语言处理中语义层次结构与语义类别之间相互作用所依赖的神经基础

《Journal of Neurolinguistics》：The neural substrates underlying the interaction between the semantic hierarchy and semantic category in language processing

　　

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  词汇语义通过层级结构和类别结构来组织。
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  语义层级与语义类别在大脑中以交互方式呈现。
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  动物类别中的具体语义表现更为强烈。
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  工具类别中的通用语义表现更为强烈。

引言

语义概念是连接语言符号系统与其在现实世界中应用的桥梁。语义概念的两个重要组织原则为层级结构和类别结构。具体而言，语义层级指的是语义概念之间的下位关系（Lamarra等人，2026年）。例如，通用语义概念（如“狗”）处于层级较高位置，因为它们可以进一步划分为更具体的语义概念（如“斗牛犬”和“贵宾犬”）。而语义类别（如“动物”或“工具”）则指具有共同含义或在语义特征上存在关联的一组语义概念（Margolles和Soto，2024年）。这两类组织原则有助于实现更高效、更准确的语义存储与检索。在本研究中，我们系统地探讨了大脑是如何表征语义层级与语义类别之间交互关系的。

需要指出的是，以往的研究通常分别探讨语义层级和语义类别的神经表征机制。关于语义层级的大脑表征研究多以语义痴呆患者为对象，这类患者通常会出现颞叶前部的进行性萎缩（Jefferies，2013年；Mummery等人，2000年）。与“鸟”或“动物”这类通用语义概念相比，这些患者在识别“鸵鸟”这类具体语义概念时面临更大困难（Hodges等人，1995年；M. A. Lambon Ralph等人，2012年）。这些研究结果共同表明，颞叶前部在语义层级中更具体语义概念的表征过程中起着重要作用。

与语义层级相比，语义类别在语义神经表征研究中所受关注度更高。在这些研究中，动物和工具是最常被用作语义类别的两种类型（A Martin，2007年）。这是因为动物和工具具有极为不同的特征：动物是能够自主移动的生物，而工具则是人造的、可操控的（无生命的）物体，其操控方式与其功能之间存在直接关联（Wen等人，2023年）。学界普遍认为，动物和工具的语义概念至少部分地在不同的神经结构中得到表征。例如，动物概念的语义处理会激活枕叶皮层等脑区（Bi等人，2016年；L. Chen等人，2017年），而工具概念的语义处理则会激活左半球皮层网络，如内侧梭状回和左侧枕颞皮层（J. Chen等人，2018年；Stevens等人，2015年；Wang、Zhuang等人，2018年）。

与以往主要聚焦于语义类别神经表征的研究一致，现有的语义表征理论也大多以语义类别为核心。例如，经典的特定类别假说认为，人类为动物和工具这类广泛范畴演化出了专门的神经子系统（Cooper等人，2024年；Mahon和Caramazza，2009年；A. Martin，2016年）。根据这一观点，神经成像中观察到的与类别相关的激活差异并非仅仅源于低级特征的不同，而是至少部分地源于语义系统本身优先考虑某些广泛类别的内在组织原则。

通过研究语义层级与语义类别之间的潜在交互表征，我们可以对特定类别假说进行验证与补充。然而，以往的研究仅分别探讨了与语义层级和语义类别表征相关的脑区，据我们所知，尚无研究考察过负责语义层级表征的脑结构与负责语义类别表征的脑结构之间的关系。因此，为了全面理解语义表征的神经机制并验证特定类别假说，还需要更多能够独立操纵语义层级和语义类别的研究。

此外，与传统单变量分析相比，作为多变量模式分析方法的表征相似性分析更适用于研究语义概念的大脑表征机制。在表征相似性分析方法中，表征差异矩阵是连接刺激内容与神经激活模式的重要桥梁。该矩阵中的非对角线数值反映了两个刺激在某一比较维度上的差异程度。因此，通过计算目标表征差异矩阵与神经表征差异矩阵之间的相关性，表征相似性分析能够系统地揭示参与精细语义概念表征的脑区（Kriegeskorte和Kievit，2013年）。

在本研究中，我们对语义层级（通用性与具体性）和语义类别（动物与工具）进行了独立操纵。健康参与者在接受功能性磁共振成像扫描的同时，需要处理相关词语的语义信息。我们采用了全脑搜索光分析和基于兴趣区的表征相似性分析两种方法，旨在探究负责语义层级、语义类别表征的脑区，以及对我们研究而言最为重要的二者之间的交互作用。如果神经活动主要取决于语义类别（动物与工具），而与层级无关，这一结果将支持特定类别假说；反之，如果观察到语义层级与语义类别之间存在显著交互作用，这一结果则将对特定类别假说提出挑战。

章节要点

参与者

我们为这项功能性磁共振成像实验招募了25名汉语母语者（15名男性，平均年龄22.4岁）。所有参与者均为右利手，视力正常或经过矫正后达到正常水平。没有参与者有神经系统疾病或阅读障碍的病史。本研究方案已获得西安外国语大学人工智能与认知神经科学语言重点实验室心理学研究伦理委员会的批准。

搜索光分析结果

图2展示了2×2方差分析中各主效应所引发的全脑搜索光分析结果。结果显示，语义层级的主效应（通用性与具体性）在双侧后部下额回和中额回引发了显著的神经激活。而语义类别的主效应（动物与工具）则在左侧额顶区和右侧顶枕区引发了显著激活。此外，语义类别的主效应还……

讨论

在本研究中，我们系统地分析了语义层级与语义类别之间交互作用所涉及的脑区。搜索光分析的结果首先表明，语义类别的差异所引发的脑区激活范围比语义层级的差异更广。更重要的是，语义层级与语义类别之间的交互作用在广泛的感官和运动脑区都引发了神经激活。最后，基于兴趣区的分析结果进一步……

资金支持

本研究得到了中国国家社会科学基金（项目编号：20BYY097）对HY的支持，以及陕西省社会科学基金（项目编号：2022K015）对WZ的支持。

作者贡献说明

张文佳：方法设计、项目管理、软件使用、结果验证、数据可视化、初稿撰写及修改。高旭：数据整理、初稿撰写及修改。董杰：概念构建、初稿撰写及修改。崔玉洁：方法设计、软件使用。张丽敏：方法设计、软件使用。颜昊：资金筹措、项目管理、资源协调、研究监督及修改。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

张文佳|高旭|董杰|崔玉洁|张丽敏|颜昊