对韦尼克区和布罗卡区的经颅直流电刺激（tDCS）在语言学习与词汇习得研究中的应用

摘要

本文介绍了一种用于心理语言学和神经语言学实验的经颅直流电刺激方案，旨在以自然但完全可控的方式研究人类大脑皮层区域在词汇学习中的作用，并提供了一套全面的行为学方法用于评估实验结果。

摘要

语言是人类大脑一项极为重要但尚未被充分理解的功能。尽管关于语言理解过程中大脑激活模式的研究已十分丰富，但往往缺乏对特定脑区参与某一语言功能的因果性证据，这在很大程度上是由于语言能力具有独特的人类特异性，以及可用于无创研究人脑因果关系的神经生理学工具仍显不足。近年来，经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）在人脑研究中的应用迅速增加。tDCS是一种简便、低成本且安全的非侵入性技术，可通过改变神经元的兴奋/抑制阈值来调节被刺激脑区的状态，从而研究该脑区对特定功能的具体贡献。虽然目前tDCS的应用主要集中于运动控制领域，但其在高级认知功能（包括语言）的基础与临床研究中的应用正日益广泛。然而，其具体操作流程仍存在较大差异。本文介绍tDCS在一项心理语言学词汇学习实验中的应用，详细阐述在人脑左侧半球布罗卡区和韦尼克区等核心语言区域实施阴极与阳极刺激的技术与操作步骤，描述构建平衡的心理语言学刺激材料集、建立受控但接近自然的学习范式，以及评估学习效果和tDCS效应的一整套综合技术方法。作为tDCS应用的示例，我们展示在学习前对韦尼克区进行阴极刺激可影响词汇学习效率。这种影响不仅在学习后立即显现，更重要的是，在刺激的生理效应消退后的较长时间内仍然保持，提示tDCS可能对人脑中的语言存储与表征产生长期影响。

引言

人类语言功能的神经生物学机制至今仍知之甚少。作为我们沟通能力的基础，这一独特的人类神经认知特征在个人生活及社会经济活动中具有极为重要的作用。任何影响言语和语言功能的障碍都会给患者带来严重损害，并给社会造成高昂代价。与此同时，在临床实践中，针对言语障碍（如失语症）的治疗方法仍不理想，这在很大程度上归因于对相关神经生物学机制的理解不足。¹在研究中，神经影像学方法的近期出现与快速发展已促成多项描述脑激活模式的发现；然而，因果证据往往仍然缺乏。此外，大脑的语言区域位置对于应用主流神经刺激技术（可提供因果证据，其中最重要的是经颅磁刺激技术（TMS））而言，处于相对不利的位置。而离线TMS方案（如theta爆发刺激）由于刺激部位邻近肌肉，可能引起疼痛。 "在线" TMS 刺激方案可能引入由刺激产生的声音伪影，由于存在干扰，这种情况是不希望出现的 使用语言刺激呈现²尽管存在这些不便，经颅磁刺激（TMS）仍在语言研究中被广泛使用；而其他刺激方法，尤其是经颅直流电刺激（transcranial direct-current stimulation, tDCS），可能提供一种更受欢迎的替代方案。近年来，由于tDCS具有易获取性、操作简便、相对安全以及常产生显著效果等优点，其应用已显著增长。³尽管经颅直流电刺激（tDCS）影响神经活动的确切机制尚未完全阐明，但主流观点认为，至少在低强度水平下（通常为1-2 mA，持续15-60分钟），tDCS本身并不会直接引起神经元的兴奋或抑制，而是以梯度方式调节静息跨膜电位，使其趋向去极化或超极化，从而上下移动兴奋阈值，使神经系统对其他事件、刺激、状态或行为的调节作用变得更加敏感或不敏感。^4,5然而，迄今为止报道的大多数应用都集中在运动功能上⁶ 以及运动系统功能缺损，经颅磁刺激技术正越来越多地应用于高级认知功能及其相关障碍的研究。近年来，该技术在言语与语言领域的应用逐渐增多，主要集中在旨在促进卒中后失语症恢复的研究中^7,8,9尽管迄今为止在治疗潜力、刺激位点与半球选择以及最佳电流极性方面仍得到混杂的结果。由于该领域的研究、特别是经颅直流电刺激（tDCS）在正常语言功能认知神经生物学中的应用尚处于起步阶段，明确至少对核心语言皮层（尤其是韦尼克区和布洛卡区）进行tDCS刺激的操作流程显得尤为关键，这也是本报告的主要目标之一。

本文将探讨在词汇学习实验中对语言区应用经颅直流电刺激（tDCS）的方法。总体而言，词汇学习仅作为神经语言学实验的一个示例，若其他类型的语言实验针对相同的脑区，则其tDCS操作步骤不应有显著改变。然而，我们借此机会同时强调词汇习得实验本身的主要方法学考量，这也是本实验方案描述的第二个主要目的。支撑词汇习得的大脑机制——这一普遍存在于人类、且处于语言交流能力核心的基本能力——目前仍 largely未知¹⁰。现有文献在促进词汇习得的实验方案设计、刺激参数的控制以及用于评估学习效果的任务方面存在广泛差异，使该领域的研究更为复杂（参见，例如，Davis 等人¹¹）。下文描述的实验方案采用高度受控的刺激材料和呈现方式，同时确保新词汇在自然情境驱动下被习得。此外，我们采用一系列综合性任务，从多个层面在行为学上评估学习效果，既包括学习后的即刻测试，也包括经过一夜巩固阶段后的延迟测试。该方案结合了伪刺激和阴极tDCS对语言区的干预（我们以刺激韦尼克区为例），从而为相关神经过程与机制提供因果性证据。

方案

所有实验程序均经圣彼得堡国立大学圣彼得堡当地研究伦理委员会批准，并已获得所有参与者的知情同意。

注意：所有参与者必须签署知情同意书，并填写问卷以确认不存在经颅直流电刺激（tDCS）的任何禁忌症（参见Willamar及其同事关于4×1环形高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）技术与注意事项的研究¹²），同时收集与本研究相关的其他数据，如视力、人口统计学信息、语言经验及利手情况。关于利手评估，推荐采用Oldfield的经典研究方法¹³。

1. 受试者与实验环境

1. 在典型的语言实验中，确保所有受试者均为右利手，且无语言障碍、神经或精神疾病史。必须控制其母语及双语/多语状态。
2. 所有测量均应在隔音或至少消声的实验室内进行。声音隔离非常重要，因为任何外界声音、噪声、人类言语等均可能显著影响受试者表现，从而干扰数据（图1）。
3. 为避免不必要的受试者与实验人员接触造成干扰，仅将显示屏、耳机/扬声器以及任何输入设备（键盘、按钮盒）置于实验室内。除非必须进行面对面接触，否则所有与实验人员的交流均应通过内部对讲系统完成。
4. 根据大量预实验结果，采用以下最佳参数设置背景颜色和字体大小：灰色背景（RGB：125, 125, 125），黑色文字（RGB：0; 0; 0），Arial 字体，字号 27。
5. 为减少视觉呈现的延迟和时序抖动，应使用刷新率为 100 Hz 或更高的显卡和显示器。
6. 为测量反应时间，应使用科研级响应按钮设备，其人体工学设计更优，计时精度高于常规键盘。

2. 刺激准备

1. 选择目标语言中在时长、词汇频率和整体结构上均受控的词语（以避免表层刺激属性对高级加工产生基本影响）。此处，所有基础词语均由八个音素/字母组成，包含三个音节，结构为CVCCVCVC（其中C代表辅音，V代表元音）。
2. 要创建多个列表，需将词语划分为若干组，这些组之间在统计上不应存在差异（可通过例如 t-测试）在其词元、二元组和/或三元组上进行 音节频率。这些数据可从特定语言的心理语言学数据库中获得；本研究使用了俄罗斯国家语料库（http://www.ruscorpora.ru/en/）。此处使用了一组数据 用于生成（通过修改）正字法相似的新词和假词的一组材料，以及另一组用于生成无关联的对照假词的材料，以及一个 进一步设定用作无关对照词（图2A。这导致了 每组10个项目，共五组（总计50个刺激材料）。请根据您的具体实验需求调整这些步骤。
3. 为尽量减少表面形式对新习得语义的影响，应在被试样本中对各组进行平衡设计，使不同被试承担不同的实验角色。
4. 创建新的词形，使其符合音系学和音位组合规则，并在正字法和音系结构上类似于现有词汇。
   注意：为了确保新词汇能够与已有词汇产生竞争，当前实验程序基于Gaskell及其同事在一系列实验中所建立的方法。^11,14 并旨在保持单词的起始部分（CVCCV-）稳定，同时在不同项目中轮换其结尾部分（-CVC）。也就是说，我们保留了现有单词的前两个音节，并对结尾部分进行变化 最终音节，从而形成一个新的、此前不熟悉的词形（例如，mandarin -> mandanal*，其中最后一个CVC来自列表中的另一个词cardinal，用以构成一个新项目。
5. 重复上述步骤，以创建所需数量的新词形式。在本次演示中，我们 创建 新词形式学习列表及相似但未学习的伪词列表 （例如，普通话 -> mandanal*、mandaket*，三者在学习后可能因彼此为邻近词而产生词汇竞争），以及进一步设置的真实词和新异伪词的控制列表，这些控制列表中的词项不具有上述相似性，因此不会与主要刺激材料产生词汇竞争 （例如，圆形、muskenal*；示例均采用俄语，为便于理解，已从西里尔字母转写为拉丁字母）。

3. 语境语义学习的句子刺激材料

1. 在学习过程中为新词汇创建需关联的全新含义。这些含义可以是虚构的、已废弃的或罕见的物体或概念，且不应存在于受试者的母语或文化中。
2. 对于新语义的情境化学习，建议采用 Mestrez-Misse 及其同事¹⁵ 所使用的方法 。为每个新词创建若干个独特句子，用以描述可通过上下文理解该词含义的情境（例如："在中世纪，人们使用 mandaket 来控制昆虫"）。为每个新词设计一系列此类句子（此处，每个词共使用 5 个句子），并 从更宽泛到更具体的句子语境中逐步揭示每个新概念的含义。
3. 理想情况下，应以词典形式呈现新词（即未变形的形式，例如俄语中的单数主格或宾格），以确保其表层形式在不同句子中保持一致（表 1），除非同时需要学习词形变化规则。
4. 控制并平衡不同条件下句子的长度及单词数量。此处每个句子均由 8 个单词组成。始终将新词置于句子末尾。这种位置安排有助于累积必要的上下文信息（此外，若需在脑电图 EEG 或脑磁图 MEG 实验中实施该设计，可避免后续词语刺激对诱发脑反应的干扰）。
5. 将特定词汇的句子按词汇分组呈现在独立的子区块中，逐步揭示每个新词的含义，且不交叉或随机混合不同新词相关的句子。
6. 在被试组间随机化各子区块的呈现顺序。若采用视觉呈现方式，建议逐词呈现句子。
7. 根据具体刺激属性确定刺激间间隔，以确保刺激呈现的适宜性（图 2B）；务必在不同子区块之间设置额外间隔，并定期提供休息时间。

4. 评估新词形式和新意义习得的任务

注意：使用多个任务来评估表层词汇形式和词汇语义在不同层次上的习得与理解水平。本实验方案采用五项任务：自由回忆、线索识别、词汇判断、语义定义和语义匹配。这些任务按以下所列顺序实施，该顺序已优化，以尽量减少连续任务之间的干扰效应。

1. 在自由回忆任务中，让每位参与者通过将记住的新词形式输入预先准备好的电子表格中，尽可能多地回忆并复现所学内容。指导语如下： "请在该栏中写下您能记住的所有新单词。"
2. 在再认和词汇判断任务（分别为第二和第三项任务）中使用相同的刺激材料，并保持相同的呈现速率。
   1. 这些任务包括所有项目（新词、新词所衍生自的真实竞争词、由相同真实词衍生出的未经训练的伪词竞争词、不相关的控制伪词以及不相关的控制现有词）。
   2. 对于识别任务，请使用以下说明： "您将依次看到单词。请按键 "1" 用左手的中指按下，如果您在实验过程中遇到该单词 "2" 如果你没有用左手的食指。" 根据您的具体需求调整反应编码、手部和手指的设置。
   3. 词汇判断任务的指导语为： "您将依次看到真实单词和无意义单词。请按 "1" 用左手的中指按压，如果该词有意义，或按下 "2" 如果不行，则用左手的食指。" 根据需要进行修改。
3. 使用语义定义任务来评估新意义的习得以及意义与表层形式之间的对应关系。
   1. 向参与者提供一份已学习项目列表（即在先前学习阶段中呈现的项目），并附上上述说明： "以下是你之前学过的一组新词汇。请尝试定义每一个词，并将它们的定义输入到电子表格中。".
   2. 为评估所给定义的完整性和准确性，可邀请独立专家对回答进行评分；专家间的一致性可通过例如肯德尔和谐系数（W）进行检验。
4. 使用语义匹配任务来评估语义的习得情况，通过以简化的方式建立新学习的词形与其意义之间的明确联系。
   1. 请使用以下说明： "您将看到一个单词和三个定义。请通过按下相应的按钮，为每个单词选择一个正确的定义。"只有一个定义是正确的，另外两个则对应于其他两个新项目。除了这三个可选定义外，还包括 "无" 或/和 "不确定" 也建议选择其他选项。

5. 实验步骤

1. 确保经颅直流电刺激（tDCS）在拟调节的行为任务之前进行。
   1. 韦尼克区
      注意：根据扩展的国际10-20脑电图系统，最接近韦尼克区的刺激电极放置位置为CP5^16,17。
      1. 在没有电极帽的情况下，遵循标准的10-20系统程序来定位该位置。
      2. 使用卷尺测量从枕外隆突到鼻根的距离，并标记其中点；然后测量左侧耳前点到右侧耳前点的距离，并标记两条测量线的交点。
      3. 为确定CP5位置，从上述交点沿左半球向下测量左右耳前点间距离的30%并标记；再从此标记点向头后方测量枕外隆突至鼻根距离的10%。该点即为阳极电极的位置（图3）。
   2. 布洛卡区
      注意：根据10-20系统，最接近布洛卡区的电极位置是F5¹⁸ 。
      1. 在没有脑电帽的情况下，按照上述方法，遵循标准10-20系统程序，找到并标记枕外隆突-鼻根线与左右耳前点连线的交点。
      2. 为确定F5位置，从交点向前额方向测量枕外隆突至鼻根距离的20%；再从此新标记点沿左半球向下测量左右耳前点间距离的30%。该点即为阳极电极的F5位置（图3）。
   3. 右半球对应位置：对于韦尼克区和布洛卡区在右半球的同源区域，采用与上述相同的方法，仅将从中线起沿头皮右侧向下测量距离。电极位置分别为：右半球韦尼克同源区为CP6，布洛卡同源区为F6。
   4. 使用尺寸为5 cm × 5 cm的海绵电极，因为该尺寸在聚焦刺激（易引起更多刺激感和不适）与更大面积电极（缺乏聚焦性）之间提供了良好折中。应用前将电极在生理盐水中浸泡5分钟。
   5. 为尽量减少刺激对大脑其他区域的影响，将参考电极置于左侧（同源刺激时为右侧）颈部基部（见 图3 和 图4）。同样使用5 cm × 5 cm的海绵电极。
      注意：应特别注意防止溶液扩散超出电极应用区域边界。需格外小心保持电极周围区域干燥。
   6. 进行最佳阴极刺激时，使用1.5 mA电流持续15分钟。刺激开始时，电流在30秒内从0逐渐上升至1.5 mA；刺激结束时，电流在30秒内从1.5 mA逐渐下降至0。
   7. 阳极刺激的操作程序与阴极刺激相同，仅极性相反：阳极电极置于目标激活区域，而阴极作为参考电极置于头皮外区域。
2. 伪刺激（Sham stimulation）
   1. 伪刺激程序总体如上所述，但仅在伪刺激会话的开始和结束时短暂施加电流。具体而言，在会话的最初和最后30秒内，施加一个三角波形的电脉冲，最大强度为1.5 mA，如本实验方案所用。
3. 主要行为任务：语境语义学习
   1. 以随机顺序呈现包含新词的语境句子。每个句子以逐词呈现方式开始。
   2. 随后在屏幕上完整显示整个句子，以确保被试充分理解。要求被试在读完完整句子后，用左手食指按空格键。句子呈现持续时间为5000 ms。
      注意：各组句子之间通过显示三个十字准线（"+++"）间隔2000 ms。每次新概念呈现前，先显示一个单独的注视十字（"+"），持续500 ms，然后逐词闪现句子内容。每个词呈现500 ms，同一句子内各词之间的空白屏幕（背景色）持续300 ms。
4. 习得评估程序
   1. 为评估即时学习效果及隔夜巩固后的学习效果，将刺激材料集分为两个子集，均匀分布于各刺激条件下，并在被试组间进行平衡。在一个子集上于学习程序结束后立即进行评估任务，在另一子集上延迟24小时后进行评估。
      注意：该策略基于文献证据，强调隔夜记忆巩固对新词习得的重要性^19,20。
   2. 使用第3节中描述的所有已开发任务，按顺序评估词汇/概念习得的不同层次。选择任务顺序时应尽量减少前一任务对后续任务的迁移效应。
   3. 对于任务1和任务4，使用电子表格由被试填写（手写或使用文本/电子表格处理软件）；其余任务使用时间精度高的模拟软件呈现。
      注意：任务2和任务3中，每个刺激呈现600 ms，刺激间间隔期（1400 ms）显示注视十字（"+"）；见 图3。其他任务的反应时间无限制。

6. 数据分析

1. 使用不同的检验方法对来自连续分布的两组样本（如Wilcoxon符号秩检验或Mann-Whitney U检验）或中位数（若分布呈正态时使用双样本t-检验）进行数据分析。

结果

尽管数据是针对特定任务集进行分析的，但需要强调的是，所开发的测试集和实验范式可适用于多种心理语言学实验。结果通过准确率得分（正确回答的数量）和反应时（RT）进行分析，组间比较（阴极刺激与假刺激条件）采用非参数的Wilcoxon符号秩检验和Mann-Whitney U检验。各组内任务的显著差异见表3；下文重点阐述与刺激相关的主要结果（描述性统计信息见表2）。

在词汇判断任务中，两组（阴极刺激与假刺激条件）在第一天对竞争性伪词的准确率上表现出差异：阴极刺激后的准确率提升幅度大于假刺激后（р ≤ 0.041），提示阴极刺激后词汇竞争减弱。在识别任务中，无论是第一天（р ≤ 0.034）还是第二天（р ≤ 0.09），假刺激后的新生词识别准确率均优于阴极刺激后，提示刺激后词汇学习效率降低。两项任务中，各组间的反应时均未出现显著差异。语义任务的结果显示，仅在第二天，阴极刺激组在新生形式意义与表层...

讨论

研究结果凸显了在开展心理语言学研究，尤其是神经语言学经颅直流电刺激（tDCS）研究时，需要考虑的一些重要问题。对语言皮层（本研究以韦尼克区为例）的刺激会产生复杂的行为效应模式。与经颅磁刺激（TMS）技术不同，后者可完全中断言语加工过程（例如所谓的“言语抑制”"speech arrest"范式）²¹，而本方法可能对语言加工机制产生更为复杂、分级且细微的影响。我们发现，在不同条件、测试任务和评估时间点之间，准确率和反应时的差异表现出显著的多样性。下文将简要讨论本实验方案的技术意义。

为了区分各种效应，需要进行一系列不同的测试，以评估短期和长期记忆、词汇通达、语义加工等不同层面的认知过程。例如，此处的效应包括在不同任务中的表现差异 不同刺激类型和刺激条件下对各类刺激的回忆与再认表现存在差异，表明新词与旧词在词汇竞争效应上的不同，以及经颅直流电刺激（tDCS）在词汇和语义层面作用效果的分化。我们的结果证实，所采用的任务能够敏感地反映新词在不同层面习得效率的差异，包括再认、词义理解以及自由回忆。