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语言，是人类描述事物、传播文化、交流思想、传递感情的工具。
但是语言究竟是如何被人类感知的，却很少有人研究过。这个司空见惯却又十分深奥的问题引起了一位专家的兴趣(图1)。
⑴陈林教授揭示大脑感知汉语的奥秘
陈林是中国科技大学生物科学学院的教授。曾先后在国内外著名学校从事过研究工作，2002年回国建立中国科学技术大学听觉研究实验室。多年来主要从事耳聋和耳鸣的神经生物学机制方面的研究。一个研究耳朵的专家怎么对研究语言感兴趣了呢？
陈林:对这个课题感兴趣，是源于一次偶然的事情。一次我在超市购物，碰到一个说英语的老外，他要买烟，售货员怎么听也是买盐。
造成这个误会就是因为汉语的烟和盐，二者之间唯一的区别就是声调不一样，这件事情引起了陈林的兴趣。
汉语具有声调，这是与包括英语在内的大多数西方语言不同的地方。用声调来区别不同的意思，也是汉语奇妙的地方。那么大脑感知汉语的四声时有什么与众不同的地方吗？大脑怎样识别汉语的声调呢（图2）?
⑵生活中有许多值得研究的课题
随着科学的发展，人们终于知道，人类不是靠心而是用脑来想事情的。我们知道人的大脑分为左右两个半脑。那么左右大脑一样不一样呢？又有些什么区别呢？
曾经有一位患癫痫病的妇女，为了防止病情发作时局部病灶蔓延到整个大脑，大夫通过手术将她的大脑中连接左右脑的组织切断。因为接受了这样手术的病人左右大脑半球失去了相互连接，也有人称之为“裂脑人”。
手术后的“裂脑人”癫痫病状有所好转。但是平时生活中有时候就会出现一种自相矛盾的行为:比如出门穿衣服时，左手把衣服往身上穿，而右手却要把衣服脱下来。有时候，穿上一件外衣后，过一会儿又穿上一件。出现这种怪异行为是因为“裂脑人”的左右脑失去了互相沟通，各自主张地指挥右手和左手。
这说明人脑的两个半球工作时需要互相合作。那么左右脑合作时有分工吗？如果有分工，各负责什么工作呢？
其实早在19世纪科学家们就已经知道，人类大脑的左半球主要处理听觉语言信号，右半球主要处理音乐信号。为什么会这样呢？
功能假说认为语言具有传递语意的功能，由左脑处理;音乐具有表达感情的功能，由右脑来处理（图3）。
⑶
而声学假说却认为，语言具有随时间快速变化的声学属性，所以由左脑处理；音乐具有较慢频率变化的声学属性，所以由右脑来处理（图4）。
⑷
举个例子:在一部滚梯中，用左侧的人来代表语言;右侧的人代表音乐。
左边这个人是男性，他走路快，所以从左侧急忙上去；右边这位女性，并不着急，所以随电梯慢慢上行。
另外左边的人是某单位职工，单位在左面，所以走向左侧;而右边这个人是全职妈妈，她要去右边的超市，所以走向右侧。
同样的一种现象，可以用两种不同的假说去解释。但究竟哪个理论是正确的呢？
美国德州大学心理系的一位华裔教授领导的小组在2004年发表了一项研究成果。他们使用了功能核磁共振成像技术观察了与处理汉语声调相关的脑区。
他们发现当给受试者听无意义的声调时，优势半球在右侧。当受试者听到汉语声调的时候，说汉语的受试者，左半球占优势，而母语为英语的受试者，却是右半球占优势（图5）。
⑸以汉语和英语为母语的听到汉语时，大脑活动区域不同
陈林:出现这样情况的原因，不很清楚，找不出答案。但这个结果引起了我们极大兴趣，所以我想着手从这点开始深入研究，汉语声调在我们大脑的加工过程中究竟发生了什么。
普通话有21个声母、35个韵母和4声，理论上可以产生2940种声音。但是能够使用的大约2500个，真正用到普通话中的大约1200个。
英语在理论上有560种声音。
不难看出，汉语因为使用声调，发音种类要比英语多得多。
陈林:我们的汉语声调，在声学特性上跟音乐有很多类似的地方，比如说“吗麻马骂”它是一个调的变化，就像音乐有音调的跳跃变化。但是别忘了汉语的声调同时又携带语意，它应该在左半球去处理。这样，我们的经典理论在解释汉语声调问题上就遇到了麻烦，遇到一个解释不了的问题
汉语声调携带语意，经典理论认为它应该由左脑来处理。但是，汉语声调又类似音乐，经典理论又认为它应该由右脑来处理。这是怎么回事呢？难道从西方语言基础上发展起来的经典理论遇到汉语时就失灵了吗？
被这个问题困扰着的陈林教授，走在街上也在不停地思考着。正当他百思不得其解的时候，一天，一个偶然的事情触发了他的灵感。
陈林:有一次我上班，穿越我们单位门前的斑马线的时候。我看到一个轿车从我面前驶过。这辆车看着很眼熟，很像我的一个朋友驾驶的车。当我试图想看到驾驶这辆车的驾驶员是不是我朋友时，但车一闪而过速度太快，没看清楚。
这生活中每人都可能碰到的事，别人可能也就放过去了。
陈林跟往常一样回到家里，休息一会儿，看看电视。电视中的一个镜头突然引起了他的注意。一个慢镜头，可以把车内的人看得很清楚。
陈林:我突然想到，是自己的眼睛看这个车开过去的时候，分辨太慢。电视上用的可能是一个高速摄影机拍摄的，时间分辨率很高，能够抓住时间点上发生事件的每一瞬间。
由此陈林突然想到，现在国际上报道的一些关于汉语声调的研究，大多数采用的是功能核磁共振成像或者正电子断层扫描技术手段。这两种技术手段观测的是受试者大脑某个特定区域的血流量。通过观测大脑特定区域的血流量变化，来判断是哪一个大脑区域对汉语声调比较敏感。
陈林:这个技术的优点是有很高的空间分辨率，它可以准确告诉你是大脑的哪一个区域跟外边刺激相关，被激活了。但是它的一个缺点，因为它观测血流量，所以它的时间反应速度很慢。
从声音传到耳蜗到脑干到初级听觉皮层再到明白语意需要有一个过程。但是一个声音进入耳朵到大脑做出加工这个时间是非常短暂的，几乎是在一瞬间完成的（图6）。
⑹辨别声音的意义是在瞬间完成的
核磁共振成像或正电子断层扫描技术的时间分辨率为秒到几十秒的数量级，所以用这样手段去观测，有可能将听到声音后大脑当中发生的很多事情忽略了，没有观测到。
陈林:我们的思维就回到了怎样寻找一个有很好的时间分辨率的这样一个技术手段来观测，当一个受试者在听到汉语声调的时候，大脑里确切发生了什么样的活动过程。正像我们想要很清晰观测到急驶而过的汽车里面是谁驾驶的，必须要使用一个高速摄影机一样。我们找到了这样一个高速观测大脑活动的高速摄像机，那就是用脑电。
什么是脑电呢？当我们听到一个声音的时候，我们的耳蜗将声音震动转变为电和化学的活动，这些携带听觉信息的电和化学活动通过神经元一级又一级地传递到我们大脑的高级中枢。我们的大脑也需要神经元以电的形式或者化学的形式相互通讯来加工处理这些听觉信息（图7）。
⑺声音信号转化为神经元电活动
人体是电的良导体。当有神经元电活动的时候，这些电活动通过脑组织、头颅骨传递到头皮的表面。到达头皮表面的这些电活动被记录下来就是脑电（图8）。
⑻大脑皮层接收到脑电信号
脑电很微弱，通常以“微伏”为单位来计量。打个比方，一节干电池的电压是1.5伏，而我们脑电强度只是相当于这个干电池电压的百万分之一。 虽然脑电极其微弱，但它的时间分辨率要比核磁共振成像或正电子断层扫描高出成千上万倍，是不折不扣的抓拍大脑活动的“高速摄像机”。
找到了研究的切入点，他们迅速行动了起来。找寻更多的资料。制定完备的测试计划。同时，开始征集受试者。
倪敬田（中国科学技术大学生命科学学院 听力研究实验室 博士研究生）:我们对被试人的要求是，右利手;听力正常;说流利的普通话;并且没有受过专门的音乐训练。
右利手指的是平时主要用右手做事的人。习惯用左手的人，就是我们常说的左撇子，与受过专业音乐训练的人一样，他们用脑习惯跟平常人可能会有不同。所以试验中要排除这些因素。
他们征集了22位受试者。给受试者头上戴上一个电极帽，帽子上有几十个电极，可以观测头颅各个位置的脑电活动。研究小组使用全头颅记录方式来记录受试者听汉语声调时的脑电反应（图9）。
⑼被测试者的脑电活动被测试出来
记录下的脑电数据被输入到计算机内，再结合电极在受试者头颅位置的信息，用计算机进行数据处理加工，计算出大脑里面在特定的时刻，究竟发生了什么。
受试者:我在学校论坛上看到这个消息，报名参加这个实验的。需要我做的事就是戴上电极帽之后，集中注意力去看一个无声的有字幕的动画，忽略耳机中传来的声音。我后来才知道这是一个关于汉语声调信息处理的实验，我非常好奇，为什么对于一个关于声调信息处理的实验，却要求被试者集中注意力看动画，而不是听所听到的声音。
倪敬田:我们只告诉被试者这是一项关于语言的加工处理的实验，并没有告诉被试者这是关于汉语声调的实验，之所以这样做是为了避免被试者产生思维定势，避免大脑皮层对大脑声调加工处理产生干扰，从而使得实验更具有客观性。
记录到的脑电有各种成份，有听觉受到刺激以后的脑电活动成份，也有视觉和其它感觉系统的成份，以及我们大脑进行思维活动时的脑电成份。在这个实验当中，研究小组提取出了感兴趣的，由听觉信号所诱发的脑电成份。
声音从进入耳蜗到达初级听觉中枢只需要0.2秒左右，这个时候声音信号虽然已经进入大脑，但听者还没有意识到声音的存在。是大脑的意识前阶段。
陈林:在这个时间段内，实际上对以汉语为母语的中国人来讲，右半球的确是加工和处理汉语声调的一个优势半球。
但是到了意识阶段，对听汉语声调意义的受试者来讲，他发现这个汉语声调是有意义，这个信息立刻转到左半球进行加工。
中国人听汉语声调时，在信号已经进入大脑但他还没有来得及意识到这个声音这个阶段，大脑“误将”汉语声调当作音乐，因此由右脑加工。等它传到更高一级大脑中枢的时候，也就是到了受试者意识到所听到的声音这个阶段，大脑发现原来汉语声调是有语意的，立刻就转到左脑进行加工。
陈林:接下来我们感兴趣的，是搞清楚什么因素，决定了不同的声音需要大脑在不同半球进行加工处理。比如为什么我们汉语的声调在右半球进行加工，是不是所有的声音都是这样，对于不是汉语声调的声音又是怎样的呢？
为了搞清楚这个问题，他们又设计了另外一组测试，让所有实验刺激保持一个声调，但是改变声母。
结果发现对于这样的刺激，受试者在意识前阶段大脑的左半球是优势半球。
研究小组发现在听觉加工的意识前阶段声学假说是成立的；而到了意识阶段，功能假说是成立的。他们的工作丰富和扩展了关于听觉认知加工的经典理论。
从课题的酝酿、方案设计、征集受试者、数据采集，到分析加工，经过了4年多的辛勤工作。陈林教授和他的科研小组度过了许许多多不眠之夜，终于解开了大脑感知汉语声调的秘密。
陈林:西方语言体系中建立起来的经典理论，在解释汉语如何在大脑中进行加工的时候遇到了麻烦，暴露了其不完备之处，有可能需要更新和发展。我们的研究结果丰富了现有的这方面的理论，同时研究汉语声调在大脑中如何进行加工，还有助于国际学术界从自然科学的角度来认识中国语言文化的一个独特性。
这项研究成果揭示了一个有趣的现象：中国人用汉语交流时，可能更频繁地使用右脑。因为汉语的每一个字都有一个声调，我们的大脑右半球会频繁地被这个声调激活。
既然我们的大脑右半球积极地参与汉语声调的认知加工，那么右半球受到损伤的患者说汉语或听汉语时，他的声调会不会异常呢？陈林教授和他的科研小组还在继续着他们的研究。如果这一点得到证实的话，医生在诊断汉语为母语的脑损伤患者时，就有可能会多了一项诊断指标。
但是语言究竟是如何被人类感知的，却很少有人研究过。这个司空见惯却又十分深奥的问题引起了一位专家的兴趣(图1)。
⑴陈林教授揭示大脑感知汉语的奥秘
陈林是中国科技大学生物科学学院的教授。曾先后在国内外著名学校从事过研究工作，2002年回国建立中国科学技术大学听觉研究实验室。多年来主要从事耳聋和耳鸣的神经生物学机制方面的研究。一个研究耳朵的专家怎么对研究语言感兴趣了呢？
陈林:对这个课题感兴趣，是源于一次偶然的事情。一次我在超市购物，碰到一个说英语的老外，他要买烟，售货员怎么听也是买盐。
造成这个误会就是因为汉语的烟和盐，二者之间唯一的区别就是声调不一样，这件事情引起了陈林的兴趣。
汉语具有声调，这是与包括英语在内的大多数西方语言不同的地方。用声调来区别不同的意思，也是汉语奇妙的地方。那么大脑感知汉语的四声时有什么与众不同的地方吗？大脑怎样识别汉语的声调呢（图2）?
⑵生活中有许多值得研究的课题
随着科学的发展，人们终于知道，人类不是靠心而是用脑来想事情的。我们知道人的大脑分为左右两个半脑。那么左右大脑一样不一样呢？又有些什么区别呢？
曾经有一位患癫痫病的妇女，为了防止病情发作时局部病灶蔓延到整个大脑，大夫通过手术将她的大脑中连接左右脑的组织切断。因为接受了这样手术的病人左右大脑半球失去了相互连接，也有人称之为“裂脑人”。
手术后的“裂脑人”癫痫病状有所好转。但是平时生活中有时候就会出现一种自相矛盾的行为:比如出门穿衣服时，左手把衣服往身上穿，而右手却要把衣服脱下来。有时候，穿上一件外衣后，过一会儿又穿上一件。出现这种怪异行为是因为“裂脑人”的左右脑失去了互相沟通，各自主张地指挥右手和左手。
这说明人脑的两个半球工作时需要互相合作。那么左右脑合作时有分工吗？如果有分工，各负责什么工作呢？
其实早在19世纪科学家们就已经知道，人类大脑的左半球主要处理听觉语言信号，右半球主要处理音乐信号。为什么会这样呢？
功能假说认为语言具有传递语意的功能，由左脑处理;音乐具有表达感情的功能，由右脑来处理（图3）。
⑶
而声学假说却认为，语言具有随时间快速变化的声学属性，所以由左脑处理；音乐具有较慢频率变化的声学属性，所以由右脑来处理（图4）。
⑷
举个例子:在一部滚梯中，用左侧的人来代表语言;右侧的人代表音乐。
左边这个人是男性，他走路快，所以从左侧急忙上去；右边这位女性，并不着急，所以随电梯慢慢上行。
另外左边的人是某单位职工，单位在左面，所以走向左侧;而右边这个人是全职妈妈，她要去右边的超市，所以走向右侧。
同样的一种现象，可以用两种不同的假说去解释。但究竟哪个理论是正确的呢？
美国德州大学心理系的一位华裔教授领导的小组在2004年发表了一项研究成果。他们使用了功能核磁共振成像技术观察了与处理汉语声调相关的脑区。
他们发现当给受试者听无意义的声调时，优势半球在右侧。当受试者听到汉语声调的时候，说汉语的受试者，左半球占优势，而母语为英语的受试者，却是右半球占优势（图5）。
⑸以汉语和英语为母语的听到汉语时，大脑活动区域不同
陈林:出现这样情况的原因，不很清楚，找不出答案。但这个结果引起了我们极大兴趣，所以我想着手从这点开始深入研究，汉语声调在我们大脑的加工过程中究竟发生了什么。
普通话有21个声母、35个韵母和4声，理论上可以产生2940种声音。但是能够使用的大约2500个，真正用到普通话中的大约1200个。
英语在理论上有560种声音。
不难看出，汉语因为使用声调，发音种类要比英语多得多。
陈林:我们的汉语声调，在声学特性上跟音乐有很多类似的地方，比如说“吗麻马骂”它是一个调的变化，就像音乐有音调的跳跃变化。但是别忘了汉语的声调同时又携带语意，它应该在左半球去处理。这样，我们的经典理论在解释汉语声调问题上就遇到了麻烦，遇到一个解释不了的问题
汉语声调携带语意，经典理论认为它应该由左脑来处理。但是，汉语声调又类似音乐，经典理论又认为它应该由右脑来处理。这是怎么回事呢？难道从西方语言基础上发展起来的经典理论遇到汉语时就失灵了吗？
被这个问题困扰着的陈林教授，走在街上也在不停地思考着。正当他百思不得其解的时候，一天，一个偶然的事情触发了他的灵感。
陈林:有一次我上班，穿越我们单位门前的斑马线的时候。我看到一个轿车从我面前驶过。这辆车看着很眼熟，很像我的一个朋友驾驶的车。当我试图想看到驾驶这辆车的驾驶员是不是我朋友时，但车一闪而过速度太快，没看清楚。
这生活中每人都可能碰到的事，别人可能也就放过去了。
陈林跟往常一样回到家里，休息一会儿，看看电视。电视中的一个镜头突然引起了他的注意。一个慢镜头，可以把车内的人看得很清楚。
陈林:我突然想到，是自己的眼睛看这个车开过去的时候，分辨太慢。电视上用的可能是一个高速摄影机拍摄的，时间分辨率很高，能够抓住时间点上发生事件的每一瞬间。
由此陈林突然想到，现在国际上报道的一些关于汉语声调的研究，大多数采用的是功能核磁共振成像或者正电子断层扫描技术手段。这两种技术手段观测的是受试者大脑某个特定区域的血流量。通过观测大脑特定区域的血流量变化，来判断是哪一个大脑区域对汉语声调比较敏感。
陈林:这个技术的优点是有很高的空间分辨率，它可以准确告诉你是大脑的哪一个区域跟外边刺激相关，被激活了。但是它的一个缺点，因为它观测血流量，所以它的时间反应速度很慢。
从声音传到耳蜗到脑干到初级听觉皮层再到明白语意需要有一个过程。但是一个声音进入耳朵到大脑做出加工这个时间是非常短暂的，几乎是在一瞬间完成的（图6）。
⑹辨别声音的意义是在瞬间完成的
核磁共振成像或正电子断层扫描技术的时间分辨率为秒到几十秒的数量级，所以用这样手段去观测，有可能将听到声音后大脑当中发生的很多事情忽略了，没有观测到。
陈林:我们的思维就回到了怎样寻找一个有很好的时间分辨率的这样一个技术手段来观测，当一个受试者在听到汉语声调的时候，大脑里确切发生了什么样的活动过程。正像我们想要很清晰观测到急驶而过的汽车里面是谁驾驶的，必须要使用一个高速摄影机一样。我们找到了这样一个高速观测大脑活动的高速摄像机，那就是用脑电。
什么是脑电呢？当我们听到一个声音的时候，我们的耳蜗将声音震动转变为电和化学的活动，这些携带听觉信息的电和化学活动通过神经元一级又一级地传递到我们大脑的高级中枢。我们的大脑也需要神经元以电的形式或者化学的形式相互通讯来加工处理这些听觉信息（图7）。
⑺声音信号转化为神经元电活动
人体是电的良导体。当有神经元电活动的时候，这些电活动通过脑组织、头颅骨传递到头皮的表面。到达头皮表面的这些电活动被记录下来就是脑电（图8）。
⑻大脑皮层接收到脑电信号
脑电很微弱，通常以“微伏”为单位来计量。打个比方，一节干电池的电压是1.5伏，而我们脑电强度只是相当于这个干电池电压的百万分之一。 虽然脑电极其微弱，但它的时间分辨率要比核磁共振成像或正电子断层扫描高出成千上万倍，是不折不扣的抓拍大脑活动的“高速摄像机”。
找到了研究的切入点，他们迅速行动了起来。找寻更多的资料。制定完备的测试计划。同时，开始征集受试者。
倪敬田（中国科学技术大学生命科学学院 听力研究实验室 博士研究生）:我们对被试人的要求是，右利手;听力正常;说流利的普通话;并且没有受过专门的音乐训练。
右利手指的是平时主要用右手做事的人。习惯用左手的人，就是我们常说的左撇子，与受过专业音乐训练的人一样，他们用脑习惯跟平常人可能会有不同。所以试验中要排除这些因素。
他们征集了22位受试者。给受试者头上戴上一个电极帽，帽子上有几十个电极，可以观测头颅各个位置的脑电活动。研究小组使用全头颅记录方式来记录受试者听汉语声调时的脑电反应（图9）。
⑼被测试者的脑电活动被测试出来
记录下的脑电数据被输入到计算机内，再结合电极在受试者头颅位置的信息，用计算机进行数据处理加工，计算出大脑里面在特定的时刻，究竟发生了什么。
受试者:我在学校论坛上看到这个消息，报名参加这个实验的。需要我做的事就是戴上电极帽之后，集中注意力去看一个无声的有字幕的动画，忽略耳机中传来的声音。我后来才知道这是一个关于汉语声调信息处理的实验，我非常好奇，为什么对于一个关于声调信息处理的实验，却要求被试者集中注意力看动画，而不是听所听到的声音。
倪敬田:我们只告诉被试者这是一项关于语言的加工处理的实验，并没有告诉被试者这是关于汉语声调的实验，之所以这样做是为了避免被试者产生思维定势，避免大脑皮层对大脑声调加工处理产生干扰，从而使得实验更具有客观性。
记录到的脑电有各种成份，有听觉受到刺激以后的脑电活动成份，也有视觉和其它感觉系统的成份，以及我们大脑进行思维活动时的脑电成份。在这个实验当中，研究小组提取出了感兴趣的，由听觉信号所诱发的脑电成份。
声音从进入耳蜗到达初级听觉中枢只需要0.2秒左右，这个时候声音信号虽然已经进入大脑，但听者还没有意识到声音的存在。是大脑的意识前阶段。
陈林:在这个时间段内，实际上对以汉语为母语的中国人来讲，右半球的确是加工和处理汉语声调的一个优势半球。
但是到了意识阶段，对听汉语声调意义的受试者来讲，他发现这个汉语声调是有意义，这个信息立刻转到左半球进行加工。
中国人听汉语声调时，在信号已经进入大脑但他还没有来得及意识到这个声音这个阶段，大脑“误将”汉语声调当作音乐，因此由右脑加工。等它传到更高一级大脑中枢的时候，也就是到了受试者意识到所听到的声音这个阶段，大脑发现原来汉语声调是有语意的，立刻就转到左脑进行加工。
陈林:接下来我们感兴趣的，是搞清楚什么因素，决定了不同的声音需要大脑在不同半球进行加工处理。比如为什么我们汉语的声调在右半球进行加工，是不是所有的声音都是这样，对于不是汉语声调的声音又是怎样的呢？
为了搞清楚这个问题，他们又设计了另外一组测试，让所有实验刺激保持一个声调，但是改变声母。
结果发现对于这样的刺激，受试者在意识前阶段大脑的左半球是优势半球。
研究小组发现在听觉加工的意识前阶段声学假说是成立的；而到了意识阶段，功能假说是成立的。他们的工作丰富和扩展了关于听觉认知加工的经典理论。
从课题的酝酿、方案设计、征集受试者、数据采集，到分析加工，经过了4年多的辛勤工作。陈林教授和他的科研小组度过了许许多多不眠之夜，终于解开了大脑感知汉语声调的秘密。
陈林:西方语言体系中建立起来的经典理论，在解释汉语如何在大脑中进行加工的时候遇到了麻烦，暴露了其不完备之处，有可能需要更新和发展。我们的研究结果丰富了现有的这方面的理论，同时研究汉语声调在大脑中如何进行加工，还有助于国际学术界从自然科学的角度来认识中国语言文化的一个独特性。
这项研究成果揭示了一个有趣的现象：中国人用汉语交流时，可能更频繁地使用右脑。因为汉语的每一个字都有一个声调，我们的大脑右半球会频繁地被这个声调激活。
既然我们的大脑右半球积极地参与汉语声调的认知加工，那么右半球受到损伤的患者说汉语或听汉语时，他的声调会不会异常呢？陈林教授和他的科研小组还在继续着他们的研究。如果这一点得到证实的话，医生在诊断汉语为母语的脑损伤患者时，就有可能会多了一项诊断指标。