【论文故事】“大脑字典”是怎么加词条的？

nantong111

当你在埋头怒啃单词书时，有没有想过这样一个问题：在一个新词从陌生到熟悉的过程中，我们的大脑又在上演怎样的大戏？最近，来自乔治城大学（Georgetown University）的研究人员利用功能性核磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，简称fMRI）的方法，展现了“大脑字典”增添词条的神经机制。论文发表在3月25日的《神经科学杂志（the Journal of Neuroscience）》[1]。果壳网科学人对文章的通讯作者麦斯米兰·莱森休伯（Maximilian Riesenhuber）教授进行了采访。
VWFA：大脑的视觉字典说起大脑字典，就必须提到一个名为“视觉词形加工区（visual word form area，VWFA）”的特殊脑区。莱森休伯教授告诉果壳网，VWFA大致位于人的左耳下方，大小相当于一颗蓝莓，是视觉皮层的组成部分。过去通常认为，VWFA与我们人类的阅读能力密切相关。
尽管关于VWFA具有高级语言加工能力的假设由来已久，但研究者一直苦于无法找到直接的证据，而导致这一现状的原因之一就是fMRI方法本身的缺陷。fMRI收集的信号被人称作血氧水平依赖（blood oxygen-level dependent，BOLD）信号，即通过测定血液中氧气的含量来寻找神经活动活跃的区域。fMRI能帮助研究者锁定特定加工过程对应的脑区位置，但它的分辨率并不理想。尤其是在面对词汇一类复杂的视觉刺激时，fMRI难免有些捉襟见肘。为了解决这一问题，研究者巧妙地利用了神经元的一个性质：快速适应（rapid adaption）。由于存在这一性质，连续重复出现的刺激会抑制神经元活动，引起BOLD信号的减弱。因此，若想确定两个不同的刺激是否会激活一群神经元，便可以将它们连续呈现，如果BOLD信号减弱程度较大，就说明加工两个刺激的神经元群体存在重叠；反之，就说明两个刺激可能由不同的神经元群体进行加工。
利用这种方法，在2009年的一项研究中[2]，莱森休伯教授等人发现，VWFA中部分神经元会选择性地对我们已知的词汇产生反应，而不同的词汇能够激活不同的神经元。由此看来，VWFA就像是脑中的一部“字典”，每一个词语都对应着特定神经元形成的“词条”。而且，如果呈现的是真实存在的词汇（real words, RWs），由于被试对这些词汇非常熟悉，哪怕连续呈现的两个单词只存在一个字母的差别，都会被VWFA“一眼”识别——他们会分别引起不同神经元群体的反应；而相比之下，大脑对实际不存在的“假词”（pseudowords, PWs）的反应则要“迟钝”很多——则两个拼法相近的“假词”激活的神经元群体也很相似。简而言之，VWFA的神经元对已知词汇的加工更为精确和敏感。
( c3 {/ e" o/ r% w- s2 V有趣的是，由于是视觉加工系统的一部分，VWFA神经元在识别词汇时，并不会经历逐个字母进行拼读的过程，而是会将单词当做一个完整的图形来进行处理，也正因为这个原因，VWFA能够高效快速地以词为单位实现语言加工，为我们的“速读”能力奠定了基础。
2 ^9 h8 i$ Y; H  ~* ~+ ~向大脑字典添加词条当然，没有人的大脑在一生下来就预装了《辞海》，我们必须通过学习来实现词汇的积累。因此，如果要进一步证明VWFA中的确存在“大脑字典”，研究者们还需要拿出VWFA与新词学习过程有关的证据。
为此，莱森休伯教授等人以2009年的实验为基础进行了新的研究。这一次，他们在实验中增添了一个“学习阶段”。测试过程中，被试需要在只有一个字母差异的两个单词中找出他/她学习过的那一个。不过，被试学习的并不是真实的词汇，而是编造出来的“假词”（比如“soat”和“poat”）。经过反复训练之后，最终参与后续实验的被试均在假词识别测试中拿到了正确率不低于80%的好成绩。
1 P( y: ?* z% H; K9 ^- J1 [1 t学习完成后，研究者再次对被试进行fMRI扫描。他们发现，经过学习的假词所引起VWFA的反应模式与真词类似，也就是说，在这些被试“学会”的假词中，即使只改变一个字母也会使神经元的反应模式变得相当不同。而与之相反，另外一组未经学习的假词依旧维持了之前精确性较低的加工状态。由此可见，通过学习之后，之前不熟悉的假词也被编入了VWFA的“脑内字典”中，它们就像真词一样，拥有了属于自己的神经元“词条”。
% C6 l$ j4 o; \2 n背单词？坚持才是胜利莱森休伯教授告诉果壳网，人们在学习语言时的一个常见体验或许就与VWFA词条增加过程有关。以英语学习为例，在刚开始学习阅读文章时，我们经常需要一个字母一个字母地将单词拼读出来才能顺利理解其中含义；一旦熟练后，因为VWFA中已经建立了相应的词条，我们就能单词当做一个整体、以词为单位进行快速阅读。
那么，对于我们非英语母语的学习者来说，学习新词是否有捷径可循呢？莱森休伯教授表示，勤能补拙才是不二法门。在整个与阅读有关的神经加工链上，VWFA是最后一环，因此，要想让VWFA学会表征完整单词可谓征途漫漫。例如，其中一个脑区负责加工常见的字母组合，再将这些现成的字母组合交至VWFA进行下一步处理（如“Chi”和“na”最终组成“China”）。在初学阶段，非英语母语学习者的大脑暂时还没有学会相关字母组合的表征，于是向VWFA字典增加词条也就变得更加困难。不过，随着学习经验的积累，大脑对字母组合的表征能力增强，使得VWFA能更高效地进行词汇整合，等到这时，一切都会变得简单起来。
当问及下一步研究计划时，莱森休伯教授告诉果壳网，目前的实验中被试学习的是假词，因此排除了词汇意义对VWFA反应产生的影响。但在真实的学习场景下，我们往往需要将一个新词与某个你已经熟悉的概念建立联系，因此，他们将在今后的研究中着重考察大脑如何构建语义加工网络。与此同时，在临床应用方面，研究阅读障碍症（dyslexia）患者的VWFA异常及相关治疗手段也将是一个有价值的课题。
参考资料：

Glezer L S, Kim J, Rule J, et al. Adding Words to the Brain's Visual Dictionary: Novel Word Learning Selectively Sharpens Orthographic Representations in the VWFA[J]. The Journal of Neuroscience, 2015, 35(12): 4965-4972.        Glezer L S, Jiang X, Riesenhuber M. Evidence for highly selective neuronal tuning to whole words in the “visual word form area”[J]. Neuron, 2009, 62(2): 199-204.
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well302

所以到最后就是单词一看就懂但是却发现不会拼……

a83575366

我妈就处理不了大写字母……

OK_96990

我觉得应该是类似于模拟匹配NFA的东西吧。。。概率NFA？