儿童话语阅读中的多维语义激活与其阅读能力相关

《Cortex》：Multidimensional Semantic Activation in Children's Discourse Reading Is Associated With Their Reading Ability

　　

摘要

大约四年级时，儿童从"学习阅读"过渡到"通过阅读学习"，然而他们在话语阅读过程中的多维语义表征与成人有何不同，又如何与阅读能力相关联，目前尚不清楚。本研究采用fMRI技术，考察了42名四至六年级儿童（平均年龄10.3岁）和44名成人（平均年龄25.1岁）在阅读故事时的多维语义激活情况。根据理解力测试的逆向效率评分，将儿童按阅读能力分层。使用六语义维度数据库对视觉、运动、社交、情绪、空间和时间六个维度的语义激活进行建模。结果显示，与成人相比，高阅读能力儿童的时间语义激活显著更强，但社交语义激活更弱；而低阅读能力儿童则表现出与成人相似的模式。脑-行为关联分析揭示，多维语义激活模式与儿童的阅读表现相关（解释了25.0%的方差），而在成人中未观察到这种关系。此外，高阅读能力儿童在认知控制网络中的激活强度相对于低阅读能力同龄人和成人都更高。这些发现表明，高阅读能力儿童可能通过认知控制战略性地调节多维语义加工，以弥补阅读经验的不足，凸显了发展性阅读过程中多维语义表征的灵活性和策略依赖性。

引言

话语阅读是自然阅读的核心。大约四年级时，儿童开始通过休闲阅读提升阅读理解能力（Torppa等，2020），标志着他们从"学习阅读"向"通过阅读学习"的过渡。作为新手读者，这一阶段的儿童在话语表征方面是否与成人存在差异？其话语表征特征与阅读能力之间有何关系？本研究通过整合行为评估与多维语义激活分析——一种新兴的自然话语阅读功能性神经影像方法——来回答这些问题。

过去数十年间，神经心理学和功能性神经影像研究表明，人脑中的语义表征是多维且分布式的，不同类型语义的神经表征之间存在相当大的解离（Fernandino等，2016；Kemmerer & Tranel，2003；Kemmerer等，2008；Mahon & Caramazza，2009；Martin等，1995；Warrington & Shallice，1984）。多种表征理论认为，这种分布模式源于语义知识扎根于多样的经验系统，包括感觉运动系统、社交系统、情绪系统和内省系统（Binder等，2016；Pexman等，2023；Vigliocco等，2014）。许多功能性神经影像研究通过比较在特定维度上语义丰富度不同的词汇来考察维度语义激活。例如，Sabsevitz等（2005）通过操纵词汇的可意象性来考察感官语义激活；Zahn等（2007）通过对比描述社交与非社交概念的词汇来考察社交语义激活。一些研究同时考察了多个语义维度的激活，以揭示维度语义表征之间的分离或重叠。例如，Lin等（2018）在语义判断任务中同时操纵社交性和可意象性，发现社交语义和感官语义具有不同但部分重叠的神经基础。类似地，Wang等（2019）证实了社交语义和情绪语义激活的解离。最近，多维语义激活分析已被扩展到自然话语加工（Huth等，2016；Lin等，2024；Thye等，2023，2024），采用主观语义评分（Lin等，2024；Thye等，2023，2024）或计算词向量（Huth等，2016）。尽管方法存在差异，这些研究得出了收敛性结论：语义信息的神经表征在视觉、运动、社交、情绪、空间和时间的维度上是可解离的（Huth等，2016；Lin等，2024）。值得注意的是，这种多维激活模式与传统实验范式的观察结果一致，支持了自然语境下语义加工的生态效度。

维度语义激活的强度随语义加工深度、任务要求和任务策略的不同而变化。加工深度会调节维度语义激活。例如，在句子和话语中呈现的高社交性词汇比在随机词表中产生的社交语义激活更强、范围更广（Mellem等，2016；Zhang等，2021，2023）。操纵任务要求也可以调节维度激活。例如，针对特定语义维度的属性判断会引发相应的维度激活（Thompson-Schill等，1999；Kellenbach等，2001）。此外，任务策略同样会影响多维语义激活，Kan等（2003）通过两个属性验证任务证明了这一点。两个任务都要求参与者判断某个属性（例如糖霜）是否属于某个概念（例如蛋糕），并且包含相同的正确试验（例如蛋糕-糖霜）。关键操纵在于错误试验：一个版本包含语义相关的干扰项（例如订书机-纸张），另一个版本包含无关干扰项（例如订书机-蔬菜）。研究者假设，尽管任务要求相同，参与者会采用不同的策略：在第一个任务中，他们需要提取视觉语义表征来进行验证；而在第二个任务中，他们可以利用联想强度来判断。正如预期那样，只有第一个任务引发了视觉语义区域的激活。

多维语义激活对加工深度、任务要求和策略的敏感性表明，这种激活不仅反映了刺激的语义内容，还反映了大脑为满足特定加工目标而对多个语义系统进行资源分配的方式。因此，多维语义激活分析作为刻画个体和群体间语义加工差异的工具展现了广阔前景。在此背景下，自然语言范式具有两个独特优势。首先，参与者只需从事自然的被动活动（例如听故事），摆脱了实验室任务中典型的人为反应要求，从而保持了广泛的适用性和高生态效度。其次，它兼容完全数据驱动的方法，特别适合于缺乏强先验假设时的探索性研究。最近有研究已将此框架应用于临床人群。在一项分析观看卡通对话时记录的脑电波信号的研究中，Deng等（2025）使用六维度语义数据库（SSDD；Wang等，2023）比较了孤独症谱系障碍（ASD）儿童与正常发展（TD）儿童的多维语义激活。研究发现，ASD儿童在自然语言理解过程中处理情绪语义内容——尤其是积极情绪内容——时表现出独特的神经激活模式。这些发现提供了初步证据，表明多维语义分析有助于刻画群体间的语义加工差异。

在本研究中，我们分析了四至六年级儿童和成人对照组在话语阅读fMRI实验中的多维语义激活。我们具体考察了儿童与成人读者之间多维语义激活的差异，以及这些神经模式与儿童阅读能力的关系。鉴于此前缺乏关于多维语义激活与阅读能力关系及其发展轨迹的研究，我们提出两个探索性假设以进行实证检验。假设1源于加工深度对维度语义激活的影响，认为较强的阅读能力能够实现更深层次的加工，进而增强多维语义激活的强度。假设2源于加工要求和策略对多维语义激活的调节作用，提出当阅读理解毫不费力时，多维语义激活反映了读者在各语义维度上的默认表征权重——可能索引了他们对不同类型语义信息的默认注意偏好（例如倾向于关注社交情绪内容和生动的感官细节）；而当理解变得困难时，高阅读能力个体可以通过语义控制系统战略性地调节这些权重，以优先处理对当前理解目标至关重要的维度。

当叙事阅读对不同年龄组产生不对称的要求时——这是发展性研究中常见的场景，成人表现出接近天花板的绩效和富余的认知容量，而儿童则表现出更多样且费力的理解——这两个假设会产生不同的预测。假设1预测，由于更深层的加工，成人和高阅读能力儿童将在所有语义维度上表现出比低阅读能力儿童更强的语义激活，导致高阅读能力儿童与成人在多维语义激活模式上的趋同。相反，假设2预测，由于更强的调节能力，高阅读能力儿童将表现出更大的偏离默认模式的程度，从而与成人模式产生分歧。高阅读能力儿童增强或抑制的具体语义维度预计取决于其阅读目标和材料特征：例如，当叙事生动详细且目标强调理解细节和情绪信息时，他们可能增强感觉运动和社交情绪的语义激活；相反，当叙事相对笼统且目标强调记住事实和理清情境间关系及整体叙事要旨时，他们可能增强时空语义激活。两个假设均基于多重表征理论（Binder等，2016；Diveica等，2024，2025；Huth等，2016；Lin等，2024；Pexman，2020；Pexman等，2023；Vigliocco等，2014），该理论认为语义激活分布在多个经验系统中。借鉴此前对自然话语加工的研究，我们预期多维语义激活将显著定位于默认模式网络（DMN）——包括顶枕沟角、内侧前额叶皮层和后扣带皮层/楔前叶——以及外侧额叶、外侧颞叶和内侧颞叶皮层（Huth等，2016；Lin等，2024；Thye等，2023，2024）。这两个假设仅在预测这些激活的强度与儿童阅读能力的关系方面存在差异。此外，假设2预测，这种策略性调节导致高阅读能力儿童在语义控制相关脑网络中的激活强于成人和低阅读能力儿童。Wang等（2024）考察了认知控制子网络的功能角色，发现控制网络B——主要锚定于外侧前额叶皮层、前下顶叶、后内侧前额叶皮层和外侧颞叶皮层（Kong等，2021）——是语义控制的主要神经基础。然而，语义控制并非仅由控制网络B单独支持，而是由控制网络B与其他认知控制子网络的协同参与所产生的。相应地，假设2提出，高阅读能力儿童在控制网络B中的激活将大于成人和低阅读能力儿童，并且在所研究的其余子网络中预期会出现平行但减弱的效应。

数据集片段

为了调查儿童阅读能力与话语阅读时多维语义激活模式之间的关系，我们共同使用了两个fMRI数据集和一个语义评分数据集：童话故事（FTS）数据集（Li等，2025）、飞蛾电台时间（MRH）数据集（Deniz等，2019）和SSDD（Wang等，2023）。SSDD包含中文和英文词汇在视觉、运动、社交性、情绪、空间、

高阅读能力儿童的多维语义激活与成人及低阅读能力儿童均有解离

全脑分析结果如图2所示。全脑分析显示成人在视觉、空间、社交和情绪维度上均有显著激活。在儿童中，激活显著出现在时间和运动维度。按阅读能力划分，高阅读能力儿童在时间语义方面表现出选择性显著激活，而低阅读能力儿童则在视觉、

讨论

本研究考察了四至六年级儿童和成人话语阅读中的多维语义激活模式，揭示了多维语义表征与儿童阅读理解表现之间的关联。我们的研究发现，高阅读能力儿童表现出独特的多维语义参与模式：与成人相比，他们在时间

科学透明度声明

数据：支持本研究的部分原始和加工数据可供公开获取，部分数据受限制：https://figshare.com/articles/dataset/Adult_and_Children_s_Discourse_Reading/34010550

代码：支持本研究的所有分析代码均公开获取：https://github.com/Cupid777/Multidimensional-Semantic-Activation-Analysis

材料：本研究未使用任何材料来生成或获取数据。

设计：本文报告了所有研究中如何

未引用参考文献：Bakun等，2022；Guérard等，2015；Jenkinson和Smith，2001；Zhang等，2023。

伦理声明

神经数据由首都师范大学心理学院和加州大学伯克利分校脑成像中心提供，已完全匿名化。语义评分数据由中国科学院自动化研究所提供。所有实验和行为程序严格遵守伦理准则，并经首都师范大学、加州大学伯克利分校和中国科学院心理研究所各自的机构伦理委员会批准。

CRediT作者贡献声明

Y.Z.和N.L.构思了研究。Y.Z.、N.L.和X.W.开发了方法。Y.Z.进行了调查和数据分析。N.L.监督了工作。Y.Z.和N.L.撰写了初稿。

所有作者均审阅并编辑了本文。

**数据可用性声明**

本研究使用了为其他独立研究最初收集的数据（Li et al., 2025; Deniz et al., 2019; Wang et al., 2023; Li et al., 2022）。相关数据可通过以下链接访问：https://gin.g-node.org/denizenslab/narratives_reading_listening_fmri/、https://openneuro.org/datasets/ds003643/versions/2.0.0，以及以下 OSF 页面：https://osf.io/n5vke/。用于运行分析的代码可在 GitHub 上获取：https://github.com/Cupid777/Multidimensional-Semantic-Activation-Analysis。

**利益冲突声明**

作者声明，不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究得到了"脑科学与类脑研究"国家重点研发计划（项目编号：2021ZD0200500）和国家自然科学基金（项目编号：32471111）资助，资助对象为 L.N.。作者感谢中国北京北京大学国家蛋白质科学中心在数据收集方面提供的帮助。

张云豪 | 周伟 | 王秀怡 | 黄林洁琼 | 王绍南 | 林楠

中国科学院自动化研究所多模态人工智能系统全国重点实验室，北京，中国