科研进展

华山医院神经外科吴劲松团队合作研究揭示汉语句法和语义加工神经机制

作者:路俊锋 摄影:来源:附属华山医院发布时间:2022-05-29

语言是人类最为复杂的认知功能之一,是人类文明传承的载体。区别于其它动物有限的交流系统,人类语言具有高度灵活性,可根据句法规则将有限的符号组合产生无限的语句。半个世纪前,语言学家乔姆斯基提出普遍语法理论,认为句法是独立于语义等其他语言成分的关键部分,这一理论在西方语言研究中得到了大量验证。然而,作为世界上使用人口最多的汉语,其构造主要基于语义特征,句法独立性相对较弱。汉语在人脑中是否存在独立的句法模块来表征和处理句法信息是长期以来汉语语言学、神经科学和心理学等领域研究的一个重要问题,该问题的回答对神经外科手术中语言功能的保护也至关重要。然而,由于语言的加工过程极为精细且具有显著动态特性,给语言神经机制研究带来巨大挑战,虽然此前神经影像研究发现句法和语义都激活额下回和颞中/下回在内的额颞网络,但是否存在句法和语义加工的特异性脑区,一直都没有定论。由于受限于时间和空间分辨率,传统的脑成像和头皮脑电技术并不能在精细时空尺度上考察句法和语义加工的独立性。

为回答上述问题,近日,深圳市神经科学研究院、暨南大学粤港澳中枢神经再生研究院谭力海教授团队与复旦大学附属华山医院神经外科吴劲松/路俊锋教授团队(复旦大学神经外科研究所脑功能实验室)联合中国社会科学院语言研究所胡建华教授合作采用毫米级别的高密度皮质脑电技术(high-density ECoG),首次发现汉语句法和语义加工在左侧额下回存在显著的时间和空间分离,为理解语言句法加工的神经机制提供了新的见解。北京时间2022年5月26日晚,研究成果以《句法和语义处理在人脑额下回的不同时空表征》(Distinct spatiotemporal patterns of syntactic and semantic processing in human inferior frontal gyrus)为题,在线发表于Nature Human Behaviour

图1 研究范式以及语义与句法违背任务的不同神经响应

研究团队通过高密度皮质脑电技术(时间分辨率为毫秒级别,空间分辨率为毫米级别)记录了语言加工的关键脑区——左侧额下回的神经活动(图1c)。研究中采用句法/语义违背范式(两种句法违背SYN-P和SYN-C和一种语义违背SEM),让被试者判断视觉呈现的汉语句子是否正确(图1a)。

图2 句法和语义的空间表征

图3 句法和语义加工的时间进程

通过分析70Hz-150Hz的神经活动(high gamma波),研究团队发现左侧额下回的不同电极对句法和语义违背具有不同的神经响应(图1e)。进一步分析发现大多数响应电极选择性地对句法或语义之一做出强烈反应(图2a, b),并且这些对句法或语义特异响应的电极在空间上并非聚类在一起,而是离散地分布在额下回(图2c-f)。此外,在神经响应的时间维度上,研究团队发现局部短语结构的句法加工显著早于语义的加工(图3)。

本研究证明了人脑左额下回存在不同亚区分别负责汉语句法和语义加工,揭示了汉语句法加工在神经层面上的相对独立性,为阐明句法神经机制的语言普遍性规律提供了重要证据。

谭力海教授和吴劲松教授为论文的通讯作者,华山医院神经外科实习生、复旦大学上海医学院本科生诸言明(现哈佛大学在读博士)、深圳大学徐敏副教授、路俊锋副主任医师和胡建华教授为论文的共同第一作者。本研究感谢上海科技大学李远宁研究员、香港大学Shelley Tong教授、UCSF赵凌云博士等为本研究提出的非常有价值的意见和建议,也要感谢华山医院麻醉科唤醒麻醉团队、手术室护理团队、神经外科电生理团队的支持和配合。

过去10年间,复旦大学神经外科研究所脑功能实验室研究团队(WuLab)在周良辅院士和毛颖院长的指导下一直致力于大脑语言功能区肿瘤的语言定位、保护和语言神经机制的研究。通过建立上百例语言区脑肿瘤的纵向语言功能障碍队列,揭示大脑语言功能障碍的损伤和重塑机制(Yuan et al., 2022; Yuan et al., 2019, 2020; Zhang et al., 2021);通过“创新大脑语言区功能定位方法”(Ghinda et al., 2016; Lu et al., 2013; Lu et al., 2017; Lu et al., 2012)和“研发术中大脑语言功能定位系统”(Bu et al., 2021; Hameed et al., 2021)两项工作搭建唤醒手术的临床平台,以此建立“术中直接电刺激”和“颅内高密度皮质脑电”两项脑科学研究的独特技术;采用两项技术针对“大脑语言区的分布规律”和“大脑语言的神经编码机制”两个科学问题,分别进行了一系列研究。一方面通过临床技术和平台的创新直接造福患者(Ghinda et al., 2016; Wu et al., 2015a; Wu et al., 2015b),另一方面通过绘制语言图谱的理论研究指导临床(Lu et al., 2021; Zhao et al., 2021; Zhou et al., 2021);与此同时,借助临床优势探索人类语言的神经编码机制(Li et al., 2021; Zhu et al., 2022);实现了从“临床”到“科研”,再从“科研”到“临床”的转化。代表性成果发表于NatureCommunications、NatureHumanBehaviour、Brain、Cortex、Journal of Neurosurgery等神经科学以及神经外科权威杂志,主持国家“脑科学与类脑研究”青年科学家项目、国家科技支撑计划等国家及省部级项目十余项。

实验室网站:https://www.huashan.org.cn/wulab/

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41562-022-01334-6

制图:王木木实习编辑:责任编辑:陈琳

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