一种用于测量衰老对句子加工影响的实验范式

摘要

本文介绍了一种利用迷宫任务检测句子加工过程中与年龄相关衰退的实验方案，该任务使我们能够在阅读过程中定位受试者在句子每个词上的加工困难。

摘要

先前的研究发现，老年人在处理句法复杂的句子时比年轻人面临更大的困难。然而，这些困难具体出现的区域尚未被完全确定。本研究采用迷宫任务，探究老年人和年轻人在处理两种不同句法复杂度句子时的差异，即主语关系从句和宾语关系从句。参与者需在句子的每个片段处从两个选项中做出选择。该任务要求参与者以严格的增量方式进行语言加工。记录每个片段的阅读时间，从而量化句子阅读的难度。该任务使我们能够识别出加工困难的确切位置，进而更准确地评估与年龄相关的句子加工能力下降情况。结果表明，年龄效应主要出现在中心名词位置，而不在句子的其他区域，这一发现提示迷宫任务是识别年龄效应在句子加工中具体位置的有效方法。本文还讨论了该实验范式在研究年龄对句子加工影响方面的意义。

引言

句子加工是人类理解自然语言句子的基本过程，需要将输入的词语整合到已有的句子结构中，并在句子内词语之间建立符合语法约束的关系。由于句子加工是一个资源需求较高的过程，老年人因工作记忆随年龄增长而衰退，往往在这一过程中遇到困难。以往研究发现，老年人在理解与加工具有复杂句法结构（如关系从句）的句子时存在显著困难，例如：“那位被参议员攻击的记者承认了错误”¹。大多数先前的研究聚焦于关系从句，以探讨老龄化对句子加工的影响。与年轻成年人相比，老年人在关系从句理解方面的准确性和效率均较低。然而，尽管已有大量关于老年人加工关系从句的研究，但当老年人逐字阅读句子时，关系从句中哪些具体位置更难加工仍不明确。Zurif 等人（1995）发现，老年人在关系从句的动词位置（“攻击”）加工更为困难，因为他们难以有效地将动词的宾语（“记者”）分配为受事角色²。然而，也有研究指出，老年人在句子任何特定区域的表现并未与年轻对照组表现出差异，困难主要出现在参与者读完整个句子之后³。此外，还有若干研究发现，老年人在关系从句的主语（“参议员”）和动词（“攻击”）位置上的加工效率均低于年轻人^4,5。换句话说，老年人在句子加工中具体困难位置尚未被清晰界定。

句子加工是一个需要充足认知资源的增量过程。根据依存局部性理论（Dependency Locality Theory, DLT）^6,7，句子加工中的加工困难或加工成本取决于当前输入词与其所依附的依存词之间的距离，因此加工成本在句子的不同区域可能有所不同。当一个词与其依存词之间的距离越长时，加工成本就越高。因此，由于老年人工作记忆功能下降，他们在那些远离其依存词、认知负荷更高的词（例如宾语关系从句中的动词“attacked”）上可能比年轻人遇到更大的加工困难。尽管先前的研究支持了依存局部性理论^8,9，但该理论也受到一些研究的质疑¹⁰。精确考察老年人与年轻人在句子加工困难位置上的差异，不仅可以检验依存局部性理论的有效性，还能帮助我们理解句子加工与认知资源之间的关系，同时为老龄化如何影响在线句子加工提供更精细的图景。

以往关于老化对阅读过程中句子加工影响的研究，主要采用自定步调阅读^5,11、自定步调听觉呈现⁴和跨模态启动²等方法。作为一种在线测量手段，跨模态启动任务可用于探测句子加工过程中句法或词汇信息的激活情况。然而，该任务仅能揭示特定词或短语处的加工表现，因此无法测量参与者在句子不同片段上的加工表现，从而难以确定其加工困难主要集中于何处。事实上，迄今为止仅有一项研究使用跨模态启动任务来考察与年龄相关的句子加工能力下降问题。Zurif 等人（1995）发现，当空位与填充词之间的距离较长时，老年人在英语宾语关系从句的动词区域加工中遇到更大困难²。该研究表明，关系从句加工能力的年龄相关性下降可能是由于工作记忆资源不足所致²。然而，由于方法学上的限制，该研究未能提供有关关系从句其他区域加工困难的信息。

在研究衰老对句子加工影响的常用方法中，自定步速阅读（SPR）任务要求参与者通过按压特定按钮逐字阅读句子。参与者按一次按钮表示已读完屏幕上显示的单词，随后下一个单词将取代前一个单词出现。参与者重复此过程，直至句子中所有单词均呈现完毕，此时需回答一个与刚读过的句子含义相关的理解问题。记录阅读时间（RTs），用于衡量每个句子片段的加工难度；同时通过句子末尾问题的回答情况来评估句子理解的准确性。SPR任务与自然阅读存在显著差异，因其每次仅允许显示一个单词，且无法进行回视性眼动¹²。SPR任务的这种非自然特性具有减少参与者使用多种策略的优势，从而可最大限度地降低加工策略对其表现的干扰。因此，SPR任务有助于研究人员识别与句子中每个单词加工相关的处理困难。SPR任务的主要问题在于无法确保RTs测量的准确性，因为参与者可能延迟按键以记忆句子内容，或加快按键速度以对每个语言区域进行缓冲，以便后续构建句子结构¹²。

除了SPR任务外，眼动追踪也常被用于句子加工研究^13,14,15。在眼动追踪实验中，向参与者呈现完整的句子，并要求其自然阅读。记录眼睛注视的持续时间和位置以及回视情况。眼动追踪的优点在于它允许自然阅读，对参与者阅读句子的方式限制较少¹²。然而，眼动追踪的自然性也使得研究者难以准确评估加工成本，因为参与者可能采用多种多样的阅读策略，例如略读或逐词阅读¹²。因此，我们尚不清楚注视位置和持续时间反映的是加工难度，还是特定阅读策略的应用。

本研究采用了一种迷宫任务^16,17，该方法可解决SPR任务、眼动追踪以及跨模态启动任务中存在的这些问题。迷宫任务是一种更为现代的阅读范式，是对自定步调阅读任务的一种改进。该任务是心理语言学实验中常用的一种方法，用于记录参与者逐字阅读句子时的反应时间（RTs）。在该任务中，参与者需通过在句子每个片段的两个选项之间进行选择来完成句子阅读¹⁶。迷宫任务的操作流程如图1所示。

图 1：迷宫句中连续帧的示例显示。 该图显示每个帧中有两个可选词，其中仅有一个词能够延续句子。 请点击此处查看此图的放大版本。

如果句子的第一个词是 的，随后是配对 猫 以及 在，参与者应选择 猫 通过按下按钮表示左侧的单词是句子的语法延续。当下一对单词（至 和 吃）已呈现，参与者需进行选择 过量摄入 因为它可以作为句子的谓语。此过程重复进行，直到参与者到达句子的末尾。如果出现错误，当前试验将终止，并开始下一次试验。Kenneth Forster 提供的迷宫任务在线演示可在 http://www.u.arizona.edu/~kforster/MAZE 找到。

迷宫任务是一种高度受限的实验范式，参与者在阅读过程中既不能前瞻也不能回视句子的先前部分^18,19。每个词都必须在参与者进入下一个词之前与当前句子结构进行整合。该方法要求参与者非常仔细且准确地处理句子，同时限制了其可采用的加工策略，从而实现对句子实时理解过程中反应时（RTs）的客观测量。此外，迷宫任务对词语融入句子过程中所产生的加工负荷更为敏感^12,16，因为它对参与者可用的加工策略施加了特殊的限制。从这一意义上讲，迷宫任务特别适用于老年人句子加工的研究。由于语言经验更为丰富，老年人往往采用多种补偿策略（如预测）以使其表现与年轻人相当⁴，这些策略使得句子加工中的年龄差异变得不明显。而在迷宫任务中，如果参与者过早做出反应，他们将在下一画面被迫随机作答，因而极有可能出错。因此，该任务不允许参与者进行预测，所测得的效应本质上是不可预期的。通过减少老年人在句子阅读过程中可使用的加工策略数量^12,16，迷宫任务能够更客观地评估老年人在句子理解过程中所面临的加工困难。

本研究采用迷宫任务来确定老年人在句子理解过程中的加工困难，并定位老化效应。由于老年人通常比年轻人的加工速度更慢、阅读时间更长，大多数先前的研究通过测量句法复杂性或加工负荷受年龄调节的程度来评估老化效应，这是研究老化对句子加工影响的常见做法。多数研究选择使用宾语关系从句（ORCs）和主语关系从句（SRCs）作为实验刺激材料，因为它们分别代表句法上更复杂的结构和较简单的结构，如下例所示。因此，在本研究中，我们通过评估年龄对SRCs与ORCs之间加工差异的影响，来考察老化效应。

a. 主语关系从句（SRC）：正在追男孩的女孩戴着一顶帽子。
b. 宾语关系从句（ORC）：被男孩追的女孩戴着一顶帽子。

根据吉布森的依存局部性理论^6,7，句子（b）比句子（a）更难处理，因为在（b）中将受事角色赋予中心名词girl时涉及更高的存储成本和整合成本。通过比较参与者在处理主语关系从句（SRCs）和宾语关系从句（ORCs）时的表现，我们可以了解他们如何处理具有不同认知负荷的句子。然而，以往研究在句法复杂性效应的解释上存在分歧。一些研究认为，如果句法复杂性效应在老年人中加剧，则表明老年人对加工成本比年轻人更敏感^3,20，因此，句法复杂性效应的放大被视为句子加工能力随年龄衰退的证据。然而，另一些研究则提出，句法复杂性效应表明老年人能够将认知资源分配到句子加工过程中，因而应将其视为老年人句子加工能力得以保留的标志²¹。这两类研究在句法复杂性效应的解释上存在分歧，主要原因在于这些研究所采用的实验方法（如自定步速阅读或跨通道启动）无法判断老年人究竟是动用了工作记忆资源将词语整合到句子前文结构中，还是由于缺乏工作记忆资源而无法完成整合。迷宫任务可以为这一问题提供理想的解决方案，因为在此任务中，参与者必须将词语整合到先前的句子结构中。因此，可以合理认为，迷宫任务所获得的反应时（RTs）真实反映了句子加工过程中的实际加工成本或加工难度。迷宫任务为探究老年人的句子加工提供了有效手段。Qiao、Shen 和 Forster（2002）曾使用迷宫任务考察普通话关系从句的加工，发现该技术对普通话主语提取和宾语提取关系从句加工中的句法复杂性效应高度敏感¹⁹。该研究表明，迷宫任务适用于旨在定位普通话句子加工或词汇加工中实验效应的研究。

方案

本实验经北京外国语大学伦理委员会批准，并符合涉及人类受试者的实验指南。所有实验参与者均签署了书面知情同意书。

1. 刺激材料构建

1. 根据具体的实验问题构建实验刺激材料。本方案旨在探究老化对阅读过程中在线句子加工的影响，因此实验中使用的视觉刺激为两种关系从句（RCs），即主语关系从句（SRCs）和宾语关系从句（ORCs），这是老年群体句子加工研究中最常采用的结构。
2. 准备至少24个实验句子，每种条件各12句，并准备至少24个填充句，填充句应具有不同的长度和结构。填充句的数量可增加至实验句子数量的三倍。实验句子应在两种条件之间进行平衡。
   注意：由于本研究聚焦于汉语普通话句子的加工，实验中使用的所有句子均为汉语普通话。然而，此处报告的方案也可适用于其他语言。
3. 语义合理性评分：邀请至少30名被试使用五点李克特量表（1表示最不合理，5表示最合理）对实验句子的语义合理性进行评分。确保该组被试在年龄、性别比例和教育水平方面与正式实验的被试相似，并确保他们不参与后续的正式实验。确保研究中使用的句子均具有较高的语义合理性（评分 >3），且不同实验条件之间的语义合理性无显著差异。
   注意：在本研究中，共邀请15名老年人和15名年轻人参与语义合理性评分（M_age = 43.6，SD = 24.1；女性16人，男性14人）。
4. 为实验句子中的每个词提供一个不符合语法的替代词。通过这种方式，为句子的每个片段准备一对词语，其中一个为符合语法的延续词，另一个则不符合语法。两个替代词应在词汇频率上相匹配。要求被试在语法正确与语法错误的词语之间进行选择（参见图1中的英文示例句子）。本研究中使用的一个实验句子见图2。
5. 随机化与实验设计：在向被试呈现句子之前，对句子以及句子中两个替代词的位置进行随机化处理。在刺激呈现软件的属性页面中找到“选择”选项卡（见材料表），并将选择方式设置为“随机”。
   1. 将实验分为若干区块，每个区块持续时间不超过10分钟。
      注意：在本研究中，实验共分为两个区块，每个区块包含24个句子，每个区块持续约5分钟。
   2. 允许被试在两个区块之间休息。对于年轻被试，约5分钟的休息时间即可；对于老年被试，应给予更长的休息时间，以确保其能够从疲劳中恢复。

图 2：两个实验句子的示例。 该图显示，参与者在每个画面中会看到两个中文词语，并需选择其中能够语法上延续句子的那个词。画面中的词语为汉字，括号内提供了对应的英文翻译。请点击此处查看该图的放大版本。

2. 实验参与者的筛选与准备工作

1. 招募以所测试语言为母语的受试者。确保受试者具有正常或矫正后正常的视力。邀请至少30名年轻成年人和30名老年人。在教育年限和性别比例方面对两个年龄组进行匹配。
2. 询问受试者此前是否患有神经系统、精神类或交流障碍疾病。排除报告有上述任何疾病史的受试者。
3. 为确保所招募的老年受试者认知功能健康，需在实验前让其完成全局退化量表²²作为筛选手段。排除评分高于二级的受试者。
4. 告知受试者在实验当天应避免疲劳、饥饿、疾病或其他可能导致不适的状态。
5. 单独或分组邀请受试者进入实验室房间。

3. 实验步骤

1. 将被试带入实验室，并指导他们坐在计算机工作台前。
2. 要求被试阅读并签署书面知情同意书。若因任何原因无法提供知情同意的被试，应予以排除。
3. 向被试提供口头指导，确保他们清楚任务要求。要求被试在计算机屏幕上出现的两个词或短语之间进行选择，以形成句子的语法延续。告知他们其反应将被计时，因此需尽可能快速且准确地作出反应。
4. 向被试提供书面指导语，并要求他们仔细阅读。解答被试可能提出的任何问题。以被试的母语在纸张或计算机屏幕上呈现以下信息：
   “在此实验中，您将阅读若干个中文句子。但这些句子将逐词呈现。在每个屏幕上，会同时出现两个词，您需要尽快选择能够语法上延续句子的那个词。如果您选择左侧的词，请按键盘上的 F 键；如果选择右侧的词，请按 J 键。请尽可能快速地作出反应。若您在十秒内未作反应，下一试次将自动开始。若无其他疑问，请按任意键开始练习。”
5. 要求被试完成少量练习题，以确保他们理解任务的操作方式。在被试选择两个短语中哪一个能语法延续句子后，给予反馈。为尽量减少对自然阅读过程的干扰，仅在检测到错误反应时提供反馈。反馈内容为简短语句（如“错误”），以被试的母语在计算机屏幕上直观呈现。
6. 当被试完成练习题后，询问他们是否希望重新进行练习。若他们按下键盘上的 p 键，则练习环节重新开始；若按下空格键，则练习结束，正式实验环节开始。允许被试重复练习任意次数，直至他们熟悉任务流程。在练习过程中，若被试遇到任何困难，应随时提供协助。
7. 当被试清楚实验流程后，允许其开始执行正式的实验任务。
8. 在计算机屏幕上以白底黑字的形式呈现实验材料。
9. 要求被试阅读屏幕上逐段呈现的材料，并对每一段内容，通过按键盘上的按钮在屏幕并列显示的两个词之间进行选择（按 F 键选择左侧词，按 J 键选择右侧词）。
10. 若被试选择正确，则呈现下一组词对；若选择错误，则当前句子终止，并立即呈现下一个句子。
11. 施测韦氏记忆量表中的数字广度任务²³，以评估被试的工作记忆广度。对被试进行单独测试。
12. 要求被试听一系列以每秒一个数字的速度口头呈现的数字（1-9）。
13. 要求被试按相同顺序复述所听到的数字序列。
14. 从较短的数字串开始，每次增加一位数字，逐步增加长度。当被试在某一长度下连续两次出错时，停止测试。
15. 在记录表上记录被试的反应。使用数字录音设备记录被试的口头回答。
16. 要求被试填写有关其背景信息的问卷，例如年龄、性别和受教育年限。在填写问卷期间准备被试的报酬。
17. 向被试提供金钱补偿。
    注意： 在本实验中，每位被试获得 20 元人民币（约 3 美元）的报酬。不同实验中的报酬金额可能有所不同。也可采用其他方式激励被试，例如奖励物品。

4. 数据分析

1. 从呈现软件的输出文件中获取句子中每个词的反应时（毫秒）。
2. 在数据分析中排除被错误响应的试验的反应时。为了减少离群值对结果的影响，排除每个参与者在每种条件下反应时超过平均值三个标准差的数据。
3. 对句子中感兴趣区域的反应时进行分析，采用重复测量方差分析，以反应时为因变量，年龄组（老年、青年）、句子类型（主语关系从句、宾语关系从句）和区域（1-6）为自变量。

结果

本研究旨在通过迷宫任务考察老化对在线句子加工的影响。句子各片段的反应时（RT）用于指示加工难度。本研究探讨了一组老年人（M_age = 65.2，SD = 3.04，范围 = 59–74）与年轻人（M_age = 19.1，SD = 1.04，范围 = 18–23）在加工汉语主语关系从句（SRCs）和宾语关系从句（ORCs）时的差异。两个年龄组在教育水平（M_old = 12.8，SD = 3.21；M_young = 13.2，SD = 0.75；p = .620）和性别比例（老年组：14名女性；青年组：15名女性；χ² = .067，p = .796）上均相匹配。具体而言，本研究旨在探究年轻人与老年人在加工汉语主语关系从句和宾语关系从句时的整体差异以及这些差异的确切位置。研究假设认为，由于工作记忆能力下降，老年人相较于年轻人对句法复杂性实验操纵以及将词语整合到先前句子片段所需的加工成本更为敏感。因此，在需要更多加工资源的区域（如关系...

讨论

本研究采用迷宫任务来确定老化对句子加工影响的确切位置。研究考察了老年人和年轻人在加工中文主语关系从句（SRCs）和宾语关系从句（ORCs）时的差异。在该任务中，参与者需通过在两个选项之间进行选择来阅读句子，其中仅有一个选项是句子的语法延续。他们被要求尽可能快速且准确地做出选择。如果参与者按顺序选择了正确的选项，则所选词语构成一个合乎语法的句子；如果选择了错误选项，则当前试验立即终止，随即开始下一次试验。结果表明，年龄相关差异仅出现在句子的中心名词（yanyuan，"演员"）处。老年人在加工这些中心名词时比年轻人遇到更大的困难。这可能是因为中心名词是句法解析器开始建立“空位”与“填充成分”之间联系并将其整合以完成语义角色指派的关键位置。根据依赖局部性理论（DLT），关系从句的加工成本取决于填充成分与其所连接的空位之间的距离。在中文主语关系从句中，中心名词与空位之间的距离比宾语关系从句更长，因此需要更多的加工资源来将中心名词与空位关联起来。由于老年人的工作记忆能力下降，在主语关系从句的中心名词处增加的加工成本使其难以高效完成句子加工。相比之下，年轻人拥有足够的工作记忆资源，即使在中心名词处加工成本增加，仍能顺利处理句子。因...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
计算机	N/A	N/A	用于呈现刺激材料并记录受试者的反应。
E-prime	PST	2.0.8.22	刺激呈现软件
数字工作记忆广度测试	N/A	N/A	用于评估受试者的工作记忆广度。引自 Wechsler (1987)。
整体衰退量表（GDS）	N/A	N/A	用于评估受试者的一般认知状态。引自 Reisberg, Ferris, de Leon 和 Crook (1988)。