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언어: 의미 부조화의 N400

Overview

출처: 사라 I. 짐벨과 조나스 T. 카플란 연구소의 연구소 — 서던 캘리포니아 대학교

언어를 이해하는 것은 인간이 할 수있는 가장 복잡한 인지 작업 중 하나입니다. 문장에서 의미를 형성하기 위해 개별 단어를 결합 할 때 가능한 선택의 놀라운 금액을 감안할 때, 뇌는 단어가 일관된 조합을 형성 할 때와 의미를 훼손 하는 변칙 이 나타날 때 식별 할 수 있는 것이 중요 하다. 광범위한 연구에 따르면 특정 두피 기록 전기 이벤트는 이러한 종류의 기대에서 편차에 민감하다는 것을 알 수 있습니다. 중요한 것은, 위화도의 이러한 전기 적 서명은 예기치 않은 의미에 특정, 따라서 이상 현상의 다른 종류에 대한 뇌의 일반적인 반응에서 다르다.

의미 론적 위화감의 신경 생리적 상관 관계는 의미적으로 일치하고 위화감이 있는 문장으로 끝나는 패러다임의 사용을 통해 실험적으로 검토되었습니다. 원래 1980 년에 도입 된 의미 체계적 위화 작업으로 참가자에게 합리적이거나 위화되는 단어로 끝나는 일련의 문장을 제공합니다. 응답이 의미 체계적 부화심에서 나온 것이라는 것을 테스트하기 위해, 일부 문장에는 다른 크기로 제시된 단어가 포함되어 있습니다. 1 문장에 대한 분리적으로 부조화적인 종결은 이벤트 관련 잠재력(ERP)으로 알려진 두피에 기록할 수 있는 특정 전기 이벤트를 유도하는 것으로 나타났다. ERP는 특정 감각, 인지 또는 모터 이벤트에서 발생하는 측정된 뇌 반응입니다. ERP는 뇌전도 (EEG)를 사용하여 측정되며, 이는 질병 환자와 일반적으로 기능하는 환자에서 뇌 기능을 평가하는 비침습적 수단입니다. N400이라고 하는 두피 에 걸쳐 발견 되는 특정 ERP 구성 요소, 분리 부조화 이벤트에 대 한 응답에 더 큰 진폭을 보여줍니다. N400은 자극 개시 후 250~400ms 사이에서 발생하는 EEG 신호의 음수 편향이다. 일반적으로 초기 잠재력은 감각 모터 처리를 반영하는 반면 N400과 같은 나중에 잠재력은 인지 처리를 반영합니다.

이 비디오에서는 EEG를 사용하여 의미 체계적 위화 작업을 관리하는 방법을 보여 드립니다. 이 비디오는 EEG의 설정 및 관리, 의미 체계적 부조화에서 제어 및 표적 자극과 관련된 ERP 분석을 포함합니다. 이 작업에서 참가자는 EEG 전극으로 설정된 다음 뇌 활동이 제어 문장과 분리적으로 위화감을 줄 때 기록됩니다. EEG 절차는 하비비 외.,1의 절차와 유사하며 작업은 Kutas와 힐야드를 모델로 합니다. 2 ERP가 위화되고 부조리한 문장에 걸쳐 평균되는 경우 각 이벤트의 신경 상관 관계는 선택한 시간 창에서 비교할 수 있습니다.

Procedure

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1. 참가자 모집

  1. 실험을 위해 20명의 참가자를 모집합니다.
  2. 참가자가 연구 절차에 대해 완전히 통보받고 모든 적절한 동의 양식에 서명했는지 확인하십시오.

2. 데이터 수집

Figure 2
그림 1: 전극 배치. 얼굴 전극을 배치하여 EOG 아티팩트를 감지하고 마스토이드 이동(A)을 기록합니다. 눈썹 사이에 직접 측정의 다이어그램은 머리 뒤쪽의 범프 바로 아래에 있습니다. 이 측정의 10%는 중간 눈 마크 위에 측정되며, 이것은 캡의 FPZ 전극이 배치되는 곳(B)입니다.

  1. EEG 준비 (참고: 이 단계는 Synamps 2 앰프와 64 채널 빠른 캡신경증 4.3 시스템과 함께 사용하기 위한 것입니다.)
    1. EEG 연구에 참여한 참가자는 참여 하기 전에 그들의 머리에 어떤 머리 제품(예를 들어,젤, 마우스, 또는 잎-인 컨디셔너)이 없어야합니다.
    2. 전도성 전극 젤(즉,퀵 젤)으로 2-4, 10ml 주사기를 채웁니다. 기포를 방출하기 위해 그것을 사용하기 전에 젤을 저어하는 것이 좋습니다.
    3. 모발과 두피를 철저히 닦습니다(약 5분).
    4. 알코올과 면 거즈와 깨끗한 머리. 또한 전극의 배치를 위한 피부를 청소하십시오: 두 개의 마스토이드(각 귀 뒤), 왼쪽 눈 VEO(수직 전기 안구) 아래 및 위, 각 눈 HEO(수평 전기 안구)의 먼 면; 그림 1,왼쪽).
    5. 양면 접착제 디스크를 사용하여 전극을 배치합니다.
    6. 정면에서 머리를 측정 (눈썹 사이, 눈 중간 눈) 이온 (뒤쪽의 머리의 범프 아래)에. 이 거리는 캡의 크기(소형, 중간 또는 큰)를 결정합니다. 캡을 배치하려면 측정된 거리의 10%를 이마에 표시하고 중간 전두엽 전극(FPz)이 표시된 지점에 배치되는지 확인합니다.
    7. 캡의 각 코드에 얼굴 전극을 부착합니다.
    8. 무딘 바늘 끝을 사용하여 전극을 젤로 채우기 시작하여 전극 아래에 머리카락을 긁어 주므로 전극이 두피와 직접 접촉합니다. 피부를 손상시키지 않도록 주의하십시오.
      1. 전극을 조금 들어 올리면 젤을 삽입하기가 더 쉬워집니다. 대부분의 경우 전극 아래에 머리카락이 있을 것입니다. 길에서 그것을 이동하면 더 나은 임피던스가 허용됩니다.
    9. 참가자를 방음실로 데리고 캡과 개별 전극을 연결합니다.
    10. 전극 두피 연결의 임피던스를 확인하여 10 KΩ 미만으로 유지하십시오. 임피던스가 높은 경우 전극에 전도성 젤이 있고 두피와 접촉하고 있는지 확인하십시오.
      1. 임피던스는 교대 전류의 흐름을 방해하는 경향이있다. 임피던스가 높을수록 데이터 소음이 증가할 수 있으며 연구가 시작되기 전에 최소화해야 합니다.
      2. 대부분의 경우, 머리는 전극의 길에 있다. 방해에서 그것을 이동하는 것은 더 나은 임피던스를 얻을 한다.
    11. 임피던스가 모든 전극에 허용되고 EEG 추적이 노이즈가 없는 경우 데이터 수집이 시작될 수 있습니다.
  2. EEG 데이터 수집
    1. 참가자가 작업을 수행할 수 있도록 준비합니다.
      1. 참가자를 컴퓨터 화면에서 75cm 의자에 놓고, 소리와 감쇠된 방(음향 및 전기적으로 차폐됨)에 놓습니다.
      2. 참가자에게 일곱 단어문장을 읽고, 한 번에 한 단어를 스크린 앞에서 한 마디 제시할 것이라고 말하십시오. 그들은 실험의 끝에 문장의 내용에 대한 질문에 대답하기 위해 각 문장을 읽을 수 있습니다.
        1. 문장의 일곱 단어의 각각은 각 단어 사이에 1000 ms 상호 자극 간격으로, 100 ms에 대해 개별적으로 표시됩니다.
          1. 실험 중 눈의 움직임을 최소화하기 위해 화면 중앙에 한 번에 하나씩 단어가 표시됩니다.
        2. 참가자는 먼저 10 개의 연습 문장을 봅니다.
        3. 120 문장의 두 가지 프리젠 테이션에서 임의순서로 240 자극을 표시합니다. 문장의 3분의 1은 마지막 단어가 나머지 문장과 일치하는 일반 문장입니다. 문장의 3분의 1은 부조리한 문장으로, 마지막 단어는 나머지 문장과 일치한다. 문장의 3분의 1은 마지막 단어가 문장의 나머지 부분보다 더 큰 글꼴로 표시되는 일반 문장입니다.
  3. 시스템을 시작하고 기능 적 작업의 프리젠 테이션 을 통해 EEG의 연속 기록을 가지고있다.
  4. EEG는 1024의 이득과 0.01-100 Hz의 대역 패스로 증폭됩니다.
  5. 눈 깜박임및 유물 거부(시험의 약 15%)에 의해 오염된 시험은 오프라인에서 제거됩니다.

3. 데이터 분석

  1. 오프라인, 평균 마스토이드에 대한 참조 데이터.
  2. Epochs는 자극의 개시 전에 획기적인 200 ms를 사용하여 교정기준입니다.
  3. 모션 아티팩트를 수정하려면 평균 EEG 전극에서 150 μV를 초과하는 신호 변경으로 획기적인 것을 제외합니다.
  4. 데이터를 오프라인으로 디지털 필터링합니다(밴드패스 0.05-20Hz).
  5. 각 문장의 시간 과정에 대해 Pz 기록 사이트에서 표시되는 ERP 평균을사용합니다(그림 2).
    1. 정수리 N400의 피크(진폭 및 대기 시간)는 모든 전극에서 자동으로 얻어진다.

Figure 2
그림 2: 의미 체계 위화 작업의 결과. 참가자는 한 번에 한 단어의 문장으로 표시됩니다. 각 단어는 100ms에 표시하고 빈 화면1s가 나타납니다. 참가자는 부조리한 문장(빨간색), 부조리한 문장(파란색), 마지막 단어가 더 큰 크기(녹색)로 표시되는 문장을 봅니다. 부조리한 문장만 마지막 단어가 제시될 때 N400 응답을 생성합니다. 마지막 단어가 위화롭지만 크기가 크면 나중에 P560 응답이 있습니다.

  1. 통계 분석
    1. 합치성, 부화도 및 비정상적인 크기 조건에 대한 정수리 Pz 전극에서 ERP 평균을 플롯합니다.
    2. 최대 진폭과 대기 중의 경우 각 대기 시간 범위에 대한 F 테스트를 사용하여 대상과 제어 자극 사이에 차이가 있는지 여부를 결정합니다.

언어를 이해하는 것은 복잡한 인지 과정을 수반하며, 하나의 문장을 형성할 수 있는 단어 선택과 배열의 놀라운 수를 감안할 때 뇌는 일관되고 일관되지 않은 조합을 구별할 수 있어야 합니다.

어머니가 아들에게 가게에 가고 있다고 말하거나 책에 쓰여 있다고 말할 때와 같이, 어떤 문장에 대한 사람의 이해는 부분적으로 뇌가 문장의 다음 단어를 예상하는지에 달려 있습니다.

예를 들어, 누군가가 읽기 시작하면 "그것은 어둡고 폭풍우했다..." 책의 시작 부분에서, 그것은 "밤"이 다음 용어가 될 것으로 예상된다.

그러나 때때로 예기치 않은 단어가 발생합니다 - "... 그리고 미친 과학자는 그의 실험실에 색 너구리를 그렸는데..."라는 문장의 의미를 방해합니다.

이 경우 비정상적인 용어는 검은 색과 같은 예상 색상이 아닌 동물의 유형을 지칭하기 때문에 너구리입니다.

이러한 의미적 위화감, 즉 무의미한 문장은 뇌의 독특한 전기 신호를 유도합니다 - 이벤트 관련 잠재력으로 알려진 응답, 짧은 ERP - 뇌가 문장을 이해하기 위해 귀찮은 단어의 정의를 검색하거나 재처리하는 방법에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

이 비디오는 뇌전도 기법, 즉 EEG가 참가자가 예기치 않은 단어로 끝나는 문장을 표시하는 의미 체계 위화 작업 중에 ERP를 측정하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 설명합니다.

당사는 자극을 설계하고 데이터를 수집하고 분석하는 방법을 보여 주며, 특히 N400이라는 이름의 ERP의 고유한 구성 요소에 중점을 두고 그 특성을 반영합니다.

이 실험에서, EEG는 언어 처리 및 이해를 조사하기 위해, 분리 일관성과 일관성 자극을 보여 참가자에서 뇌 활동을 측정하는 데 사용됩니다.

이 자극은 세 가지 종류의 문장으로 구성됩니다: 위화감, 부조리, 크기 편차. 각각 일곱 단어로 구성되어 있지만, 그들은 마지막 용어의 본질에 차이가 있습니다.

"그녀는 귀 뒤에 개를 긁었다"와 같은 위화된 문장의 마지막 단어는 의미에 아무런 문제가 없으며, 그 앞의 글꼴 유형과 크기로 나타납니다.

중요한 것은, 이 문장은 두뇌가 일관된 단어 조합에 어떻게 반응하는지 측정하는 통제 역할을 합니다.

대조적으로, "그녀는 부츠에 그녀의 닭 손가락을 담근"과 같은 부조리 문장은 분리적으로 비정상적인 마지막 용어를 가지고 있습니다.

여기서 부츠는 나머지 단어의 의미와 충돌합니다 - 닭 손가락이 옷 기사가 아닌 겨자와 같은 조미료에 담글 것으로 예상됩니다. 따라서 이러한 자극은 얼마나 놀랍고 일관되지 않은 언어가 처리되는지 평가합니다.

문장의 최종 유형은 크기 편차라고하며 외관에서 놀라운 마지막 단어가 포함되어 있습니다.

예를 들어, "그는 그의 장갑에 손을 넣었다"라는 문장에서 장갑이라는 용어가 더 큰 글자로 쓰여진다면, 그것은 여전히 의미있는 의미가 있습니다.

이러한 자극은 문장의 마지막 단어에 대한 뇌의 반응이 일반적인 놀라움의 결과인지, 즉 일치하지 않는 텍스트 크기의 충격인지 또는 예기치 않은 의미에 특정한지 구별하기 위한 것입니다.

참가자가 EEG에 대한 준비를 마친 후 나중에 질문이 표시되기 때문에 컴퓨터 화면에 나타나는 문장을 주의 깊게 읽으라고 합니다.

실제로, 실험의 끝에 어떤 퀴즈가 주어지지 않습니다; 그러나, 이 지침은 과목이 다가오는 자극에주의를 기울일 수 있도록 합니다.

작업 중에 참가자는 한 문장을 구성하는 일곱 단어인 올바른 순서로 순차적으로 표시됩니다.

각 용어는 모니터의 중앙에 개별적으로 나타나며 데이터 수집을 방해할 수 있는 눈 의 움직임을 100ms에 줄이며 1000ms의 빈 화면이 뒤따릅니다.

EEG 정보는 120개 이상의 재판이 지속적으로 기록되며, 각 재판은 고유한 문장으로 구성됩니다. 특히 자극은 동일한 주파수(40회)로 표시되지만 임의의 순서로 표시됩니다. 그런 다음 작업이 두 번째로 반복되므로 참가자는 총 240 문장을 모두 읽어야합니다.

그 후 EEG 데이터는 각 전극에서 각 문장 유형에 대한 평균 ERP를 시각화하기 위해 처리되며 과학자들은 이러한 파형의 N400 구성 요소를 검색합니다.

이 용어의 "N"은 피크가 음수임을 나타내며 "400"은 마지막 단어 자극이 참가자에게 표시된 후 약 400ms에서 발생한다는 대기 시간을 나타냅니다.

이전 경험에 기초하여, N400의 진폭은 분리일관성 이벤트에 대한 응답으로 증가하고, 모든 두피 전극에서 기록될 것으로 예상된다.

그러나, 이 반응은 처리 및 서면 언어를 통합에 관여하는 것으로 알려져 있는 정수리 엽 위의 두피의 중간에 위치하는 Pz 전극에서 가장 두드러질 것입니다.

실험을 시작하기 전에 영어 원어민인 참가자를 모집하고 절차의 두 가지 주요 구성 요소인 전극을 착용하고 컴퓨터 화면에 문장을 표시합니다. 그런 다음 필요한 서명 된 동의 서를 모두 수집하십시오.

다음으로, 두피와 얼굴 전극으로 참가자를 옷입습니다. 이 절차에 대한 자세한 내용은 이 컬렉션의 다른 위치에 설명된 방법을 확인하십시오. 테스트 공간에 도착하면 모든 전극에서 임피던스 값을 확인합니다.

EEG 흔적이 소음이 없는지 확인하면 참가자에게 눈이 화면에서 약 75cm 떨어져 있도록 앉도록 지시합니다.

나중에 내용에 대한 질문이 표시되기 때문에 이 디스플레이에 단어별로 표시되는 문장에 주의 깊게 주의를 기울여야 한다는 점을 강조합니다.

참가자가 작업을 이해하도록 하려면 10개의 연습 문장을 표시하지만 이 기간 동안데이터를 수집하지 는 않습니다. 그 후 EEG 시스템을 시작하여 연속 레코딩을 시작합니다.

40개의 부조리, 40개의 부조리, 40개의 일탈크기 문장으로 구성된 120개의 시험을 무작위 순서로 제시하여 기능 작업을 진행합니다. 그런 다음 충분한 데이터가 수집될 수 있도록 120 자극의 추가 집합으로 이 프로세스를 반복합니다.

모든 240 자극에 대한 데이터가 기록되면 JoVE의 ERP 및 Oddball Task 비디오에 설명된 대로 처리합니다.

데이터를 분석하려면 먼저 Pz 기록 사이트에서 수집한 위화감, 부조리및 편차 크기의 자극의 타임홀에 대한 평균 파형을 플롯합니다. 이 그래프의 x축에서 ms의 시간을 나타내는 것은 문장의 각 단어가 표시되는 시기를 나타냅니다.

그 후, N400 봉우리를 찾아, 각각에 대해, 피크의 가장 낮은 점과 0 μV의 기준값 사이의 거리로 정의된 평균 진폭을 계산하며, 또한 가로 축으로 표현된다.

그런 다음 이 구성 요소의 대기 시간을 계산합니다.

이러한 진폭및 대기의 범위에 대해 F-테스트를 사용하여 대상과 제어 자극 사이에 차이가 있는지 여부를 결정합니다.

N400 응답은 참가자가 부조리한 문장의 마지막 단어를 표시 한 후에만 관찰되었다는 것을 알 수 있으며,이 전기 이벤트는 특히 정수리 엽과 관련된 신경 처리를 반영하여 일관성없는 용어로 인한 문장 처리의 중단을 식별합니다.

중요한 것은, N400은 편차 크기 자극을 사용하여 수집된 파형에서 관찰되지 않았지만, 또 다른 독특한 구성 요소인 P560은 560ms의 대기 시간을 가진 긍정적인 피크였습니다.

이것은 두뇌가 예기치 않은 시각적 자극과 분리적으로 일치하지 않는 용어에 다르게 반응한다는 것을 나타내며 N400이 언어 위화도의 독특한 전기 적 서명임을 시사합니다.

이제 의미 론적 불일치가 ERP에서 N400 구성 요소를 유도하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 알고 있으므로 연구원들이 이 독특한 전기 신호를 검토하여 언어 처리 및 이해력을 연구하는 다른 방법을 살펴보겠습니다.

일부 연구자들은 일관성없는 언어를 식별하는 능력이 언제 발생하는지, 그리고 이 기술이 나이에 따라 변하는지 여부를 결정하는 것을 목표로 합니다.

이러한 작업은 어린 아이들을 보여주는 포함 - EEG 모자가 장착 - 카메라와 같은 인식 개체의 표현.

그러나, 트릭은 아이가이 묘사를 볼 때, 그들은 뭔가 다른 것을 들었다는 것입니다 -예를 들어, 고양이. 따라서 음성 단어가 표시되는 항목의 의미와 일치하지 않으므로 의미 체계위화 작업의 수정된 버전입니다.

이러한 작업에 대한 뇌의 전기적 반응측정에 따르면 어린이들은 부조리한 항목 단어 쌍에 대한 향상된 N400-esque 반응을 나타내며, 이는 부조리 한 세트에 비해 수백 ms를 위해 지속되는 것으로 입증되었습니다.

중요한 것은, 이것은 이른 나이에조차, 인간이 의미 있는 부조화를 확인하고 가공할 수 있다는 것을 건의합니다.

그밖 연구원은 ERP가 정신 분열증과 같은 특정 성격 무질서와 관련되었던 언어 적자를 더 잘 이해하기 위하여 이용될 수 있는지 평가하고 있습니다.

역설적으로, 이전 작품은 불안이나 쾌락을 느낄 수 없는 것과 같은 발음된 정신 분열증과 같은 특성을 가진 개인이 동물과 염소와 같은 위화한 단어 쌍에 대한 높게 된 N400 반응을 보여주는 것으로 나타났습니다.

그러나, 이 참가자가 olanzapine에게 불린 항 정신병 약으로 취급될 때, 위약을 주어진 개별에 비해 이 합동 원인 N400 분대의 진폭은 감소했습니다, 때때로 그 무질서에서 관찰된 단절된 연설을 취급할 수 있던 가능한 치료를 건의합니다.

언어 처리를 조사하는 데 얼마나 부조리하고 부조리한 문장을 사용할 수 있는지에 대한 JoVE의 비디오를 방금 시청했습니다. 이 시점에서 참가자에게 자극을 제시하고 ERP 데이터를 수집하고 해석하는 방법을 알아야 합니다. 우리는 또한 지금 N400 분대가 행동 무질서에서 영향을 받을 수 있는 방법 과 같은 언어 이해의 그밖 양상을 조사하기 위하여 어떻게 이용되고 있는지 이해하기를 바랍니다.

시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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참가자들이 위화감, 부조리한 문장, 그리고 마지막 단어가 더 큰 크기로 제시된 문장을 보았던 의미 체계적 부조화 작업 중에 부조리한 문장에 대해서만 부정적인 N400 응답이있었습니다(그림 2,파란색). Semantically 부조리하지 않은 놀라운 요소 (더 큰 마지막 단어)를 가진 문장은 N400 응답을 표시하지 않았지만 P560 응답증가(그림 2, 빨간색)를 보여 주였습니다. N400 응답은 문장의 마지막 단어의 프리젠 테이션 후 약 250 ms시작하고 자극 개시 후 약 400 ms피크.

이러한 결과는 뇌의 전기 활동, 특히 정수리 엽에서 문장의 일부로 서술적으로 부조리한 단어가 제시될 때 등록된다는 것을 보여줍니다. 이 전기 이벤트는 semantically 부적절한 단어에 의해 진행중인 문장 처리의 중단을 식별하는 신경 프로세스를 반영합니다. N400은 자연어 처리 및 이해와 관련된 인지 프로세스의 타이밍, 분류 및 상호 작용에 대한 유용한 정보를 제공하는 것으로 보입니다.

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Applications and Summary

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이 연구는 ERP 접근법의 장점 중 일부, 특히 높은 시간적 해상도를 보여줍니다. 이 패러다임에서 자연스러운 판독을 시뮬레이션하기 위해 단어 자극은 매우 짧게 연속적으로 표시됩니다. EEG의 우수한 시간적 해상도 로 인해 자극에 대한 전기 적 반응을 개별적으로 분별 할 수 있습니다.

의미 제 처리의 마커로서 N400은 어린 시절부터 성인기에 이르는 언어의 발달을 이해하는 데 유용한 도구가 될 수 있습니다. 이 성분의 연구는 19 개월 된 아기에서도 그들이보고있는 사진과 일치하지 않는 단어를들을 때 의미 조화 효과가 있음을 보여줍니다. 3 이것은 단어를 적절한 맥락과 일치시키기 위한 메커니즘의 초기 존재를 보여줍니다. 그러나 젊은 청소년은 합동 언어와 부조리한 언어를 구별하는 N400을 보여주지만,이 구성 요소의 응답 프로필은 아직 성인만큼 미묘하지 않습니다. 예를 들어, 그것은 위화도의 다른 정도에 민감하지 않습니다. 4 이러한 연구는 의미 처리의 인덱스로이 ERP 구성 요소의 감도를 보여줍니다.

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References

  1. Habibi, A., Wirantana, V. & Starr, A. Cortical Activity during Perception of Musical Rhythm; Comparing Musicians and Non-musicians. Psychomusicology 24, 125-135 (2014).
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  3. Friedrich, M., & Friederici, A. D. (2004). N400-like Semantic incongruity effect in 19-month olds: Processing known words in picture contexts. Journal of Cognitive Neuroscience, 16(8), 1465-1477.
  4. Benau, E. M., Morris, J., & Couperus, J. W. (2011). Semantic processing in children and adults: Incongruity and the N400. J Psycholinguist Res, 40, 225-239.

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