Электрофизиология понимания речи: обработка языковых уровней у здоровых испытуемых и пациентов с афазией по данным вызванных потенциалов мозга

В основе настоящего исследования лежит фундаментальная проблема, связанная с поиском биологических оснований деления языка на языковые уровни. Целью проекта является изучение и сопоставление нейрофизиологических основ языковой обработки на различных уровнях: фонемном, морфемном, лексическом, синтаксическом и дискурсивном.

В качестве инструментария был выбран метод регистрации вызванных потенциалов мозга. Вызванные потенциалы регистрируются на поверхности головы и являются результатом суммации физиологической активности различных структур головного мозга, отражающей, в частности, когнитивную обработку. В отличие от других методов нейровизуализации, например, функциональной магнитно-резонансной томографии, метод вызванных потенциалов обеспечивает высокое временное разрешение измерений. Сравнение качества языковой операции в лингвистических терминах с качеством электрофизиологической реакции мозга (полярность, амплитуда, латентность, форма пика электрического напряжения) позволит идентифицировать нервные процессы, вовлеченные в реализацию языковой обработки определенного уровня.

Были разработаны материалы экспериментов, направленных на выявление электрофизиологических коррелятов фонемной, морфемной, лексической, синтаксической и дискурсивной языковой обработки. Материал первого, фонетического, эксперимента составили последовательности одинаковых слогов, в которой изредка присутствовал слог с фонемой, отличающейся одним или двумя дифференциальными признаками (в пропорции 85% стандартных и 15% девиантных слогов): например, /са/-/са/-/са/-/са/-/за/-/са/-/са/ или /за/-/за/-/за/-/за/-/са/-/за/-/за/. Последовательность слогов предъявлялась испытуемым на слух.

Материал других четырех экспериментов состоит из 40 блоков, каждый из которых включает четыре предложения. При этом внутри каждого из блоков выделяются две пары предложений из правильного и аномального (предложения а-б и в-г в примерах ниже), которые отличаются друг от друга только ключевым словом. Каждое из ключевых слов входит в состав правильного предложения в одной паре предложений, тогда как в другой является частью аномального варианта. Таким образом, происходит манипуляция как контекста, так и критического слова, что позволяет избежать различий между условиями в базисной линии и одновременно элиминировать влияние характеристик ключевого слова – как, например, частотность.

Материал эксперимента на выявление эффектов вызванных потенциалов, сопровождающих лексический уровень обработки языка, включает правильные предложения с переходным глаголом (1а и 1в), в аномальных вариантах которых существительное в роли дополнения было заменено другой лексемой, не связанной по смыслу с контекстом (1б и 1г – предложения с семантическим нарушением). 

1а. Программист вытирает экран салфеткой.    1б. * Программист вытирает режим салфеткой. 

1в. Спортсмен соблюдает режим на сборах.       1г. * Спортсмен соблюдает экран на сборах.

Для материала эксперимента, по результатам которого были рассмотрены эффекты, характеризующие языковую обработку на морфемном уровне, были использованы предложения с переходным глаголом (2а) и предложения со сказуемым, управляющим дательным падежом (2в). При этом восприятие предложений было проанализировано в двух условиях – с ключевым словом в винительном (2а и 2г) или дательном (2б и 2в) падеже. 

2а. Повар складывает блины на тарелку.          2б. * Повар складывает блинам на тарелку. 

2в. Толстушка радуется блинам с творогом.    2г. * Толстушка радуется блины с творогом.

Для эксперимента по исследованию синтаксического уровня обработки языка были составлены предложения, в которых в аномальном варианте вместо существительного в роли прямого дополнения (3а) использовался однокоренной глагол (3б), и, наоборот, вместо глагола, входящего в состав сложного глагольного сказуемого (3в), употреблялось соответствующее существительное (3г). 

3а. Швея сделала вставку в платье.                     3б. * Швея сделала вставить в платье. 

3в. Хозяйка решила вставить фото в рамку.    3г. * Хозяйка решила вставку фото в рамку.

Предложения, которые были использованы в эксперименте по изучению электрофизиологических коррелятов языка на дискурсивном уровне, были составлены их слов литературного (часто письменного) языка (4а) или жаргонизмов (4в). При этом в аномальном варианте предложений ключевое слово в позиции подлежащего не соответствует контексту по данному признаку (слово литературного языка было заменено жаргонизмом и наоборот – 4б и 4г). 

4а. Ошибившись и почувствовав опасность, опытные разведчики встревожились. 
4б. * Ошибившись и почувствовав опасность, опытные гопники встревожились. 
4в. Накосячив и учуяв палево, жженые гопники не парились. 
4г. * Накосячив и учуяв палево, жженые разведчики не парились.

Стимульный материал экспериментов был предъявлен испытуемым на слух, чтобы исключить влияние возможного нарушения процессов чтения у пациентов с афазией, которые также приняли участие в экспериментах. Предложения и слоги были записаны в студии диктором и апробированы на установке вызванных потенциалов.

В пяти экспериментах  принял участие 161 здоровый испытуемый (16 человек в фонетическом эксперименте , 40 – в эксперименте с лексико-семантическими аномалиями, 35 – с синтаксическими, 36 – с морфосинтаксическими и 33 – с дискурсивными).

По результатам эксперимента, целью которого был анализ языковой обработки на фонемном уровне, восприятие фонемного рассогласования у здоровых носителей русского языка характеризуется эффектом N2 (негативный комплекс, регистрируемый через 330-360 мсек после предъявления стимула), который отражает процессы детекции фонетического различия и фонемной классификации (Sussmanetal., 2004)

Как показали результаты эксперимента на выявление электрофизиологических коррелятов на семантическом уровне, восприятие предложений с лексико-семантическими аномалиями характеризуется эффектом N400 (негативный пик, достигающий максимума через 400 мсек после предъявления стимула), который связывают с процессом лексико-семантической интеграции слова в контекст (Kutas & Hillyard, 1980).

Результаты данных экспериментов подтверждают кросслингвистическую универсальность нейрональных механизмов, лежащих в основе языковой обработки на фонемном и лексико-семантическом уровнях.

Восприятие предложений с синтаксическими и морфосинтаксическими аномалиями по сравнению с правильными предложениями в группе нормы сопровождалось эффектом Р600 (позитивный потенциал, достигающий максимума через 600 мсек после предъявления стимула), возникновение которого обычно связывают с трудностями обработки синтаксической информации и процессом синтаксического реанализа (Osterhout & Holcomb, 1992). При этом более ранних эффектов – LAN (левый передний негативный пик с максимумом в интервале 300-500 мсек) и ELAN (ранний левый передний негативный пик с латентностью 200 мсек), которые были обнаружены на материале европейских языков при восприятии морфосинтаксических и синтаксических аномалий, соответственно, не наблюдалось. Таким образом, результаты анализа собранных в рамках настоящего проекта данных свидетельствуют о частноязыковой специфике электрофизиологических реакций, связанных с языковой обработкой на указанных языковых уровнях.

Как показали результаты эксперимента, целью которого являлся анализ языкового восприятия на уровне дискурса, восприятие предложений с рассогласованием по функциональному стилю сопровождается негативным потенциалом с максимальной амплитудой в интервале 600-1000 мсек после предъявления ключевого слова, наиболее выраженным на фронтальных электродах билатерально. Наблюдаемая электрофизиологическая реакция отличается от известных ранее связанных с обработкой дискурса потенциалов. Обнаруженный эффект обладает схожим топографическим распределением с потенциалом Nref, сопровождающим восприятие референциально неоднозначных существительных, однако имеет более позднюю латентность.

В трех экспериментах проекта – на выявление электрофизиологических коррелятов обработки на лексико-семантическом, синтаксическом и морфосинтаксическом уровнях – приняли также участие пациенты с поражением мозга и сопутствующей афазией. Часть пациентов характеризовалась преимущественным грамматическим дефицитом и трудностями порождения речи; а часть – преимущественным лексико-семантическим дефицитом и трудностями понимания/восприятия речи.

Результаты экспериментов с участием пациентов с речевыми расстройствами  свидетельствуют в пользу принципа двойной диссоциации: эффекта N400, наблюдаемого в группе норме и у большинства пациентов с трудностями порождения речи (небеглой афазией) при восприятии предложений с лексико-семантическими аномалии, не было обнаружено у пациентов с трудностями понимания речи (беглой афазией), тогда как у пациентов с трудностями порождения речи не наблюдалось эффекта Р600, характеризующего восприятие предложений с синтаксическими и морфосинтаксическими аномалиями у здоровых носителей русского языка и большинства пациентов с трудностями понимания речи. Полученные клинические данные подтверждают предположение о том, что речевая деятельность может нарушаться селективно – на отдельных языковых уровнях.

Данные, характеризующие восприятие языка на пяти языковых уровнях в группе здоровых носителей русского языка, и данные трех экспериментов с участием пациентов с речевыми расстройствами были также проанализированы в частотно-временной области. Результаты частотного анализа позволили подробнее проанализировать изменения в характеристиках сигнала, связанные с предъявлением стимула, относительно бейзлайна для экспериментальных условий в группе нормы и для пациентов с афазией.