智能科学导论(25)——语言神经模型

发布者:梁刚健发布时间:2023-04-19浏览次数:202

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原创 史忠植 智能科学intsci 


通过失语病人的研究,布洛卡( P. Broca )得出结论,产生口语的区域在左半球额叶下回。这个区域后来被称为Broca区。在19世纪70年代,韦尼克(C. Wernicke )治疗两个病人说话流利,但说出的是无意义的声音、词和句子,而且他们在理解话语时有严重困难。韦尼克检查发现颞上回后部区域发现了损伤。因为听觉加工发生在附近,即颞横回内的颞上回前部,所以韦尼克推测这个更靠后的区域参与单词的听觉记忆,也就是单词的听觉记忆区。该区域后来被称为Wernicke区。韦尼克认为,因为这个区域已经失去了与词相关的记忆,所以这个区域的损伤导致了语言理解困难,而且他指出无意义话语是病人无法监控他们自已的语词输出的结果。韦尼克的发现是通过观察脑损伤导致的语言障碍而获得的第二条重要信息。它确立了影响长达100年之久的关于脑和语言关系的主流观点左半球额叶下外侧的Broca区损伤造成口语产生困难,即表达性失语症,而左半球顶叶下外侧后部和颞叶上皮质,包括缘上回、角回、颞上回后部区域损伤阻碍语言的理解,即接收性失语症。6.9给出了人脑的语言区分布。


6.9 大脑的语言区分布


6.9给出左半球主要沟回及与语言功能相关的区域。Wernicke语言区位于颞上回后部,靠近听觉皮质。Broca语言区靠近运动皮质的面部代表区。连接Wemicke区和Broca区的通路称为弓状束。在模型B中,给出左半球的Brodmann分区。41区为初级听皮质,22区为Wernicke语言区,45区为Broca语言区, 4区为初级运动皮质。根据最初的模型,人们听到一个词,信息自耳蜗基底膜经过听神经传至内侧膝状体,继而传至初级听皮质 (Brodmann 41),然后至高级听皮质 (42),再向角回(39)传递。角回是顶--枕联合皮质的一个特定区域,被认为与传入的听觉、视觉和触觉信息的整合有关。由此,信息传至Wernicke (22),进而又经弓状束传至Broca (45)。在Broca区,语言的知觉被翻译为短语的语法结构,并储存着如何清晰地发出词的声音的记忆。然后,关于短语的声音模式的信息被传至控制发音的运动皮质面部表示区,从而使这个词能清晰地说出。


在布洛卡时代,大多数研究的重点都放在单词水平分析上,几乎没有考虑句子水平加工缺失。这种观点认为对词的记忆是关键。Broca区被认为是词的动作记忆的位置; Wemicke区是与词的感觉记忆有关的区域。这些想法导致了三个大脑中心,即产生区、理解区和概念区交互作用行使语言功能的观点。


脑语言的功能区可分为运动性语言中枢和感觉性语言中枢,运动性语言中枢在额下回的后部 (Brodmann 4445区,简写为BA4445),即Broca区。该区也称为前说话区,常常描述为额下回后1/3。用于计划和执行说话,病变损伤该区会导致运动性失语,主要表现为口语表达障碍。辅助运动区SMA也称为上语言区,位于中央前回下肢运动区前方,后界为中央前沟,内侧界为扣带沟,外侧延伸至邻近的半球凸面,其前侧与外侧无明显界线。SMA和初级运动区、运动前区扣带以及前额皮质背外侧、小脑、基底节、顶叶感觉联系区相互联系。这一复杂的解剖功能系统用于发动和控制运动功能和语言表达。进一步将SMA分为SMA前区和SMA固有区,分别参与复杂运动的准备和执行。


优势半球运动前区皮质PMC描述为初级运动皮质(Brodmann 4区)、前方额叶无颗粒皮质区(Brodmann 6区)。该区又分为两个亚区:腹侧PMC(中央前回前部Brodmann6区的腹侧部分)和被侧PMC(中央前沟前方的额上、中回后部Brodmann6区的被侧部)。研究发现腹侧PMC涉及到发音,被侧PMC涉及到命名。神经功能影像研究进一步支持优势半球PMC参与不同的语言成分,如阅读任务、复述单词及命名工具图片等。


在其下方额中回后部又有一书写中枢(BA8)。感觉性语言中枢可分为听觉性语言中枢和视觉性语言中枢,这两者之间无明确的界限,即Wernicke区。Wernicke区也称为后说话区,一般指的是优势半球颞上回后部,但也有学者认为该区包括Brodmann 4142区后方的颞上回、颞中回后部以及属于顶下小叶的缘上回和角回(BA2239)Wernicke区与躯体感觉(Brodmann57区)、听(Brodman 4142区)和视(Brodmann1819区)区皮质有着密切的联系,用于分析和识别语言的感觉刺激。该区病变产生感觉性失语,表现为患者的语声调和语调均正常,与人交谈时不能理解别人说的话,答话语无伦次或答非所问,听者难于理解。


颞叶中部和内侧部是一复杂的多功能区,具有广泛的视觉和听觉功能。电刺激研究发现,左颞叶中部和内侧部在听觉语言中起重要作用。刺激该处能引起失语性异常,该处病变可引起与语言有关的轻微障碍,包括找词困难、命名缺陷等。


     颞底语言区位于优势半球梭状回,距离颞极37cm,是一个Wernicke区之外的独立区域。其下方的白质纤维束和Wernicke区下方的白质纤维束有直接联系。在电刺激研究中发现颞叶下部皮质的语言作用,主要是感觉性和表达性语言缺失。电刺激颞底语言区后80%的患者出现命名和理解障碍。


随着研究的深入,相继发现了另外一些与语言有关的脑区。左侧颞叶下后部由于其来自大脑前和后动脉的双重供血,因此不易形成缺血损伤模型,被以往损伤灶模型研究所遗漏。后来发现这个区域与词汇的检索有关,被称为基底颞叶语言区。


基底神经节具有语言的皮质下整合中枢的作用,它不仅调节运动、协调锥体系功能,同时支持条件反射、空间扣觉及注意转换等较简单的认知和记忆功能且有证据表明,基底神经节可能参与和语言有关的启动效应、逻辑推理、语义处理、言语记忆及语法记忆等复杂的认知和记忆功能,有对语言过程进行加工、整理和协调的作用。其他研究还发现,除经典的语言功能区外,左侧顶上小叶、两侧梭状回、左侧枕下回、两侧枕中回、辅助运动区及额下回等都参与了语言的处理。

  从心理学的角度来看,语言需要的记忆方式主要有3种,即音韵、拼字和语义,即大脑中存在语言的音、形、义的加工。语言感觉传入可通过听、视和触觉(盲文),其传出途径可为发音、书写和绘图。采用不同的刺激方式可能会激活不同的功能区,如视、听和触觉功能区等;受试者的不同的反应方式又可激活一些脑区,如运动区、小脑等,这些区域的激活有时会干扰语言功能区的准确定位。目前,对语言的语义、音韵和拼字研究使得对脑的语言功能区又有了更精细的划分。

韦尼克、布洛卡和他们同时期的研究者推动了语言定位于解剖上相互连接的结构,迸而形成大脑的整个语言系统这样一种观点。有时候这被称为语言的经典定位模型或语言的连接模型。这种观点在20世纪60年代经美国神经心理学家格施温德(Geschwind N)重新发展后,在整个20世纪70年代都占有统治地位。请注意格施温德的连接模型与后来由麦克莱兰和鲁梅哈特这些研究者发展出来的,并通过计算机模拟实现的交互或称联结主义模型是不同的。在后面这类模型中,加工过程的交互特征起到了非常重要的作用,而且,与格施温德的模型不同,这类模型的功能表达被假设是分布式而非局部定位式的。为避免混淆,我们把格施温德的模型称为经典定位主义模型。

6.10给出了由格施温德于19世纪80年代首先提出的一个经典定位模型。这个模型中,针对听觉或口语语言加工的三个主要中心在6.10中被标为ABMWernicke(A)代表语音词典。这个区域记忆关于单词声音的永久信息。Broca(M)是计划和组织口语交谈的区域。概念记忆在B区。在19世纪的语言模型中,概念是广泛分布于大脑中,但相对较新的Wernicke-Lichtheim-Geschwind模型则把概念定位在更为离散的几个区域。例如,在这个模型中,缘上回和角回被认为是加工感觉输入特性(听觉、视觉、触觉)和单词特征的区域。


这个语言的经典定位模型认为语言信息定位在由白质束互相连接的各独立脑区。语言加工被认为激活了这些语言表征并且涉及语言区之间的表征传递。这个想法是很简单的。根据经典定位模型,听觉语言的信息流是这样的听觉输人在听觉系统被转换,然后信息传递到以角回为中心的顶颗枕联合皮质,再传递到Wernicke区,并在这里可以从语音信息中提取出单词表征。信息流从Wernicke区经过弓形束(白质神经束)到达Broca区,这里是语法特征记忆之所,同时短语结构可以在这里得到分配。接着单词表征激活概念中心相关的概念。这样,听觉理解就发生了。在口语产生中,除了概念区激活的概念在Wernicke区产生单词的语音表征,并被传递到Broca区来组织口语发音动作外,其他过程都是类似的。


6.10  语言加工的Geschwind模型


在图6.10中,ABM区之间的连线上有横断标记。这些连线代表了大脑中相互连接的Wernicke区、Broca区和概念中心之间的白质纤维。损毁这些纤维被认为将分离这些区域。损毁ABM中心本身将造成特异性语言障碍。因此,如果Wernicke-Lichtheim-Geschwind模型是正确的,那么我们可以从脑损伤的形式预期语言缺陷的形式,即由该模型预测语言障碍。实际上,各种各样的失语症都符合模型的预测,因此这个模型还是相当不错的。6.11是关于语言信息神经处理的一个较为理想的模型。


一些现存的证据支持Wernicke-Lichtheim-Geschwind模型的基本观点,但是认知和脑成像研究表明,该模型过于简单化。语言功能涉及多个脑区以及这些脑区之间复杂的相互联系,并非由Wernicke 区至Broca区及它们间的联系所能概括,模型仍然存在一些明显缺陷:

(1) 在计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRl)的神经成像技术出现之前,损毁的定位很粗劣而且有时还依赖很难获得的尸检信息或基于其他较好定义的并发症状。

(2) 尸检研究以及神经成像数据中,定义损伤部位的方式差异变化。

(3) 损毁本身差异也很大,例如  前脑损伤有时也会导致Wernicke失语症。

(4) 在分类时病人常常可归类不止一个诊断类别。例如,Broca失语症就有若干个成分。


6.11  语言信息神经处理模型


一些现存的证据支持Wernicke-Lichtheim-Geschwind模型的基本观点,但是认知和脑成像研究表明,该模型过于简单化。语言功能涉及多个脑区以及这些脑区之间复杂的相互联系,并非由Wernicke 区至Broca区及它们间的联系所能概括,模型仍然存在一些明显缺陷:


(1) 在计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRl)的神经成像技术出现之前,损毁的定位很粗劣而且有时还依赖很难获得的尸检信息或基于其他较好定义的并发症状。

(2) 尸检研究以及神经成像数据中,定义损伤部位的方式差异变化。

(3) 损毁本身差异也很大,例如  前脑损伤有时也会导致Wernicke失语症。

(4) 在分类时病人常常可归类不止一个诊断类别。例如,Broca失语症就有若干个成分。

新一代的神经模型不同于经典的Wernicke-Lichtheim-Geschwind模型,新模型将心理语言学的各种发现与大脑中可能的神经回路联系起来了。在这些模型中,语言的神经回路仍被认为包括由布洛卡和韦尼克确定的传统语加工区域,但这些区域不再像经典模型被认为的那样是语言特异性的,而且它们也不是只在语言加工中起作用。此外,大脑中别的一些区域也成为语言加工回路的一部分,但并不一定要特异于正常语言加工。


2005年,哈古尔特(P. Hagoort)提出了一个综合近来脑和语言研究成果的新语言神经模型。他指出了语言加工的三种功能性成分以及它们在大脑中的可能表征:

1)记忆。在心理词典或长时记忆中贮存和提取词汇信息。

2)整合。将提取的语音、语义和句法信息整合成一个整体性的输出表征。在语言理解时,对语音、语义和句法信息的加工可以是平行操作的,或者说是同时进行的;并且各种信息之间是可以有交互作用的。整合过程让Hagoort模型成为一个基于约束原则的交互模型。弗里德里希(A. Friederici)给出了一个更加模块化的语言加工神经模型实例。

3)控制。将语言和行动关联起来,如在双语转换中。