浅议句法语义关系的ERP研究

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  摘要:句法和语义是句子理解加工的两个主要方面,人类大脑是否能够对句法和语义进行区分? 又是如何对两者分别进行表征和加工的? 这是目前语言认知神经科学领域研究的一个十分重要的课题。近年诸如“ERP”和“fMRI”之类神经语言学研究方法的兴起和盛行,为句子理解加工的相关研究提供了新的技术手段,也使研究者对句子理解加工的研究大大深化。本文旨在概述当前句法语义关系的ERP研究的一些成果。
  关键词:句子加工句法加工语义加工“ERP”“FMRI”
  一、引言
  心理语言学界普遍认为,句子理解主要涉及句法加工和语义加工两个方面,不少学者对此两方面的相关问题已经进行了深入的研究。之前行为研究方法虽取得许多卓越成果,但对于揭示句子加工的内部过程仍存在着一些先天的不足,因为句子加工过程几乎是在无意识的状态下瞬间完成的,而像“反应时”这类行为研究方法,从本质上来讲是对被试完成任务后的各类测试,无法获得被试的实时在线加工信息。
  而ERP反映的是与特定刺激呈现时间同步的突触后电位的总和,可从极性(P/N)、波幅、潜伏期和头皮分布等多方面进行描述。波幅反映了加工过程的难易程度;潜伏期以毫秒为单位,反映刺激出现后神经活动与加工过程的速度与时间进程;头皮分布则是脑认知活动的大脑皮层定位。ERP技术在时间上具有毫秒级的高分辨率,能够清楚地呈现句子理解的时间进程。ERP技术凭借其多维的探测能力、高时间分辨率以及空间分辨率, 已成为现代句子理解研究最重要的手段之一。
  二、四种ERP成分
  近二三十年来,研究者们通过ERP手段对句子理解认知过程的研究,发现了与句子认知加工相关的四种ERP成分,分别是与语义加工相关的N400和与句法加工相关的“ELAN”(early left anterior negativities),“LAN”(left anterior negativities)以及P600成分。
  Kutas和Hillyard(1980)首次运用句法结构正确但句末单词语义违反的句子为实验材料,发现了峰值约为400ms的N400。通常认为N400与语义加工有关,并得到后来研究的多次证实。进一步研究发现,被试对违反词的期望及违反词与其他词之间的关系会影响N400波幅的大小;另外,N400的大小还受违反词使用频率、语义抽象程度、语境等因素的影响。
  Kutas和Hillyard之后的研究者在句法违背句中发现了与句法加工相关的左前负成分“LAN”、早期左前负成分“ELAN”和“P600”等ERP成分。LAN分布比较一致,集中于左半脑前部,没有固定峰值,其潜伏期为300ms到500ms,但也有研究报告称其潜伏期始于100ms。研究发现不仅在词类违反的情况下能够发现LAN,而且在名词复数不一致、动词时态不一致(Hagoort&Brown,2000)和无意义句中(Munte等,1997)也发现过此成分。ELAN是潜伏期在100ms到300ms的ERP成分,它的出现主要与句子中的词类违反有关。在视觉和听觉呈现方式的词类违反句实验中均发现了ELAN(Friederici,1999;Hahne&Friederici,2002)。从ELAN和LAN的大脑皮层定位来看,早期句法加工的主要功能区位于左额叶和左侧前部颞叶。
  P600最先由Osterhout&Holcomb(1992)发现,是与句法加工有关、出现在目标的违反词之后500~600ms的晚期正成分,主要分布在大脑中央顶区。主谓一致违反、动词屈折变化违反、格的屈折变化违反、短语结构违反等均能发现P600。有的研究者认为ELAN和P600共同反映了句子的句法加工进程,其中ELAN反映句子结构的初步建构,P600标志着对句法结构的再加工或整合。不过,近期的研究中也有学者提出“语义P600”,认为影响语义P600效应产生的有五个主要因素:关键词和论元之间的语义关联性;语义-主题关系的潜在可修正性;生命度违例;语境和实验任务。以上ERP成分是研究句法语义加工的重要指标,是经过反复研究证明了的较为科学可信的指标。
  三、语言句法语义加工的ERP相关研究
  一直以来,语言理解的句法和语义加工机制问题也备受学者关注,有关此问题的主要理论是句法自主理论和相互作用理论。句法自主理论又称模块化理论,该理论认为在句子加工中,句子所包含的各种信息的加工由大脑的不同功能性模块完成。句法加工是一个独立的模块,只受到句法结构信息的影响,而语义信息的加工位于句法加工之后,处于第二个加工阶段,根据语义信息可对初步的句法分析结果作出评价,如果句法分析与语义分析在结果上有矛盾之处,那么,将会重新进行句法再分析(Forster,1979;Frazier&Rayner,1982)。句法自主理论认为句法加工和语义加工是相互独立的,且句法加工在语义加工之前,语义加工对句法加工并无实质性作用;与句法自主理论相对,相互作用理论则认为在句子的加工过程中,句法信息和语义信息相互影响,相互作用,词汇和语义信息可以影响句法信息的加工,同时,在一定程度上也可以限制句法的分析判断以及句法结构的构建(Bates等,1987; MacDonald等,1994)。这两种理论通过大量的实验研究(ERP、fMRI等)进行了反复论证,并不断得到修正。在此,我们主要综述语言句法语义加工的ERP相关研究。
  尽管模块论与交互论都得到了许多行为学及电生理学实验的支持,但仍有大量研究表明,句法和语义加工相互独立,且具有各自的加工模式,但同时两者也相互联系(Bornkessel&Schlesewsky,2006;Kim&Osterhout,2005;Kolk&Chwilla,2007;Kuperberg,2007;Ferreira,2003)。支持以上观点的论据主要集中在对P600成分的研究上,一般认为,P600与不规则句法直接相关,但最近也有研究发现,语义线索解释与句法线索冲突时也会引发P600(Kolk、Chwilla、Van Herten&Oor,2003;Kuperberg、Sitnikova、Caplan&Holcomb,2003)。另外,包含语义违反单词的句子会引发N400(Kutas&Hillyard,1984),而句法违反则引发的是P600(Hagoort、Brown&Groothusen,1993;Osterhout&Holcomb,1992)或者前部负波(Osterhout &Mobley,1995;Gunter、Friederici&Schriefers,2000;Coulson、King&Kutas,1998)。这些结论与区分语义和句法的心理语言学模型一致(Osterhout、Kim&Kuperberg,2011)。
  然而,与上述观点不同,近来一些对句法和语义的研究认为,一些动词论元组合语义上的违反也会引发P600而非N400(Hoeks、Stowe&Doedens,2004;Kim&Osterhout,2005;Kolk等,2003;Kuperberg等,2003;Nieuwland&Van Berkum,2005)。这似乎对传统意义上的句法P600提出了挑战:认为P600除了反映句法加工之外,也是语义加工的重要指标。
  最近一项ERP研究报道了动词-论元组合会引发中顶叶的P600效应,而这样的诱发条件并不包括简单的句法违反,这与之前关于P600的研究是不符的。Kim&Osterhout (2005)将这种P600效应的出现解释为句法线索无法提供充分的语义解释时出现的结构再加工,或者是句法线索的失败;因此,这样的句子被认为是句法形式错误的。Albert Kim&Les Sikos(2011)对上述结论进行了研究,同时也发现,在那些句法-语义矛盾的情况下变换句法线索会影响矛盾结果的产出。当句子中包含复杂形态句法“修复”的句法线索时,P600效应会得到消除,但会产生左前负波(LAN)。由此推测,LAN或许产生于句法和语义线索分析有困难的时候。
  研究表明,词语间语义关系的提取取决于嵌入在句子中词的句法结构(Jackendoff&Pinker,2005)。在理解句子的过程中,读者/听者需要将受限于不同句法层级水平的词整合成与句子表征一致的结构(Filik&Leuthold,2008;Hald、Steenbeek-Planting&Hagoort,2007;Zhang Jiang,Saalbach&Zhou,2011;Zhou等,2010;Nieuwland&Van Berkum,2006)。最新研究提出,不同句法层面的语义加工很可能取决于不同的神经-认知机制(Kemmerer,2000;Kemmerer、Tranel&Zdanczyk,2009;Zhou等,2010)。因此,研究这些机制如何相互影响,以及句子理解中,多种层级结构的语义限制条件如何影响新词进行整合加工,是很有意义的。
  然而,层级结构的语义加工如何影响局部短语中语义加工,以及后者如何影响前者?到目前为止,对此问题好像只有两项直接的研究,一项是德语研究(Zhang等,2011),另一项是汉语研究(Zhou等,2010),但关于不同句法层面语义加工的相互作用,这两项研究提出了相反的意见。尽管两项研究都表明,更高层面的语义加工失败时,某一层面的语义加工可以进行,但它们的不同在于,局部加工失败的情况下,更高层面的语义加工是否可以获得。
  Zhou(2010)运用ERP技术考察汉语句子阅读过程中不同句法层级水平语义整合加工的神经动力。在“主语名词+动词+数词+标类语素+宾语名词”结构中,“宾语名词”受低层“标类语素”选择性条件以及高层结构“动词”的限制,同时,“标类语素”也受高层结构“动词”的限制。实验控制了动词、标类语素和名词之间的语义一致性,形成五种不同类型的句子:正确句子、单一标类语素-名词失匹配句子、单一动词-名词失匹配句子、双失匹配句子(标类语素-名词和动词-名词失匹配)、三者失匹配句子(标类语素-名词、动词-名词、动词-标类语素失匹配)。与正确句子相比,所有的失匹配句子都在名词位置上引发了N400成分,而且,在双失匹配句子下的N400效应与三者失匹配句子下的效应相同,却比单一动词-名词失匹配句子下的N400效应更大。另外,单一动词-名词失匹配句子和双失匹配句子都在名词位置引发了左后正波效应和550~800毫秒之间的前负波效应,而且双失匹配句子中的效应比单一失匹配句子中的大。标类语素-名词失匹配在名词位置也引发了晚期前负波效应。虽然三者失匹配句子没有在名词位置引发显著的晚期正成分,但是在标类语素位置上导致了此成分。N400效应模型表明,不同句法等级的语义加工影响新词与前面句子语境的整合。晚期后正成分或许反映了句子理解过程中跨越等级水平的语义整合加工。
  而Jiang&Zhou(2012)却得出了新结论,他们研究句子理解过程中,嵌入到层级结构中的新词如何与之前的表征在语义上进行整合。实验中被试需要阅读具有复杂动词论元结构“主语名词+动词+数词+标类语素+宾语名词”的汉语句子,在此结构中,一方面,“主语名词”在小结构中受标类语素限制,另一方面,在高一层结构中则受“动词”约束。标类语素和名词、动词和名词以及动词和标类语素之间语义一致分别或同时造成局部失匹配(标类语素-名词失匹配)、顺序失匹配(动词-标类语素以及标类语素-名词失匹配)或者三者失匹配(动词-标类语素和标类语素-名词以及动词-标类语素失匹配)情况。宾语名词的时间相关电位表明,以上三种情况都存在波幅较强的N400以及晚期负波效应,而局部失匹配还引发了晚期正波。另外,标类语素位置上,动词-标类语素失匹配在引发类N400效应之后还引发了一个晚期正成分(P600)。N400效应表明,当没有对结构重新解读时,句法高层面的语义加工可以在低层面语义加工失败下进行;同时还表明,早期句子成分之间的语义一致可以影响层级结构中新词的整合。P600效应反映句法层面协调加工的直接触发;而晚期前负成分则表明语义重新解读加工第二阶段的开始。
  另外,Jiang&Zhou(2009)运用ERP技术考察汉语“把”字句结构,观察句子理解过程中不同句法层级结构的神经机制。实验中语句的结构助词主要是形容词性的“的”和副词性的“地”,并将它们置于低水平的层级结构(如:把—形容词性(的)—名词—动词)或高一级的结构中(如:把—名词—副词性(地)—动词)。实验表明,误用结构助词会导致低层或高层结构的违反。被试要阅读并理解所有句子,实验结束时完成一项句子认知测试。低层结构的违反会引发一个左前负波;高层结构的违反诱发右前负波(RAN)和一个出现在助动词短语开始后300~500毫秒的中顶负波(N400)。两种违反情况都没有在关键助动词短语位置引发晚期正成分。这些结论揭示了自然语言理解过程中的不同句法层级结构加工或许反映出不同的神经机制。左侧负波很可能与构建局部、低层句法结构有关系;右侧前部负波则与构建复杂的、高层句法结构有关。
  阅读过程中的形态句法一致性违反会引发双相ERP波形(LAN+P600)。影响以上两种成分波幅的认知因素以及前部负波的地形分布情况仍然是存在争议的。我们研究与词汇特征违反不同的语法性范畴的违反。这两种特征不同之处在于一致性操作中的表征等级以及与可能成分建构结构关系的角色上。由这两种一致性违反引发的ERP波形是不同的。对于两种违反来说,LAN都是腹侧分布,但性范畴违反时会出现中央延伸的现象。在音位违反的晚期时间窗口P600成分的振幅比较大。
  以上研究可分为两类,分别支持模块论和交互论,但模块论占上风。模块论可分为强势模块论和弱势模块论。强势模块论认为句法加工先于语义加工,句法加工影响语义加工,但语义加工不影响句法加工。弱势模块论认为句子认知加工前期句法加工和语义加工彼此独立,后期句法加工和语义加工相互影响。
  Ainsworth-Darnell等(1998)和Osterhout、Nicol(1999)支持强势模块论,发现句法加工成分和语义加工成分在双违背和单违背试验条件下没有明显变化,说明句法加工和语义加工不存在交互作用,而是相互独立、互不影响。Hagoort(2003)实验结果则显示双违背中语义加工成分有明显变化,句法加工成分未出现明显变化,这说明句子认知加工过程中句法加工和语义加工作用不同,句法加工影响语义加工,但不受语义加工影响。
  也有实验支持弱势模块论,如:Gunter(1997、2000);Ye(2006)发现双违背产生的效应大致等于句法违背和语义违背产生的效应之和,早期句法加工成分在双违背中没有明显变化,后期句法加工成分在双违背中变弱或消失。这说明句子认知加工早期句法加工和语义加工彼此独立、互不影响,后期句法加工和语义加工交互作用。
  Wicha(2004)、Palolahti(2005)、Yamada和Neville(2007)支持交互论,研究发现双违背与单纯违背实验条件相比,语义加工成分及句法加工成分都出现明显变化。该现象说明句法加工和语义加工相对独立,两者在早期和后期始终有交互作用。
  四、结语
  目前句法语义的相关研究很多,观点各异,这与实验范式的选择有着很大的关系,一些研究的实验材料中违背词位于句尾(如:Gunteret,1997)产生了“尾词效应”。采用违背句为刺激材料是为了探测违背词是否会影响句法加工和语义加工过程的正常进行,但当违背词处于句尾时,被试对句子的认知加工已达整合阶段,导致句尾词加工受自身特性的影响较少,更多地受到高层次认知加工的影响。句尾违背词反映了局部加工效应和整体加工效应之和,因而句尾违背词产生的ERP效应无法完全显示句法加工和语义加工交互作用的问题,即句法加工和语义加工谁影响谁的问题。但尽管如此,关于句子句法和语义的ERP研究确实取得了丰硕的成果,尤其是在探讨二者关系的研究上,无论是句法自主论还是相互作用论,都得到了实证研究的支持,研究的内容也涉及方方面面,在以后的研究中,我们要尽量避免干扰因素,更深入地研究句子的认知加工机制。
  
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