心理所研究揭示額頂腦區多樣的功能連接模式支持語言理解中的預期和整合

你是否曾經注意到，當有人跟你說“今天下午我們去海灘，記得帶上你的____”時，即使對方沒有說完，你也會預測對方說 “泳衣”“防曬霜”等與海灘相關的物品。這種預測能力看似簡單，卻是大腦的一項強大功能，幫助我們在日常交流中更快速、準確地理解信息。

這種語言預測的能力是如何實現的？首先，大腦會基于已有的知識和上下文背景來預測接下來可能出現的話語內容。當聽到新的信息時，大腦可以迅速將其與已有的預測整合，從而加快對整個話語的理解。這一復雜過程依賴于廣泛分布在額葉、顳葉、頂葉以及感知腦區的層級性預期加工腦網絡(Caucheteux et al., 2023; 見圖1A)。然而，目前仍不清楚這些腦區如何動態合作以實現高效的語言預測。

為了回答上述問題，中國科學院心理研究所李曉慶研究組開展了一項磁共振成像研究。在該研究中，被試逐部分閱讀呈現的句子（句子結構為：背景部分；代詞+及物動詞；目標名詞）。例如：“小齊想在墻上釘釘子”——“他找到了”——“錘子”。這種分屏呈現的方式能有效分離背景信息加工、預測加工和整合加工。同時，該實驗操控了背景信息對目標名詞的語義約束性（高限制 vs. 低限制；見圖1）。研究采用任務態功能連接分析，聚焦于語義限制性（高 vs. 低）和加工階段（預測 vs. 整合）之間的交互作用，以揭示位于層級性預期加工腦網絡頂部的雙側顳頂聯合區（Temporoparietal junction；TPJ）和額下回（Inferior frontal gyrus；IFG）如何與其他腦區相互協作，以支持語言理解中的語義預測和整合。

圖1.（A）層級性預期加工腦網絡;（B）選擇的種子點位置;（C）任務流程和實驗材料舉例

結果發現，相比于低語義限制性條件，在高語義限制性條件下：在預期階段，右側TPJ與認知控制腦區、支持記憶表征的默認網絡腦區和視覺腦區有更強的功能連接，左側TPJ和雙側IFG與視覺腦區有更強的功能連接；而當目標名詞出現時，即整合階段，以上功能連接模式減弱（見圖2和3）。這可能是由于預測的語義信息被隨后的感知信息驗證，從而降低了對該感知信息的認知加工需求。該結果支持了預測編碼理論。相反，當無法根據背景信息預測即將出現的目標名詞時，即在低語義限制性條件下，以上功能連接模式則在整合階段更強。并且，以上效應在視覺腦區重疊，說明額頂皮層與視覺腦區的功能連接在語義預期中的重要作用。

圖2. 雙側TPJ種子點的功能連接結果。DMN=默認網絡；FPN=額頂控制網絡；LB=邊緣網絡；VAN=腹側注意網絡；DAN=背側注意網絡；SM=感覺運動網絡；VN=視覺網絡

圖3. 雙側IFG種子點的功能連接結果

以上結果表明，額頂腦區與認知控制、記憶和感覺系統的多樣腦功能連接模式支持著語言理解中的自上而下的語義預期和自下而上的語義整合。這種基于語境信息可用性的靈活腦功能連接模式可能是人類高效的語言理解能力的關鍵。

該研究獲得國家自然科學基金（32171057，32300882）和中國科學院心理研究所項目（E3CX1625CX）的支持。

文章已在線發表于Journal of Neuroscience。心理所博士研究生何雅吉為第一作者，心理所李曉慶研究員和張美超副研究員為共同通訊作者。

論文信息：

He, Y., Shao, X., Liu, C., Fan, C., Jefferies, E., Zhang, M.*, & Li, X.* (2024). Diverse frontoparietal connectivity supports semantic prediction and integration in sentence comprehension. Journal of Neuroscience. e1404242024. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1404-24.2024