概念與語言認知實驗室

研究方向

　　人類表徵和處理抽象符號訊息(symbolic representations)的能力，遠較其他物種更為複雜、先進，此一特徵也是區分人類文明和生物本能的關鍵特徵之一，其重要性不言而喻。本實驗室持續專注的研究方向，在於探討人類處理不同認知範疇中抽象符號表徵的認知功能和相應而生的神經訊號，過去四年來的研究重點，則聚焦於以下三個主題的功能性表徵與神經解剖層次的生理機制：1)數字(numbers)和數量(magnitude)概念，2)長期語言概念(long-term linguistic representations)，3)語言短期記憶(verbal short-term memory)。在以下的研究介紹之中，本實驗室將簡要地說明這些主要研究方向的重要議題、所採用的實驗派典和研究工具、以及重要研究成果(過去四年中的成果將以加粗字體顯示)。

 數字(numbers)和數量(magnitude)概念的功能性表徵與神經解剖層次的生理機制

　　本實驗室所進行的研究主軸之一，乃利用一系列的行為和腦造影實驗，有系統的探討處理數字(quantity)、空間(space)和時間(time)這三種表面上互相獨立的認知歷程，其背後是否具有共同的”數量(magnitude)”表徵，更進一步探討這些認知能力是否與數學表現之間有直接關係。
　　數字雖然是一抽象的符號系統，表面上似乎與空間和時間概念無關，然而實驗證據顯示：這些不同的表徵其實存在著系統性的關聯。舉例來說，透過行為實驗、神經生理學、神經影像學所獲得的資料都顯示：數字處理會引發空間概念的介入，證據來自空間性的數字反應連結效應(numerical association response code effect，the SNARC effect)此一強烈且穩定的行為現象，即在一個奇偶數判斷作業中，受試者在面對數量較小的數字時，用左手做反應會比右手快，而在面對數量較大的數字時，則是用右手做反應會比左手快。研究者提出”心理數線(mental number line)”的理論來解釋此一結果，指出受試者的腦中以一種由左到右的線性方式來表徵由小到大的數字，因此當數量對應到心理數線上的某特定位置時，也同時加速了在與心理空間位置同側的手部反應。
　　本實驗室過去獲得國科會支持的研究(NSC96-2628-S-008-009-MY2, 國科會傑出學者養成計畫)，不僅複製了穩定的SNARC效應，也發現閱讀和書寫文字的方向性此一文化經驗會影響受試者心理數線的方向性：在台灣大學生心中，阿拉伯數字引發的是由左到右的水平數線表徵，而中文數字引發的是由上到下的垂直數線表徵(Hung, Hung, Tzeng, & Wu*, 2008)。據我們所知，這是文獻中第一次展現心理數線因為閱讀習慣的影響，而出現由上到下的方向性，也突顯出中文的獨特性對於釐清重要研究議題可以做出的貢獻，以及跨文化、跨語言之研究的重要性。本實驗室近年來和英國研究者的跨國合作，也獲得和以往研究一致的結果：在不同向度中的抽象數量表徵(例如物體的大小、音量的強弱)，都會自動和心中的空間表徵間形成強烈的對應關係，此一現象在不同語言使用者的身上皆然，只是語言特性的不同將對這種對應關係的表面特徵造成影響(Evans, Tsai, Wu, Lien, & Gattis, 2013)。
　　奠基於數量和空間關係的研究，本實驗室繼續在國科會的補助之下(NSC 99-2410-H-008-023-MY3)，利用行為實驗、腦電波儀、腦磁波儀等工具，深入探索和數量理解相關的認知歷程。此一系列的實驗結果顯示：相似於數字和空間表徵間的對應關係，時間長短與數字大小之間也展現出相對應的連結。具體來說，當受試者進行時間長短之判斷作業時，與當下作業無關的數字訊息仍會自動地改變其時間知覺，數量訊息小的數字(如1和2)會壓縮主觀感受到的時間長度，數量訊息大的數字(如8和9)則會延伸之(Chang, Tzeng, Hung, & Wu*, 2011, 代表著作)。因為這個研究以創新的實驗操弄方式，獲得違反直覺但和理論預期相符合的結果，展現出人類認知系統在處理數量訊息的一個重要運作法則，並成功地排除此一結果乃來自受試者的答題策略等混淆變項的可能性，因此獲得刊登在實徵心理學界最具影響力的Psychological Science期刊中，該期刊並於2011年7月18日在其專屬網頁上發布新聞稿報導此一研究。
　　本研究主軸的實驗成果，除了展現出不同向度上的數量訊息彼此之間的交互作用，可能肇因於處理數字、空間、時間概念時都涉及一種普遍的數量表徵，更進一步發現這個共同數量表徵特別在作業牽涉到動作計畫、執行等歷程時，會因需要數量的計算而被引發。在雙作業實驗典範(dual task paradigm)中，當受試者需要計畫或執行以兩根手指捏取物體的動作時，其手指開合的幅度會受到物體的大小以及物體上和作業無關的數字訊息的影響，同時這個影響是立即且自動發生的，不受試者主觀意識的控制(Chiou, Chang, Tzeng, & Wu*, 2009; Chiou, Wu, Tzeng, Hung, & Chang, 2012)。這些研究成果其中有部分最早報告於我所指導的邱耀慶同學之碩士論文(Chiou, 2007)中，此一論文也於2008年獲得”台灣心理學會蘇薌雨碩士論文獎”的肯定。
　　 根據研究數字和空間的連結關係所累積的知識和經驗，本實驗室將研究範疇擴展到研究一般學童和被診斷為患有發展性計算障礙（Developmental Dyscalculia，DD）的兒童之上，以探討和其數學表現相關的認知因素。此一實驗方向的結果發現：有發展性計算障礙的兒童，雖然在簡單的奇偶數判斷和數量大小判斷作業中，表現出與正常兒童相若的正確率，然而他們卻沒有如同同年齡的兒童一般，展現出典型的空間性之數字反應連結效應(the SNARC effect)。為了更進一步在教室中研究數學表現和不同認知能力以及精熟練習之間的關聯性，本實驗室和本校網路學習科技研究所的陳德懷教授合作進行國科會研究計畫(NSC 99-2410-H-008-023-MY3)，設計可有效提升數學計算精熟度的教學和練習軟體，並特別檢驗其對於數學表現落後之學童的幫助(Ku, Chen, Wu, Lao, & Chan, accepted)，並合作發展以學習內容為優先考量的教學軟體開發方式，特別強調學習素材和預先設計好的教學活動之間的搭配(Chang, Lin, Ching, Cheng, Chang, Chen, Wu, & Chan, 2009)。
　　 由以上的說明可以看出，本實驗室對於數量概念此類抽象符號表徵的實徵研究，橫跨基礎科學到教學應用層面；過去數年所累積的實驗結果，不僅揭示數字表徵與處理歷程的認知特性與神經機制，更幫助研究者針對因為視覺空間能力缺陷而造成數學學習困難的兒童，提出奠基於認知理論的教學建議，深具發展出適當補救措施的潛力。本實驗室針對人類大腦如何處理數量符號所獲致的研究成果，以及此一兼顧理論與實務的研究取向，很榮幸的本實驗室主持人-吳嫻老師在2012年獲得中央研究院年輕學者研究著作獎的肯定。

 長期語言概念(long-term linguistic representations)的功能性表徵與神經解剖層次的生理機制

　　除了數字概念之外，語言也是一種抽象的符號，對於人類生活的各個層面都影響至鉅。根據以往本實驗室在正常受試者以及腦傷病人身上所累積的研究經驗(Wu, Martin, & Markus, 2002; Wu, Waller, & Chatterjee, 2007)，以及在過去數年中本實驗室主持人-吳嫻老師透過中研院主題計畫(AS-99-TP-AC1)和國科會計畫(NSC 102-2628-H-008-002-MY3，國科會優秀年輕學者研究計畫)的支持，深入探討語意處理的認知與神經機制。
　　 有別於在文獻中被大量探討的拼音文字，中文字中並無和發音元素密切對應的字母等表徵，反而是分別由意旁和聲旁提供和整字字意以及讀音相關的訊息。本實驗室和吳嫻老師所指導的博士班學生利用位於中央研究院物理所、具有優異時間解析度的腦磁波儀，針對意旁和聲旁這兩種次詞彙(sublexical)的組成成分之處理歷程，進行精密的測量。實驗結果顯示：中文聲旁的處理較意旁來得早，其對於字詞辨識所造成的效果也較大(Hung, Tzeng, Hung, & Wu*, 2014)。此一發現不僅促進研究者對於中文處理歷程的了解，也說明了聲旁對於中文辨識的重要性，若能據以設計符合大腦處理文字訊息之原理的教學內容，相信對於以中文為母語的學童和學習中文為第二語的外籍人士，在其學習識字的過程中都可帶來很大的幫助。
　　除了探討次詞彙層次的語意處理，本實驗室也利用腦電波儀檢驗詞彙層次的語意處理歷程。在牽涉到不同語意處理深度的作業中，我們請受試者對具體或抽象的雙字中文動詞或名詞進行詞彙判斷(刺激材料是否為一實際存在的詞)或意義判斷，並同時記錄受試者的腦電波，以釐清語意向度(抽象vs.具體)和語法向度(動詞vs.名詞)兩者之認知和生理機制的異同。實驗結果顯示：不論是動詞或名詞，因抽象程度不同所造成的電生理訊號差異，展現在類似的時間點(N400)、也造成相若的頭殼上電場分布(electrical topography)，因此說明不同詞類在大腦中可能是以類似甚至相同的神經機制來表徵和處理(Tsai, Yu, Lee, Tzeng, Hung, & Wu*, 2009)。延續此一研究，我們進一步將研究範疇延伸到中文文句的處理，利用腦磁波儀探討違背語意限制(semantic violation)的句子(*派對上所有人吃任何蛋糕)，和違背語法限制(syntactic violation)的句子(*麵包師傅正在預備了點心)，在閱讀時是否會引發相同的生理反應。實驗結果顯示：腦中負責語意和語法處理的生理機制有所不同，以致兩類刺激材料所造成的腦磁神經訊號在時間點和頭殼上的腦磁場分布均不相同(Tsai, Tzeng, Hung, & Wu*, 2013)。

 語言短期記憶(verbal short-term memory)的功能性表徵與神經解剖層次的生理機制

　　短期記憶能力用來將抽象的符號表徵儲存在腦中的暫存器中，以協助、支持其他認知作業。本實驗室過往的研究利用核磁共振造影技術(fMRI)，探究腦中支持語言短期記憶的不同成分(Martin, Wu, Freedman, Jackson, & Lesch, 2003)。延續此一研究方向，本實驗室透過國科會計畫的支持(NSC 95-2413-H-008-003, NSC 98-2410-H-008-012)，利用位於台北榮民總醫院和國立陽明大學的核磁共振造影儀，檢驗對於和西方拼音文字具有迥然不同特性的中文字，是否需要運用到不同的認知能力來維持抽象的語言符號於短期記憶之中。此一系列的研究結果，呼應本實驗室在數量概念的實驗結果，顯示出不同的語言特性的確會影響到大腦對於語言刺激材料的處理方式。具體來說，因為西方拼音文字的字形和字音大致上提供具有冗餘性的資訊，因此其短期記憶只需要維持語音訊息即可；但對同音字眾多的中文來說，字形和字音的表徵並存且共同支持短期記憶，受試者才能準確無誤的區分此一暫存器中的資訊(Lin, Chen, Lai, & Wu*, under revision)。fMRI的實驗結果也顯示：中文短期記憶中的字形和字音表徵，分別由不同的神經區位所支持，和文獻中來自西方拼音文字的資料同中有異，展現出語言經驗對於大腦生理機制的影響(Chen, Chang, & Wu*, submitted; Lin, Chang, Tzeng, & Wu*, in preparation)。
　　 根據這些研究中文讀者儲存母語的刺激材料於短期記憶中的經驗和成果，本實驗室近年來的研究延伸探討中文讀者在記憶第二語(英文)時的認知功能和生理機制，結果發現受到中文母語影響的受試者，其記憶英文刺激材料時所展現出的行為表現和腦神經反應，不同於以英文為母語的受試者之表現，但和其記憶中文材料時的反應較為相近。這樣的結果突顯出母語經驗對於大腦運作機制所產生的決定性效果，同時也展現第二語的流利程度於後天對大腦可塑性所發揮的影響。此一成果報告於吳嫻老師所指導之研究生黎引真同學的碩士論文之中，今年也獲得”台灣心理學會蘇薌雨碩士論文獎”的肯定，我們正著手將此一研究成果投稿到學術期刊(Li, Chang, & Wu*, in preparation)。

 總結

　　在本實驗室過去四年的研究之中，透過探索人類認知歷程的行為實驗和結合功能核磁共振造影技術和腦電波儀、腦磁波儀之腦造影實驗，累積了豐富的研究經驗，也透過對於數量、語言、短期記憶等抽象概念範疇的持續關注與深入探討，釐清其功能性表徵及生理機制，為相關學術領域提供具有創新性和重要性的研究知識，實驗成果皆發表於認知神經科學領域的重要期刊上，受到國內、外學者重視，也被應用於教育現場之中。本實驗室近年來在相關領域所獲得的研究計畫和所發表的論文，均說明本實驗室進行相關研究的專注與能力。這些研究方向，大多為本實驗室構思和主導，在執行過程中則有和國際學者交流、合作的寶貴產出，加上本實驗室帶領許多年輕學子全心投入研究，在為這個領域開創新方向、產生新知識的同時，也為其永續發展厚植新的研究人力。
　　 本實驗室在數個研究方向所累積的成果，不只是針對獨立研究議題各自進行探討，其互相呼應的實驗結果，同時也展現出大腦在處理不同訊息時的共通神經運作法則。本實驗室的研究主軸之一，探討人們對於數字、時間與空間訊息處理的心理表徵與運作方式，結果發現儘管不同屬性的訊息在大腦中各有其專司的神經運作機制，但不同訊息處理機制間的神經網路運作方式，也有密切的交互作用；視覺、空間思考、語言等各認知範疇，在大腦中亦有共通的訊息處理原則，其神經運作法則相似、彼此若合符節，彰顯出大腦的基本生理機制，這也和本實驗室過往的研究一致(Chiou, Chang, Tzeng, & Wu*, 2009; Wu*, Morganti, & Chatterjee, 2008; Wu, Waller, Chatterjee, 2007)。本實驗室的研究成果同時展現出大腦處理不同抽象符號表徵的方式，尚會受到存於認知系統中之文化經驗的影響，而具有文化獨特性。這些研究也清楚說明本實驗室所專注研究的數量和語言這兩個抽象符號表徵，其處理歷程在腦中的密切關係。
　　利用各式的實驗派典和各先進的腦造影儀器，對不同知識範疇的議題進行探討，可幫助強調跨領域整合的認知神經科學研究，獲致可互相驗證、增強的重要成果，也是進行尖端研究的必然取向。本實驗室過去數年的研究，議題橫跨數量、語言、短期記憶等知識範疇，研究工具包括行為實驗、腦電波儀、腦磁波儀、功能性核磁共振造影技術，最近的國科會計畫(NSC 102-2628-H-008-002-MY3, 國科會優秀年輕學者研究計畫)也充分利用此一取向的強處，將以不同腦造影工具探討數量和語言訊息中的結構處理(即文法)之共通神經機制，並檢驗短期記憶對於此種歷程的影響。儘管此一分進合擊的研究方式，比起單一重點的實驗取向，勢必面對較多理論上和技術上的挑戰，也不利於在短時間內累積較多的學術論文發表，但其所帶來的成果，可以提供單一研究工具所不及的實徵證據，也更有帶來學術上突破的可能性。本實驗室採取的此一研究取向，在過去數年來已累積了紮實的研究基礎，本實驗室主持人-吳嫻老師也很幸運地獲得2014年吳健雄學術基金會台灣女科學家新秀獎的肯定；在未來的研究方向上，本實驗室將持續利用行為實驗和各種腦造影工具，深入研究不同抽象符號表徵的認知功能和神經機制，以建立起行為表現和腦功能之間的關連性，並將這些基礎研究所提供的實徵證據，應用於實務之上，以科學研究成果促進人類社會的福祉。