EEG相干分析在語(yǔ)言理解研究中的應(yīng)用

1、EEG相干分析在語(yǔ)言理解研究中的應(yīng)用     EEG相干分析在語(yǔ)言理解研究中的應(yīng)用王琳/張清芳/楊玉芳【論文分類(lèi)】心理學(xué)【論文網(wǎng)絡(luò)來(lái)源】【期刊期數(shù)】2008年02期【論文期刊來(lái)源】心理科學(xué)進(jìn)展(京)2007年6期第865871頁(yè)【英文標(biāo)題】The Application of EEG Coherence Analysis in Language Comprehension分類(lèi)號(hào)B841.11引言隨著認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的興起，腦電和腦成像的研究方法為探索語(yǔ)言理解的腦機(jī)制提供了較為直接的方法。在腦電研究中包括多種分析方法1，可以從時(shí)域和頻域兩種分析方法的角度進(jìn)行劃

2、分，其中事件相關(guān)電位(Event Related Potential，ERP)是對(duì)EEG信號(hào)在時(shí)域上進(jìn)行疊加平均，而EEG時(shí)頻分析和EEG相干分析則將EEG信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析。其中，EEG時(shí)頻分析研究的是局部腦區(qū)的大腦共振，即單個(gè)電極點(diǎn)上各頻段的能量變化；EEG相干分析則對(duì)大腦不同區(qū)域之間的大腦共振情況進(jìn)行了研究，即不同電極點(diǎn)之間每個(gè)頻段內(nèi)部相位的共同變化情況。ERP作為一種目前比較成熟的分析方法在20世紀(jì)60年代就產(chǎn)生了，但是EEG相干分析直到20世紀(jì)末才被廣泛接受，21世紀(jì)以來(lái)才涌現(xiàn)出大量相關(guān)研究。EEG相干分析能夠測(cè)查個(gè)體認(rèn)知加工過(guò)程中EEG信號(hào)各個(gè)頻率波段的活動(dòng)以及不同腦區(qū)之

3、間的共同活動(dòng)。本文主要介紹在腦電基礎(chǔ)上發(fā)展出的EEG相干分析方法，其原理及其在語(yǔ)言理解研究中的應(yīng)用，它相對(duì)于其他研究方法的優(yōu)點(diǎn)以及尚未解決的問(wèn)題，最后對(duì)這一方法在語(yǔ)言理解研究中的進(jìn)一步應(yīng)用進(jìn)行了展望。2什么是EEG相干分析在認(rèn)知加工過(guò)程中，大腦會(huì)將空間和時(shí)間上不同的信號(hào)進(jìn)行整合。一般來(lái)說(shuō)，具有相似特征的神經(jīng)元同時(shí)放電而產(chǎn)生共振，是信息神經(jīng)傳導(dǎo)和不同腦區(qū)協(xié)同工作的基礎(chǔ)，從而產(chǎn)生有效的認(rèn)知加工。這些神經(jīng)元可以是鄰近的，也可以位于距離較遠(yuǎn)的不同腦區(qū)2。認(rèn)知信息加工過(guò)程中多個(gè)神經(jīng)元的這種同時(shí)性活動(dòng)體現(xiàn)在EEG信號(hào)中。EEG相干分析就是對(duì)大腦兩個(gè)區(qū)域之間的EEG信號(hào)的線性依存關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，即對(duì)于兩個(gè)同時(shí)

4、記錄到的EEG信號(hào)中相同節(jié)律成分進(jìn)行相位穩(wěn)定性測(cè)量，其測(cè)量方法有很多種6，其中經(jīng)典的頻譜分析(spectral analysis)通過(guò)對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行傅立葉轉(zhuǎn)換(Fourier transform，F(xiàn)T)，將時(shí)域(time domain)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域(frequency domain)的信號(hào)，繼而計(jì)算某時(shí)間段內(nèi)兩個(gè)信號(hào)在某個(gè)頻段的相干。相干系數(shù)的計(jì)算公式為：C2xy(f)=Sxy(f)2/Sxx(f)*Syy(f)其中，(C)表示由信號(hào)x和y的頻率(f)計(jì)算所得的相關(guān)系數(shù)，Sxy(f)為兩個(gè)信號(hào)的交叉能量譜(cross-power spectrum)，Sxx(f)和Syy(f)分別為兩個(gè)信

5、號(hào)的自頻譜(autospectra)。為了更好地理解其意義，可將其與皮爾遜等級(jí)相關(guān)進(jìn)行類(lèi)比。EEG相干系數(shù)反映了兩個(gè)EEG信號(hào)的共同變化情況，數(shù)值范圍從0到1。0表示兩個(gè)信號(hào)相應(yīng)的頻率成分是無(wú)關(guān)的，兩個(gè)腦區(qū)的活動(dòng)是去同步化的；1表示兩個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)頻率的相位完全相關(guān)，兩個(gè)腦區(qū)的活動(dòng)有很強(qiáng)的同步性3。EEG相干分析時(shí)，一般將實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)的相干與無(wú)任務(wù)時(shí)基線水平的相干進(jìn)行比較，指標(biāo)包括相干系數(shù)和相干變化的區(qū)域。比如，在兩種實(shí)驗(yàn)條件下，其相干系數(shù)與無(wú)任務(wù)時(shí)基線水平的相干系數(shù)相比都有顯著增加，但是實(shí)驗(yàn)條件一比條件二的增加的相干值更多，則表明條件一的相干系數(shù)高于條件二；如果對(duì)于某一相干區(qū)域，在實(shí)驗(yàn)條件一下，其

6、相干系數(shù)與無(wú)任務(wù)時(shí)基線水平的相干系數(shù)相比有顯著增加，而實(shí)驗(yàn)條件二沒(méi)有顯著增加，則表明實(shí)驗(yàn)條件一的相干區(qū)域多于實(shí)驗(yàn)條件二。相干系數(shù)一般反映了加工難度的變化，而相干變化的區(qū)域則表明參與相應(yīng)認(rèn)知加工過(guò)程的腦區(qū)的變化。對(duì)于EEG信號(hào)，一般分析的頻段包括：(14Hz)波段，(57Hz)波段，d-1(810Hz)波段，-2(1112Hz)波段，-1(1318Hz)波段，-2(1931Hz)波段以及Y(大于31HZ)波段。研究證明，每種心理操作都伴隨著特定的相干模式，不同頻率波段與不同的認(rèn)知加工過(guò)程相對(duì)應(yīng)6。因此，語(yǔ)言理解所涉及的不同認(rèn)知加工過(guò)程可以通過(guò)EEG相干分析方法進(jìn)行考察。經(jīng)典的頻譜分析方法是建立在

7、信號(hào)平穩(wěn)假設(shè)基礎(chǔ)上的，計(jì)算得到的是某段時(shí)間內(nèi)的相干系數(shù)，并不能提取大腦活動(dòng)的瞬時(shí)特性，而且在較短時(shí)間內(nèi)具有很低的頻率分辨率。要充分地運(yùn)用時(shí)間信息則需要引入時(shí)變相干分析，即測(cè)查不同時(shí)間點(diǎn)上的相干情況，比如自回歸移動(dòng)平均(AutoRegressive Moving Average, ARMA)方法，多元自回歸方法(MultiVariate AutoRegressive，MVAR)等。它們能夠在較高的頻率分辨率下，連續(xù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)的協(xié)同變化。另外，也有人通過(guò)計(jì)算兩個(gè)信號(hào)的相位差來(lái)測(cè)量信息傳遞的方向和速度。因此，EEG相干分析中頻譜分析主要測(cè)查一段時(shí)間內(nèi)兩個(gè)信號(hào)之間的相干情況，而時(shí)變相干分析則測(cè)查隨時(shí)

8、間變化的相干情況。根據(jù)不同的研究目的，可以使用不同的分析方法。3 EEG相干分析在語(yǔ)言理解研究中的應(yīng)用語(yǔ)言理解需要將語(yǔ)音、語(yǔ)法、語(yǔ)義等各種信息進(jìn)行整合，并利用個(gè)體已有的世界知識(shí)形成完整的心理表征，整合可以發(fā)生在詞語(yǔ)、句子和篇章等不同的水平。同時(shí)，大腦某一皮層區(qū)域負(fù)責(zé)多個(gè)功能，語(yǔ)言加工涉及多個(gè)大腦區(qū)域。因此，在語(yǔ)言理解過(guò)程中，與語(yǔ)言加工相關(guān)的不同區(qū)域不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)的信息傳遞4,5，這一信息傳遞過(guò)程可以用EEG相干分析來(lái)考察。下面從詞語(yǔ)加工和句子加工兩個(gè)水平來(lái)介紹EEG相干分析在語(yǔ)言理解研究方面的應(yīng)用及其研究成果。3.1詞語(yǔ)加工詞語(yǔ)加工主要涉及心理詞典的大腦皮層表征問(wèn)題，即心理詞典中不同類(lèi)型的詞語(yǔ)加

9、工時(shí)所激活的腦區(qū)。在EEG相干分析的研究中，主要從三個(gè)方面進(jìn)行考察：第一，一般認(rèn)知過(guò)程，指所有詞語(yǔ)加工時(shí)會(huì)涉及到的加工過(guò)程，比如感覺(jué)、注意等；第二，語(yǔ)法加工，指對(duì)詞語(yǔ)的動(dòng)詞名詞屬性的加工；第三，語(yǔ)義加工，主要涉及詞語(yǔ)所傳達(dá)的意義。3.1.1一般認(rèn)知過(guò)程Weiss(2003)考察了與詞語(yǔ)加工有關(guān)的大腦網(wǎng)絡(luò)，以及EEG信號(hào)各頻段所反映的認(rèn)知加工過(guò)程6。實(shí)驗(yàn)采用對(duì)不同類(lèi)型詞語(yǔ)的知覺(jué)任務(wù)，視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)呈現(xiàn)動(dòng)詞、抽象名詞、具體名詞以及非詞，要求被試仔細(xì)看或者聽(tīng)，不做出其他反應(yīng)。對(duì)詞語(yǔ)呈現(xiàn)1s時(shí)程內(nèi)的EEG信號(hào)進(jìn)行以FT為基礎(chǔ)的經(jīng)典頻譜相干分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)在110Hz的波段中，相對(duì)于休息條件，所有類(lèi)型

10、詞語(yǔ)的在大腦的相干區(qū)域都增加了；(2)在1131Hz的波段中，不同類(lèi)型的詞語(yǔ)幾乎沒(méi)有共同的相干變化模式。Harmony(1999)的研究發(fā)現(xiàn)(14Hz)波段與注意有關(guān)7，Klimesch(1999)發(fā)現(xiàn)(57Hz)波段與工作記憶有關(guān)8。由此推論：低頻波段(110Hz)反映了詞語(yǔ)非特異的加工過(guò)程，如感覺(jué)、注意、記憶等基本的認(rèn)知任務(wù)；較高頻段(1131Hz)在不同種類(lèi)的詞語(yǔ)加工中相干模式差異顯著，反映了不同類(lèi)型詞語(yǔ)的語(yǔ)法(名詞與動(dòng)詞)和語(yǔ)義(抽象和具體)加工。      3.1.2語(yǔ)法加工Weiss(2003)在同一知覺(jué)實(shí)驗(yàn)中6，對(duì)比了聽(tīng)覺(jué)條件下具體名詞和具

11、體動(dòng)詞的相干模式，發(fā)現(xiàn)在-1(1318Hz)和-2(1931Hz)波段，名詞相對(duì)于動(dòng)詞在前額葉區(qū)域相干系數(shù)較高。研究者認(rèn)為這一結(jié)果說(shuō)明-1(1318Hz)和-2(1931Hz)波段與詞語(yǔ)的語(yǔ)法加工有關(guān)，而且加工名詞時(shí)，需要大腦前額葉更多的同步化活動(dòng)。但是無(wú)論是對(duì)名詞還是對(duì)動(dòng)詞的加工，必然涉及對(duì)詞語(yǔ)不同詞義的加工，因此不能確定-1(1318Hz)和-2(1931Hz)波段的差異是由動(dòng)詞和名詞不同語(yǔ)法狀態(tài)造成的，還是由詞語(yǔ)意義本身導(dǎo)致的。應(yīng)該采用一些語(yǔ)義相同但是語(yǔ)法詞性不同的詞語(yǔ)作為實(shí)驗(yàn)材料，這樣才能將語(yǔ)法和語(yǔ)義的加工分離開(kāi)來(lái)。Khader(2004)等人采用了啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)范式9，要求被試將作為目標(biāo)詞

12、的名詞或動(dòng)詞整合到由兩個(gè)啟動(dòng)詞所構(gòu)成的語(yǔ)境中，例如啟動(dòng)詞為“SGTTISCHLER(木頭木匠)”，目標(biāo)詞為“HOLZ(砍)”；或者兩個(gè)啟動(dòng)詞為“HOLZ TISCHLER(砍木匠)”，目標(biāo)詞為“SGT(木頭)”。詞語(yǔ)均為視覺(jué)呈現(xiàn)，任務(wù)是判斷目標(biāo)詞與啟動(dòng)詞是否語(yǔ)義相關(guān)。采用經(jīng)典的頻譜相干分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：相對(duì)于刺激出現(xiàn)前的基線水平，第一個(gè)啟動(dòng)詞出現(xiàn)時(shí)(37Hz)波段在大腦左側(cè)前額葉與大腦后部之間的相干區(qū)域減小，而且啟動(dòng)詞為動(dòng)詞時(shí)，其減小程度大于名詞。由此研究者認(rèn)為不同語(yǔ)法形態(tài)的加工導(dǎo)致了(37Hz)波段的去同步化活動(dòng)。但是一般來(lái)說(shuō)，詞語(yǔ)加工時(shí)應(yīng)該出現(xiàn)同步化增強(qiáng)的現(xiàn)象，因此本研究中去同步化的結(jié)果可能

13、是因?yàn)榉治鰰r(shí)基線位于詞語(yǔ)呈現(xiàn)前，在此階段仍然進(jìn)行著上一對(duì)詞語(yǔ)的語(yǔ)義相關(guān)性判斷，需要更多的注意和記憶的參與，而詞語(yǔ)呈現(xiàn)時(shí)較基線階段需要較少的注意和記憶，進(jìn)而出現(xiàn)了(37Hz)波段去同步化的現(xiàn)象。同時(shí)，動(dòng)詞的去同步化程度更強(qiáng)，說(shuō)明名詞加工時(shí)需要較多的同步化活動(dòng)。以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都對(duì)詞語(yǔ)的語(yǔ)法分類(lèi)(名詞和動(dòng)詞)所涉及的加工機(jī)制進(jìn)行了研究，盡管涉及的頻率波段不同，但都發(fā)現(xiàn)語(yǔ)法加工在大腦前額葉部位相干模式的變化，而且名詞比動(dòng)詞出現(xiàn)了更多的大腦同步化活動(dòng)。3.1.3語(yǔ)義加工在Weiss(1996)的實(shí)驗(yàn)中10，給被試聽(tīng)覺(jué)呈現(xiàn)具體名詞和抽象名詞，要求被試記憶，事后進(jìn)行回憶。通過(guò)經(jīng)典頻譜相干分析，將具體名詞與抽象

14、名詞記憶階段的相干模式進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)-1(1318Hz)波段在左側(cè)額葉內(nèi)部(比如電極F3與電極F5之間的相干)、大腦后部區(qū)域內(nèi)部(比如電極PZ與P4之間的相干)，以及兩個(gè)區(qū)域之間的相干(比如電極F3與電極O2之間的相干)都有顯著增加。由于兩種條件下加工的都是名詞，詞性相同而語(yǔ)義不同，所以這一結(jié)果說(shuō)明-1波段與語(yǔ)義加工有關(guān)，而且加工具體名詞時(shí)，涉及更多的左側(cè)額葉、大腦后部區(qū)域以及兩個(gè)區(qū)域之間的信息傳遞。Schack(1999)等人采用Stroop任務(wù)對(duì)表示顏色詞語(yǔ)的語(yǔ)義加工過(guò)程進(jìn)行了研究，并且得到了相似的研究結(jié)果11，發(fā)現(xiàn)與顏色和詞義一致條件相比，不一致條件下的-1(1318Hz)波段在左側(cè)前額

15、葉和左側(cè)頂葉內(nèi)部以及它們之間的相干值要高，說(shuō)明在不一致條件下，這些區(qū)域之間的同步化活動(dòng)更強(qiáng)。劉小峰等(2005)使用MVAR進(jìn)行相干分析，對(duì)雙語(yǔ)者執(zhí)行Stroop任務(wù)時(shí)腦電活動(dòng)及其功能皮層區(qū)的協(xié)同作用進(jìn)行了研究12。結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)：(1)在-1(1318Hz)波段，無(wú)論是漢語(yǔ)(第一語(yǔ)言，L1)還是英語(yǔ)(第二語(yǔ)言，L2)呈現(xiàn)的刺激，不一致條件下的EEG相干值明顯大于一致條件；(2)相對(duì)于L2，Ll的stroop任務(wù)中，額-頂區(qū)的相干值顯著增加。說(shuō)明了-1(1318Hz)波段對(duì)詞語(yǔ)語(yǔ)義加工敏感，判斷和處理沖突信息時(shí)，腦功能皮層區(qū)之間的協(xié)同作用增強(qiáng)；相對(duì)于第二語(yǔ)言，第一語(yǔ)言處理過(guò)程中，額頂區(qū)之間的通信

16、協(xié)作能力更強(qiáng)。以上研究1012考察了詞語(yǔ)語(yǔ)義加工過(guò)程，表明-1(1318Hz)波段與詞語(yǔ)語(yǔ)義的認(rèn)知加工過(guò)程有較高的相關(guān)，而且與大腦額葉和頂葉區(qū)域的協(xié)同活動(dòng)有關(guān)。當(dāng)任務(wù)難度增加時(shí)，不同腦區(qū)之間協(xié)同活動(dòng)增強(qiáng)，表現(xiàn)為相干系數(shù)增大以及相干區(qū)域增多。3.2句子加工句子加工以詞語(yǔ)加工為基礎(chǔ)，并對(duì)語(yǔ)音、語(yǔ)法、語(yǔ)義等多種信息進(jìn)行整合。這種即時(shí)性的整合需要注意和工作記憶的參與，因此許多句子加工過(guò)程的研究都涉及注意和工作記憶的作用。目前已有的EEG相干分析研究主要關(guān)注的是語(yǔ)義整合的過(guò)程，本部分主要從操縱語(yǔ)義整合難度的方法角度來(lái)介紹。研究中操縱語(yǔ)義整合難度的方法有兩種，分別為變化句子的句法結(jié)構(gòu)和和操縱不同的語(yǔ)義違反

17、條件。3.2.1操縱句子的句法結(jié)構(gòu)Weiss等(2005)研究了加工兩種不同句法結(jié)構(gòu)的句子時(shí)EEG相干模式的差異13。實(shí)驗(yàn)要求被試?yán)斫庖曈X(jué)呈現(xiàn)的兩種類(lèi)型的句子，分別為主語(yǔ)關(guān)系從句(SS句，即主句的主語(yǔ)同時(shí)作為從句的主語(yǔ))和賓語(yǔ)關(guān)系從句(SO句，即主句的主語(yǔ)同時(shí)作為從句的賓語(yǔ))。例如：SS句：The fireman who speedily rescued the cop sued the city over working conditions.SO句：The fireman who the cop speedily rescued sued the city over working con

18、ditions.其中SO句句法較復(fù)雜，導(dǎo)致工作記憶負(fù)荷較SS句重。采用ARWA方法進(jìn)行相干分析，對(duì)兩種類(lèi)型句子加工過(guò)程中的相干系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)對(duì)于(57HZ)波段，在加工關(guān)系從句時(shí)(SS句中的“who speedily rescued the cop”，SO句中的“who the cop speedily rescued”)，SO句子的前后腦區(qū)之間的相干系數(shù)更大。由于SO句對(duì)口語(yǔ)工作記憶要求較高，表明了(57HZ)波段與工作記憶負(fù)荷有關(guān)。關(guān)于(57HZ)波段與工作記憶有關(guān)的假設(shè)，在Klimesch(1999)，Sarnthein(1998)和Sauseng(2005)的研究中8,

19、14,15也得到了證實(shí)，他們操控不同的工作記憶負(fù)荷，發(fā)現(xiàn)隨著工作記憶負(fù)荷的增大(57Hz)波段的相干系數(shù)也增大；同時(shí)，Weiss等(2005)的研究發(fā)現(xiàn)相干系數(shù)增加的腦區(qū)主要位于前額葉，這與大腦前額葉與工作記憶有關(guān)的假設(shè)相符合16。(2)對(duì)于-1(1318Hz)波段，在加工關(guān)系從句后面時(shí)，SO句在大腦后部和前后部的相干系數(shù)更大。在句子加工過(guò)程中，需要整合當(dāng)前的語(yǔ)義語(yǔ)用知識(shí)來(lái)建構(gòu)句子情境，這一建構(gòu)在從句結(jié)束后達(dá)到峰值。SO句的整合比SS句困難，此時(shí)-1(1318Hz)波段在SO句表現(xiàn)出更高的相干，所以推論-1(1318Hz)波段與這種情境建構(gòu)的語(yǔ)義整合有關(guān)。在Haarmann(2003，2005

20、)的研究中17,18，要求被試閱讀理解不同句式的句子并對(duì)其意義進(jìn)行保持，控制句法結(jié)構(gòu)以操縱工作記憶負(fù)荷，控制關(guān)鍵詞的語(yǔ)義相關(guān)性來(lái)操縱加工難度。例如：(1)What box/did/the pilot/that entered/the airport/forget/in the plane? (WHAT句，語(yǔ)義相關(guān))(2)What box/did/the actor/that entered/the airport/forget/in the shop? (WHAT句，語(yǔ)義無(wú)關(guān))(3)Did the pilot/that entered/the airport/forget/the box/in

21、 the plane? (非WHAT句，語(yǔ)義相關(guān))(4)Did the actor/that entered/the airport/forget/the box/in the shop? (非WHAT句，語(yǔ)義無(wú)關(guān))在WHAT句中，讀者需要將box的意義保持到forget處才能進(jìn)行整合，對(duì)工作記憶的要求較高；同時(shí)，三個(gè)關(guān)鍵詞actor, airport和shop之間的語(yǔ)義相關(guān)要小于pilot, airport和plane之間的語(yǔ)義相關(guān)，整合難度較大。分別對(duì)句子整合和保持的2s時(shí)程內(nèi)進(jìn)行經(jīng)典的頻譜相干分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)在句子整合階段，句式與語(yǔ)義相關(guān)性的交互作用顯著。語(yǔ)義無(wú)關(guān)條件下，-1(13

22、18Hz)波段在WHAT句的相干大于非WHAT句的相干，而語(yǔ)義相關(guān)條件下沒(méi)有這種效應(yīng)，相干變化區(qū)域包括大腦兩半球前額葉與大腦后部區(qū)域如顳-頂葉之間。這一結(jié)果與Weiss等(2005)的研究13結(jié)果一致：當(dāng)語(yǔ)義整合困難時(shí)，-1(1318Hz)波段的相干增加，表明-1(1318Hz)波段與語(yǔ)義整合有關(guān)。(2)在語(yǔ)義整合和保持階段，每個(gè)頻率波段的相干表現(xiàn)不同。對(duì)于(46Hz)波段，語(yǔ)義整合階段相干區(qū)域顯著多于保持階段，這些區(qū)域分布于整個(gè)大腦皮層，語(yǔ)義整合階段工作記憶負(fù)荷比保持階段要大，表明(46Hz)波段反映了一種工作記憶的負(fù)荷；而對(duì)于(1014Hz)波段，語(yǔ)義保持階段相干區(qū)域顯著多于整合階段，這些

23、區(qū)域也廣泛分布于在大腦皮層。在語(yǔ)義保持階段，需要更多的內(nèi)部指向的注意來(lái)進(jìn)行語(yǔ)義保持，因此推論這種內(nèi)源性注意與(1014Hz)波段有關(guān)。Cooper(2003)的研究為這一假設(shè)提供了支持證據(jù)19：Cooper(2003)研究了不同注意條件下(1014Hz)波段的相干變化情況，發(fā)現(xiàn)(1014HZ)波段反映的是一種內(nèi)源性的注意，是一種抑制外界無(wú)關(guān)刺激將當(dāng)前注意指向內(nèi)部心理表征的反映。Reiterer(2005)的研究中也得到了相似的結(jié)論20。并且，對(duì)于語(yǔ)義整合和保持階段(46Hz)波段和(1014Hz)波段相干的同時(shí)性變化現(xiàn)象，Mlle(2002)在詞語(yǔ)和面孔配對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)的研究中也發(fā)現(xiàn)，加工過(guò)程伴隨

24、著(46Hz)波段的同步化以及(1014Hz)波段的去同步化21，支持了Haarmann的研究結(jié)果。      以上研究13,17,18通過(guò)變化句法結(jié)構(gòu)來(lái)操縱語(yǔ)義整合的難度，進(jìn)而考察語(yǔ)義整合過(guò)程中每個(gè)頻段內(nèi)部自身的相干變化。但是，不同頻段的相干變化可能由語(yǔ)義整合的難度差異造成，也可能由句法結(jié)構(gòu)不同所造成。因此，不能簡(jiǎn)單地將其相干變化歸結(jié)為語(yǔ)義整合難度的差異。如果要考察語(yǔ)義整合難度與每個(gè)頻段內(nèi)部自身相干之間的關(guān)系，應(yīng)該保持相同的句法結(jié)構(gòu)，操縱語(yǔ)義整合的難度，比如在Haarmann(2003，2005)的研究中17，可以對(duì)比WHAT句在語(yǔ)義相關(guān)和語(yǔ)義無(wú)關(guān)兩種

25、條件下的差異，此時(shí)得到的相干差異顯著的頻段才與語(yǔ)義整合加工有關(guān)。3.2.2語(yǔ)義違反Weiss等(2003)采用語(yǔ)義違反范式研究了德語(yǔ)聽(tīng)覺(jué)句子加工過(guò)程中不同頻譜波段內(nèi)部的相干變化情況6，實(shí)驗(yàn)要求被試聽(tīng)覺(jué)理解主謂賓結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單句子，分別有語(yǔ)義連貫、語(yǔ)義違反兩種條件，將句子呈現(xiàn)后4s時(shí)程內(nèi)的EEG信號(hào)進(jìn)行以FT為基礎(chǔ)的經(jīng)典頻譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)在兩種句子條件下，-1(810Hz)波段的相干都沒(méi)有變化。因?yàn)閷?duì)于各種條件句子的基本知覺(jué)分析沒(méi)有差別，其相干模式也不會(huì)產(chǎn)生差異，因此-1(810Hz)波段反映了對(duì)聽(tīng)覺(jué)刺激的知覺(jué)分析，這與Weiss(1996)的研究結(jié)果一致10。(2)在句子加工條件下，相對(duì)于

26、沒(méi)有意義的聲音信號(hào)，-1(1318Hz)波段在前額葉和前額頂葉區(qū)域的相干系數(shù)增加，結(jié)合前面介紹的研究結(jié)果10-12，-1(1318Hz)波段與語(yǔ)義加工有關(guān)，它反映了德語(yǔ)句子加工過(guò)程中的語(yǔ)義分析。(3)采用ARMA分析方法對(duì)電極PZP4之間的相干系數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)語(yǔ)義違反N400效應(yīng)的時(shí)間窗口內(nèi)，(大于30Hz)波段的相干系數(shù)在語(yǔ)義違反句中大于語(yǔ)義連貫句，從而表明高頻波段與語(yǔ)義整合有關(guān)，這一結(jié)果得到了一些采用時(shí)頻分析方法進(jìn)行的研究的支持22。綜合以上研究，采用EEG相干分析方法對(duì)于語(yǔ)言理解的研究仍處于探索階段。這類(lèi)研究一般都是操縱反映不同認(rèn)知過(guò)程的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，考察每個(gè)頻段內(nèi)部自身的相干系數(shù)和

27、相干區(qū)域的變化，發(fā)現(xiàn)同一頻段的波可能反映了多種認(rèn)知過(guò)程，比如對(duì)于-1(1318Hz)波段，Weiss(2003)6的結(jié)果表明它與詞語(yǔ)語(yǔ)法加工有關(guān)，而Weiss(1996)10和Schack(1999)11的研究結(jié)果則認(rèn)為它與詞語(yǔ)語(yǔ)義加工有關(guān)，Weiss等(2005)13和Haarmann(2003，2005)的研究17,18則指出它可能反映了句子加工過(guò)程中的語(yǔ)義整合過(guò)程；同時(shí)，同一相干區(qū)域也可能包含了多種認(rèn)知加工，比如對(duì)于大腦前部和后部之間的相干，Weiss等(2005)13的研究表明(57Hz)波段與口語(yǔ)的工作記憶有關(guān)，-1(1318Hz)波段則與情景建構(gòu)的語(yǔ)義整合有關(guān)，在Haarmann(

28、2003，2005)的研究中17,18則發(fā)現(xiàn)(1014Hz)波段與內(nèi)源性注意有關(guān)。這些研究結(jié)果的分歧一方面由于實(shí)驗(yàn)條件控制的多樣性，另一方面也表明大腦活動(dòng)的復(fù)雜性，因此需要更多的研究來(lái)為這些結(jié)果提供支持。另外，大多研究集中于詞語(yǔ)水平上，句子水平的研究較少，尚未發(fā)現(xiàn)使用這一方法對(duì)語(yǔ)篇理解的研究。4 EEG相干分析與ERP、fMRI的比較EEG相干分析雖然是一種尚未成熟的研究方法，但與ERP和fMRI相比仍有其自身的優(yōu)點(diǎn)。EEG相干分析和ERP研究的數(shù)據(jù)同樣來(lái)源于EEG信號(hào)，但是EEG相干分析與ERP相比有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，EEG相干分析中每個(gè)頻率的波段都與特定的認(rèn)知任務(wù)相關(guān)，其相干變化反映了不同的

29、認(rèn)知加工過(guò)程，而ERP只是通過(guò)將EEG信號(hào)進(jìn)行鎖時(shí)疊加，利用特定波的波幅和潛伏期來(lái)分析認(rèn)知加工的過(guò)程，在疊加過(guò)程中損失了很多有用信息，不能對(duì)收集到的腦電信號(hào)進(jìn)行全面的分析和利用。第二，EEG相干分析能夠考察不同腦區(qū)的同時(shí)性活動(dòng)，進(jìn)而揭示認(rèn)知加工的信息傳遞過(guò)程，而ERP卻只能分析局部腦區(qū)的活動(dòng)。EEG相干分析與fMRI相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：EEG信號(hào)采集的時(shí)間分辨率非常高，通過(guò)EEG相干分析不僅能夠探察不同腦區(qū)之間的信息傳遞，而且能夠揭示認(rèn)知加工的時(shí)間進(jìn)程，克服了fMRI研究中時(shí)間分辨率低的不足。在語(yǔ)言理解研究中，需要考察負(fù)責(zé)語(yǔ)言加工不同腦區(qū)之間的信息傳遞過(guò)程，揭示語(yǔ)言加工的時(shí)間和空間特點(diǎn)，傳統(tǒng)的E

30、RP和fMRI的分析都有其局限性。利用EEG相干分析，通過(guò)將不同頻段與不同的認(rèn)知過(guò)程相對(duì)應(yīng)，能夠較為直接地考察語(yǔ)言理解涉及的認(rèn)知加工過(guò)程，比如注意和工作記憶的調(diào)控作用等。從而揭示語(yǔ)言理解的認(rèn)知和神經(jīng)機(jī)制，比如認(rèn)知加工的時(shí)間特點(diǎn)，以及不同腦區(qū)之間的信息傳遞等。盡管如此，EEG相干分析也有自身的不足。首先，在采集了多個(gè)頭皮電位的腦電信號(hào)之后，任何一對(duì)電極之間都能夠計(jì)算相干，如果逐一考察這些電極對(duì)之間的相干并且進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，工作量將非常龐大；其次，記錄到的EEG信號(hào)來(lái)自于大腦內(nèi)部，在傳導(dǎo)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相互干擾，而且距離遠(yuǎn)近不同的電極對(duì)所受干擾不同，得到的相干系數(shù)在多大程度上反映了實(shí)際認(rèn)知過(guò)程中的信息傳

31、遞這一問(wèn)題仍待商榷。為了解決以上問(wèn)題，可以考慮將源定位與EEG相干分析相結(jié)合，這樣得到的相干結(jié)果更易于解釋不同腦區(qū)的認(rèn)知加工；或者是將其與fMRI研究方法結(jié)合起來(lái)，事先確定所關(guān)注的腦區(qū)，然后對(duì)其進(jìn)行相干分析。已有研究采用一些方法對(duì)不同部位電極對(duì)的相干值進(jìn)行了校正23，也有研究將fMRI的研究方法與EEG相干分析結(jié)合起來(lái)共同研究大腦認(rèn)知過(guò)程24。5總結(jié)與展望EEG相干反映了產(chǎn)生這些EEG信號(hào)的不同腦區(qū)之間的信息傳遞，考察在不同認(rèn)知加工過(guò)程中大腦功能網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作方式。已有研究表明：(37Hz)波段可能與語(yǔ)言相關(guān)的記憶過(guò)程相關(guān)，而相干的增加則反映了任務(wù)需求的增加或者是工作記憶負(fù)荷的增加，句子臨場(chǎng)加

32、工中情景記憶表征的更新；(812Hz)波段可能與感覺(jué)加工有關(guān)，而相干的增加則反映了對(duì)詞語(yǔ)或者句子的內(nèi)源性注意過(guò)程，這可能通過(guò)抑制大腦系統(tǒng)對(duì)無(wú)關(guān)感覺(jué)信息的加工來(lái)實(shí)現(xiàn)；(1330Hz)波段和(30Hz)波段更多的與語(yǔ)言加工特有的認(rèn)知過(guò)程相關(guān)，比如語(yǔ)法加工或語(yǔ)義整合。EEG相干分析與ERP、fMRI相比具有自身的優(yōu)越性，可以在保證較高的時(shí)間分辨率的基礎(chǔ)上揭示腦區(qū)之間的信息傳遞過(guò)程。但是，這一方法仍處于起步階段，目前的研究仍局限于操縱不同的認(rèn)知過(guò)程，探索每個(gè)頻段波與各種具體的認(rèn)知過(guò)程之間的關(guān)系。這方面的研究需要更進(jìn)一步的深入：第一，確定各頻段波與語(yǔ)言理解過(guò)程中的哪一個(gè)認(rèn)知加工過(guò)程相關(guān)，正如確定不同的E

33、RP成分與特定的認(rèn)知過(guò)程相對(duì)應(yīng)類(lèi)似，這將有助于我們進(jìn)一步揭示大腦的認(rèn)知加工機(jī)制。第二，將EEG相干分析方法與源定位和fMRI的研究方法相結(jié)合使用，有利于克服這一方法本身存在的不足。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于這一方法的應(yīng)用非常少，尤其在心理語(yǔ)言學(xué)領(lǐng)域中更少，所以這一研究方法需要引起國(guó)內(nèi)心理學(xué)家的重視，采用多種研究方法揭示大腦認(rèn)知加工的奧秘。 【參考文獻(xiàn)】 1Bastiaansen M, Hagoort P. Oscillatory neuronal dynamics during language comprehension. Progress in Brain Research, 2006, 15

34、9: 1791962Fries P A. Mechanism for cognitive dynamics: neuronal communication through neuronal coherence. Trends in Cognitive Sciences, 2005, 9(10): 4744803Andrew C, Pfurtscheller G. Event-related coherence as a tool for studying dynamic interaction of brain regions. Electroencephalogr Clin Neurophy

35、siol, 1996, 98(2): 1441484Friederici A D. Towards a neural basis of auditory sentence processing. Trends in Cognitive Sciences, 2002, 6(2):78845Mason R A, Just M A. Neuroimaging contributions to the understanding of discourse processes. In:M Traxler, M A. Gernsbacher (Eds. ), Handbook of Psycholingu

36、istics, 2006. 765799      6Weiss S, Horst M, Mueller. The contribution of EEG coherence to the investigation of language. Brain and Language, 2003, 85: 3253437Harmony T. Do specific EEG frequencies indicate different processes during mental calculation? Neuroscience Letters, 1999

37、, 266: 25288Klimesch W. EEG and oscillations reflect cognitive and memory performance:A review and analysis. Brain Research Reviews, 1999, 29: 1691959Khader P, Rsler F. EEG power and coherence analysis of visually presented nouns and verbs reveals left frontal processing differences. Neuroscience Le

38、tters, 2004, 354: 11111410Weiss S, Rappelsberger P. EEG coherence within the 1318 Hz band as a correlate of a distinct lexical organization of concrete and abstract nouns in humans. Neurosci Lett. 1996, 209(1): 172011Schack B, Chen A C, Mescha S, et al. Instantaneous EEG coherence analysis during th

39、e Stroop task. Clinical Neurophysiology, 1999, 110: 1410142612劉小峰，祁歡，王怡，王素品，萬(wàn)明習(xí).第一和第二語(yǔ)言stroop任務(wù)中EEG同步化分析.生物物理學(xué)報(bào)，2005，12(3)：23324013Weiss S, Mueller H M, Schack B, et al. Increased neuronal communication accompanying sentence comprehension. Int. J. Psychophysiol. , 2005, 57(2): 12914114Sarnthein J, P

40、etsche H, Rappelsberger P, et al. Synchronization between prefrontal and posterior association cortex during human working memory. Proceedingd of the National Academy of Sciences USA, 1998, 95: 7092709615Sauseng P, Klimesch W, Schabus M, et al. Fronto-parietal EEG coherence in theta and upper alpha

41、reflect central executive functions of working memory. International Journal of Psychophysiology, 2005, 57: 9710316Mottaghy F M, Doering T, Mueller-Gaertner H W, et al. Bilateral parieto-frontal network for verbal working memory: an interference approach using repetitive transcranial magnetic stimul

42、ation (rTMS). European Journal of Neuroscience, 2002, 16(8): 16271632. 17Haarmann H I, Cameron K A, Ruchkin D S. Neural synchronization mediates on-line sentence processing: EEG coherence evidence from filler-gap constructions. Psychophysiology, 2002, 39(6): 82028518Haarmann H J, Katherine A C. Active maintenance of sentence meaning in wo