區發揮了重要作用，此外，連接Broca 區和STG 的背側纖維通路似乎在復雜遠距離結構的加工中起著關鍵作用。

4.1 Broca 區在加工遠距離結構中的作用

Broca 區位于大腦皮層左側額下回（inferior frontal gyrus，IFG），該區域包含BA44（額下回的島蓋部）和BA45（額下回的三角部），這一區域在語言生成和理解過程中發揮重要作用（Friederici，2011，2018；Hickok & Poeppel，2007；Pulvermüller，2010）。早期的神經心理學研究表明Broca區受損的病人在處理句法規則（包括層次規則）時明顯存在困難（Caplan&Waters，1999；Grodzinsky，2000）。與加工簡單結構的句子（如主語在句首）相比，復雜句子（如包含賓語前置從句）的加工會激活Broca區（Just，Carpenter，Keller，Eddy，&Thulborn， 1996； Fiebach， Schlesewsky，Bornkessel，& Friederici，2004；Friederici，2019）。一些采用自然語言為材料的研究發現Broca 區參與了遠距離句法結構的加工（Kant et al.，2020；Makuuchi，Bahlmann，Anwande & Friederici，2009；Santi & Grodzinsky，2010）。

除了自然語言領域外，研究者嘗試采用不同類型的人工遠距離結構，從外顯或者內隱的角度，探討了遠距離結構加工的腦機制，揭示了Broca 區在加工遠距離結構中的核心作用。

Friederici，Bahlmann，Heim，Schubotz 和Anwander（2006） 探討了加工相鄰結構（AB）和層級嵌套結構AB的神經機制。學習階段讓被試尋找規則并給予反饋，測驗階段讓被試進行語法判斷并進行掃描。結果發現對相鄰結構和層級嵌套結構的加工均激活了左側額葉島蓋（frontal operculum，FOP），而Broca 區（BA44）參與了遠距離層級嵌套結構的加工。然而，由于上述研究中使用的語法規則是兩類音節的籠統對應，而不是一一對應，因此，被試很可能是基于計數策略，將A 和B 的個數加以匹配，在分類判斷任務中表現出較好的成績。于是Bahlmann 等（2008）通過設置A 和B子集的一一對應（A1—B1，A2—B2，A3—B3）嘗試排除計數策略可能造成的干擾，結果發現與相鄰結構（AB）相比，遠距離嵌套結構AB的加工激活了Broca 區以及相鄰的腹側前運動皮層（BA44/6）。由于排除了計數策略，因此這一結果進一步表明Broca 區是遠距離層級結構加工的重要腦區。

Opitz 和Friederici（2007）采用一種類似于自然語言的BROVANTO 語法，直接比較了相鄰結構和遠距離層級結構語法加工的神經機制。這兩種結構都是由名詞短語和動詞短語組成，二者的差異在于層級結構語法圖中允許句子嵌套。學習階段讓被試尋找規則并給予反饋，測驗階段讓被試進行語法判斷并進行掃描。結果發現被試能夠習得兩種結構，并且左側腹側前運動皮層和海馬的激活與相鄰結構的加工有關，而對遠距離層級結構語法的加工激活了Broca 區（BA44）。

上述研究在有明顯提示和反饋的外顯學習條件下考察了遠距離結構加工的神經機制，那么在更加符合自然狀態下語言獲得的內隱學習模式下，Broca 區是否同樣參與了遠距離結構的加工？凌曉麗（2016）考察了人工唐詩交叉規則的內隱學習所對應的腦激活模式，同時探查這一語法規則和相鄰組塊知識的加工所對應的腦區是否存在分離，結果發現，被試均可內隱習得組塊和底層的語法規則，合法串相對于非法串在Broca 區（BA44/45）有更強的激活，而對相鄰組塊的加工則激活了殼核和內側顳葉。可見，Broca 區也參與了遠距離交叉規則的內隱加工。

綜上所述，采用人工遠距離結構的研究表明在加工復雜的遠距離結構時，Broca區發揮了重要作用。基于上述研究，Uddén等（2017）采用重復經顱磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）直接探討了Broca 區和交叉遠距離結構內隱學習之間的因果關系。學習階段共持續9 天，在第8 天的學習任務結束后的上午和下午分別對被試的Broca 區（BA44/45）或頂點（vertex）進行低頻的經顱磁刺激（抑制），每次刺激之后均進行一次語法分類測試。結果發現，與抑制了頂點相比，抑制Broca 區會干擾被試的語法分類，導致成績的下降。這一結果為Broca 區在交叉遠距離結構內隱加工中的因果作用提供了支持。

Broca 區在包含遠距離層級結構的語法規則加工中發揮重要作用已經得到了眾多研究的支持，那么Broca 區對遠距離層級結構的加工是否僅僅局限在語言領域呢？已有研究表明與相鄰結構相比，對視覺空間序列遠距離嵌套結構的加工激活了Broca 區以及一些前輔助運動皮層（pre-supplementary motor area，pre-SMA）（Bahlmann et al.，2009）；采用音樂嵌套結構的研究表明，雙側額下回，尤其是右側額下回在處理音樂層次結構時起著一定的作用（Cheung et al.，2018）；采用生物運動遠距離交叉規則的研究發現，Broca 區（BA44）的灰質密度與分類判斷成績存在高相關。上述結果表明Broca 區對遠距離層級結構的加工并不僅僅局限在語言領域，而是具備領域一般性的特點。

綜上所述，Broca 區在遠距離結構的加工中發揮核心作用，這一作用并非針對某一特定的領域、學習方式或者某種特定的遠距離規則，而是在更加廣泛的層面參與到了遠距離結構的加工中。

4.2 Broca 區和顳上回的功能連接在遠距離結構加工中的作用

Friederici（2011）曾提出了系統的語言加工神經網絡，指出大腦左半球和語言相關的皮層包括：額下回的Broca 區（IFG）、顳上回的Wernicke 區（STG）以及部分顳中回（MTG）和頂葉的頂葉下回和角回，這些區域之間通過纖維束相連，存在結構和功能上的關聯（Friederici，2011，2018，2019）。具體包含2 條背側通路和2 條腹側通路：①BA44 和STG 通過背側通路相連（這條背側纖維束由上縱束（SLF）和弓狀束（AF）組成，前者連接額葉皮質和頂葉皮質，后者彎曲進入顳葉皮質），在復雜句法加工過程中起著關鍵作用；②前運動皮層的BA6 和STG 通過背側通路相連，該通路與聽覺——運動映射（auditory-to-motor mapping）以及語句重復有關；③BA45 到顳葉、頂葉和枕葉皮質通過腹側通路相連，與語義加工有關；④額蓋（FOP）和顳前上回通過腹側通路相連，與簡單規則的加工有關。其中，通路①在遠距離規則的加工過程中得到了研究者們較多的關注。

一些語言領域的研究發現，在加工自然語言復雜句法結構時，會同時激活Broca區（BA44）和顳上回（STG），二者存在功能上的連接（den Ouden et al.，2012；Makuuchi& Friederici，2013）。Friederici（2018，2019）指出，Broca 區（BA44）和顳上回（STG）的功能連接源于兩個區域白質纖維束的結構連接。這一觀點得到了一些研究的支持。例如，一項發展性研究發現，連接BA44 和STG 的背側纖維束在發育過程中的成熟程度與復雜句子句法理解的準確性和速度呈現 高 相 關（Skeide，Brauer，& Friederici，2016）。臨床研究也發現布羅卡區和顳葉皮質之間的背側纖維束缺陷會導致加工復雜句法能力的缺失（Wilson et al.，2011）。因此，連接Broca 區和STG 的背側纖維通路似乎在復雜句法結構的加工中起著關鍵作用。

Friederici 等（2006）的研究發現相鄰結構和嵌套結構的加工均激活了左側額蓋（FOP），而Broca 區（BA44）參與了遠距離嵌套結構的加工。DTI 的結果顯示上述兩個腦區存在不同的結構連通性，BA44 通過上縱束與顳上后部和中部相連，FOP 通過鉤束與前顳葉相連接。這一結果表明Broca區和STG 的背側纖維通路在加工遠距離結構過程中的重要作用。近期的一項研究（Chen，Goucha，M?nnel，Friederici，&Zaccarella，2021）采用更接近人類自然語法結構的人工層級語法結構（hierarchical syntactic structure-building grammar，HG）和簡單的嵌套結構（nested associating grammar，NG），探討了兩種結構加工的腦機制。二者的區別在于：對于簡單的嵌套結構，各對應關系之間不存在關聯，而層級句法結構存在更為復雜的層級上的依存關系，更接近自然語言的句法結構。fMRI 的結果表明，與NG 相比，加工HG 引發了更強的Broca區（BA44）和顳后上回（pSTG）的激活，以及兩個區域間不同性質的功能連通性。具體來說，在加工HG 時，BA44 是主要的中心腦區，它接收實驗任務信息，負責句法層次結構的構建，處理后的信息及時傳遞到pSTG 進行整合和存儲，并且同時從pSTG向BA 44 發送反饋；而在加工NG 時，pSTG接收實驗任務信息，負責對應關系信息的整合和存儲，而BA44 的滯后ROI 效應會進一步調節這一過程，因此，BA44 對pSTG的影響相對滯后。研究者進一步指出，加工HG 時BA44 和pSTG 的功能連接可能源于BA44 和STG 的兩個區域白質纖維束的結構連接。

總的來說，采用自然語言和人工語言的研究都表明在加工遠距離語法結構時，Broca 區發揮了重要作用，這一作用與學習方式以及具體的遠距離規則類型無關，且具備領域一般性，連接Broca 區和STG 的背側纖維通路在復雜遠距離語法結構的加工中起著關鍵作用。

5 遠距離結構學習的未來展望

5.1 遠距離結構的跨領域遷移還需要進一步探討

遷移是在知識獲得基礎上形成的一種舉一反三的能力，是人類由知識的掌握到能力形成的重要環節。先前采用人工唐詩范式的研究表明，聽覺通道獲得的漢語聲調遠距離映射結構可以靈活遷移到不同的聲調（姜珊等，2014）以及不同長度（姜珊&關守義，2018）的材料上，為遠距離結構學習的適應性和靈活性提供了初步的證據。神經生理學的研究表明Broca 區在遠距離層級結構的加工中發揮核心作用，參與了不同領域遠距離結構的加工，具有領域一般性的特點，如果不同領域遠距離結構的加工共享相同的神經機制，那么由某一領域獲得的遠距離結構能否實現跨領域遷移？在遠距離結構的學習和跨領域遷移過程中大腦功能上具備怎樣的普遍性和特異性？這些問題都值得進一步探究。

5.2 遠距離結構的加工過程還需要進一步明確

采用fMRI 探討遠距離結構的學習機制大多對測驗階段進行掃描，考察被試在區分合法串和非法串時不同的腦區、腦區間的功能連接以及結構上的差異。而采用EEG 這種電生理指標，除了考察被試在測驗階段分類判斷時的特異性ERP 成分外，還可以探究學習階段被試遠距離結構的加工過程。

先前的EEG 研究著重探討測驗階段遠距離結構所引發的ERP 成分。例如，Muelle，Oberecker 和Friederici（2009）采 用學習和測驗交替進行的方式考察被試對意大利語中AXB（A 為助詞，B 為形態動詞）規則的學習。結果表明非意大利語母語被試能夠學到助詞A 和形態動詞B 的遠距離對應關系，并且對非規則句子中錯誤動詞后綴表現出分布于頭皮中心后方的N400 成分以及隨后的分布于頭皮中心前方類似于P3a，而意大利語母語被試則表現出分別于頭皮中心后方的N400 以及隨后的P600。Citron，Oberecker，Friederici 和Mueller（2011）的研究采用類似的遠距離規則，發現錯誤動詞后綴引發了雙向的ERP模式，即在N400 之后出現P600 成分。后續的研究也發現了錯誤的動詞后綴會引發N400 成分以及和注意相關的P200 成分（de Diego-Balaguer，Rodríguez-Fornells，&Bachoud-Lévi，2015；Friederici，Mueller，Sehm，&Ragert，2013）。

近年來基于EEG 的神經振蕩研究有助于研究者采用時頻分析的方法探討遠距離結構的在線學習過程，避免分類策略的干擾。Buiatti 等（2009）采用符合AXB 規則的三音節語音流和隨機語音流，并分別對單音節、雙音節和三音節進行頻譜分析考察被試對遠距離結構的學習。結果發現與隨機音節流相比，符合AXB 規則的三音節語音流的頻譜分析表現出如下特點：反映單音節呈現頻率的能量值（power）降低，對應于三音節單位頻率的能量值增加，且后者與三音節詞匯回憶的成績呈現正相關。在采用8 個月的嬰兒為被試的類似實驗中，發現暴露于包含遠距離規則AXB 語音流中的嬰兒表現出對符合規則的單詞頻率神經夾帶的增加（Kabdebon，Pena，Buiatti M，& Dehaene-Lambertz，2015）。由于神經夾帶反映了大腦神經震蕩活動和外部刺激之間的同步性（Choi，Batterink，Black，Paller，& Werker，2020）。因此這些結果表明，人腦在學習過程中對包含遠距離結構的序列進行了夾帶，逐漸習得了這一規則。可見，時頻分析為遠距離結構的在線學習過程提供了一種有效的度量指標。考慮到EEG 存在空間分辨率較低的問題，未來研究可以在此基礎上采用MEG 技術通過時頻分析考察遠距離層級結構AB規則以及人工唐詩規則的在線學習，同時探討在學習和測驗階段不同腦區之間的信息流傳遞過程，進一步明確遠距離結構加工過程的腦機制。

5.3 遠距離結構內隱學習和外顯學習的關系還需進一步厘清

從神經層面來看，在內隱和外顯學習條件下，Broca 區都參與了遠距離結構的加工。但是從對結構加工的腦區的操作上來看，凌曉麗（2016）考察人工唐詩規則內隱學習所對應的腦激活模式時發現，相對于非法串，合法串在Broca 區（BA44/45）有更強的激活。而其他一些采用外顯學習方式的研究則發現，Broca 區對非法串更加敏感（Friederici et al.，2006；Opitz & Friederici，2007）。這表明雖然在內隱和外顯學習的條件下，Broca 區都參與了遠距離結構的加工，但是心理過程可能存在差異。在外顯學習的條件下，由于被試在學習階段就知道規則的存在，有時測驗階段還存在反饋，因此可能會采取特定的檢測錯誤策略，表現為對非規則串更加敏感；而在內隱學習條件下，被試在學習階段僅僅完成記憶、復述等任務，在測驗開始前才得知規則的存在且沒有任何反饋，被試往往根據自己的猜測、直覺、流暢性等進行判斷，因此對整體的規則性（合法串）可能會更加敏感。Uddén等（2017）發現采用重復經顱磁刺激探討Broca 區和遠距離結構內隱學習之間的因果關系時發現，抑制Broca 區會干擾被試的語法分類，具體表現為對合法串的分類判斷判定率下降，而對非法串的判定率沒有影響。這表明在遠距離結構的內隱學習過程中，抑制Broca 區影響了被試對符合遠距離規則合法串的敏感性。未來的研究可以直接探討在兩種不同學習方式以及在內隱學習向外顯學習轉化的過程中，Broca區是如何和其他腦區相互作用的，是否存在結構和功能上的分離，這有助于研究者進一步明確被試在不同狀態、不同學習階段是如何學習遠距離結構的，更深層次揭示這一規則學習的神經機制。

6 結 論

遠距離結構具備強大的生成能力，廣泛存在于人類生活的各個領域。在不同領域的遠距離結構中，語言領域的遠距離結構尤其受到了研究者的關注，研究者們在人工語法范式的背景下通過創設不同復雜程度的遠距離規則來探究遠距離結構的學習。相對于相鄰結構，遠距離結構的學習更加困難。從行為層面來說，一些額外的線索，如刺激材料本身的特征、訓練方式和先前知識經驗能夠促進這一結構的習得。從神經層面來看，Broca 區參與了遠距離結構的加工，Broca 區和STG 的背側纖維通路在加工遠距離語法結構過程中發揮重要作用。未來的研究可以進一步探討遠距離結構的跨領域遷移，明確遠距離結構的加工過程，厘清遠距離結構內隱學習和外顯學習之間的關系。