基于眼动追踪技术的认知语言学研究进展.pdf

Chinese Journal of Biomedical Engineering2023年12 月December2023中医国生No.6程42卷6 期Vol.42报物学学基于眼动追踪技术的认知语言学研究进展马恒芬张长颉（中国民航大学外国语学院，天津300300)摘要：双语者能够习得、储存和使用两种语言，显示出人脑有对双语控制的认知能力，但其语言表征和处理过程尚未完全明晰。近年来的研究发现，眼动追踪技术能识别和阐释语言认知过程，能客观表达与双语处理过程相关的大脑反应，在认知语言学领域已成为新的研究方向和热点。其中，眼动追踪技术联合脑成像技术被认为是认知语言学最有发展前途的研究手段。本文系统回顾了基于眼动追踪技术以及可与其相结合的成像技术所开展的双语任务和相关脑机制的研究，及其在阅读障碍或失读症领域的应用，明确了眼动追踪数据分析对于双语脑功能研究的积极作用，旨在为双语加工脑机制的研究提供新思路。关键词：双语；眼动追踪技术；脑机制；认知语言学中图分类号：R318文献标志码：A文章编号：0 2 58-8 0 2 1(2 0 2 3)0 6-0 7 50-0 7Research Progress of Cognitive Linguistics Studies Based onEye-Tracking TechnologyMa HengfenZhang Changjie(College of Foreign Languages,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)Abstract:Bilingual individuals are competent to acquire,store and use two languages,demonstrating thecognitive competence of the human brain to control bilingualism.However,the language representation andprocessing process remain unclear.In recent years,the research has revealed that eye-tracking technology canidentify and interpret linguistic cognitive processes and objectively express brain responses related to bilingualprocessing,which has become a new research direction and hotspot in the field of cognitive linguistics.Eye-tracking technology combining with brain imaging is the most promising research method for cognitivelinguistics.This paper systematically reviewed the research on bilingual tasks and the related brain mechanismon account of eye-tracking technology and imaging technology as well as its application in the field of aphasiaand dyslexia,meanwhile,clarified the positive effects of eye-tracking data analysis on the exploration ofbilingual brain function,aiming to provide new thoughts for the investigation of bilingual processing brainmechanism.Key words:bilingualism;eye-tracking technology;brain mechanism;cognitive linguistics引言语言是人类重要的生物学特征。人类具有有效地习得、储存和使用不止一种语言的能力，被称为双语或多语能力。双语或多语者能够控制和管理两种或两种以上语言1-2 。语言表征与处理过程doi:10.3969/j.issn.0258-8021.2023.06.012是心理学、语言学和认知神经科学的研究热点。目前的研究认为，双语语言和认知能力不是一种孤立现象，而是存在多层面相互影响的架构，存在有效的信息交互处理机制，甚至还涉及大脑神经可塑性的变化3-4。已有研究证实眼动行为能够提供有价值的信doi:10.3969/j.issn.0258-8021.2023.06.012收稿日期：2 0 2 3-0 9-2 8，录用日期：2 0 2 3-12-2 1基金项目：天津市哲学社会科学规划资助项目（TJX18-031）*通信作者（Corresponding author),E-mail:jczhang 751马恒芬，等：基于眼动追踪技术的认知语言学研究进展6期息来揭示人的语言认知功能。眼动追踪技术是一种测量和确定个体眼球运动和眼球位置的技术，能够直观记录一段时间内或者一项任务中的眼动时间和凝视位置信息，经常被用作传统认知评估量表的辅助工具5-6 。眼动追踪的相关指标包括注视、扫视、眼和瞳孔大小变化等7 ，与传统认知评估量表相比，眼动追踪是一种无创的检测技术，具有更高的时间分辨率，可进行实时记录和实时监控，因此获取的数据客观且较少受到主观偏见影响，能够提供个体认知加工过程的量化信息，以及便于与其他脑成像技术进行数据叠加融合等，有助于对认知任务进行评估8-10 。考虑双语任务的动态性质，眼动数据已逐渐被用作双语研究和认知过程中大脑反应的标记1基于眼动追踪技术的双语脑功能研究作为人类视觉行为最明显的特征之一，眼动与人类的语言信息处理系统密切相关。早期眼动追踪技术用于语言学方面的研究较少。近10 余年来的研究发现，眼动与大脑活动的综合记录和分析是认知神经科学最有发展前途的领域。有研究指出，眼动可作为与感知和认知过程相关的大脑反应标记12】，即在大脑活动的事件相关分析中，眼动将作为视觉和认知研究中的事件。这是因为眼跳和注视是由被观察者大脑所产生的可测量事件，与大脑正在进行的信息处理和传输密切相关。1.1眼动追踪技术的发展眼动追踪的相关研究已逾百年历史，但其早期研究多集中在心理学领域，而在语言学领域的研究较少13。近10 余年来，眼动追踪技术本身发展迅速，其在语言学及应用语言学领域的研究也逐渐兴起，其中，通过眼动追踪技术识别与阐释语言认知过程逐渐成为一个重要的研究方向14通过测量明显的眼球运动，眼动追踪技术提供了一个了解人类思维的窗口，由此可以推断大脑处理信息的过程15-1。阅读研究是受益于眼动追踪技术进步而快速兴起的重要研究领域，通过绘制和分析阅读文本时的眼动行为，研究人员已经可以对其大脑信息处理方式和理解过程做出基于证据的推断。相关的眼动追踪检测的参数包括时间的和空间的两类，常用的时间指标为首次注视时间、凝视时间和总注视时间，常用的空间指标为跳读率、注视位置和眼跳幅度17 在时间指标中，首次注视时间是指首次阅读时落在感兴趣区内第一个注视点的持续时间，为阅读时词汇通达的早期指标，对目标的首次注视时间越短，表明它越能引起注意。凝视时间为首次阅读感兴趣区内所有注视点持续时间之和，是比较不同目标上的注意分配情况的最佳指标。总注视时间则不分首次还是二次或多次阅读，它指的是所在感兴趣区内或者单个目标上所有的注视时间，它为晚期指标，反映的是总体时间上的加工信息，其时间的长短反映着认知加工过程的快慢在空间指标中，跳读率是指目标在感兴趣区会有多大的概率被跳读，它可以揭示注视加工词语的熟悉程度。注视位置是指阅读时眼睛所注视的空间位置，与语义偏向密切相关。注视位置效应则是指下述现象，即阅读过程中眼睛所注视之处偏好于词语的某个特定位置，例如首次阅读时，眼跳至单词上的注视点常位于该词开头与中心之间。眼跳幅度是眼跳发生前的注视点中央位置到眼跳发生后第一个注视点中央位置的距离，幅度越大表明新的区域或位置有更多有意义的线索。眼动追踪技术多从眼动追踪数据质量的角度进行研究18-9 ，数据质量通常由3个指标来表征：准确度、精度和数据丢失率。准确度是指真实注视位置与眼动仪所报告的注视位置之间的差值。精度是指在真实注视位置不变的情况下，眼动仪对注视位置的再现程度2 0-2 1。数据丢失率是指眼动仪信号中丢失数据的百分率2 2 。高质量的眼动追踪数据可使研究人员从每次测量、观察或实验中获得更多且有效的数据和更准确的诊断结果。由于大脑对视觉刺激非常敏感，对于眼动和大脑活动相结合的研究，快速准确的显示变化非常重要。眼动追踪系统已经实现了高达2 0 0 0 Hz的采样率，但由于计算机屏幕液晶显示屏（liquidcrystaldisplay，LCD)技术能力不足，所以眼动追踪系统的实际时间分辨率被降低至6 0 Hz，这无法满足跟踪视线变化的显示要求2 3。为此，2 0 13年Richlan等2 4 开发了一种高速视频投影系统，该系统能够在小于5毫秒的时间范围内可靠地提供显示变化，可用于快速视觉呈现，从而为使用眼动数据结合其他相关方法（如脑电图和功能磁共振成像）评估大脑活动提供了有效的技术支持。随着现代技术的高速发展，眼动追踪技术使分析人员能结合高性能的数据收集技术，通过更系统的方法来研究语言处理2 5 过程。其中,0 dean 等2 6 提出将眼动追踪技术与自动化语言分析工具752中42卷医国报程学学物(language environment analysis,LENA）系统2 7 相结合，以探索大脑中的语言加工与外部动态环境的相互影响。外部动态环境包括家庭中父母和学校环境中教育者的语言输入等。该系统提供了一种评估语言发展背后的认知过程方法，而不是单纯使用具有主观性质的检查量表。该技术的优势主要表现在以下四个方面：1）实现复杂视觉显示的呈现和分析；2)提供详细的时间信息；3）减少人为编码的时间和错误的可能性；4）允许跨技术对话。综上所述，随着眼动追踪技术及与其相结合的相关技术的不断发展，有助于研究人员探索涉及语言系统交互的本质。1.2基于眼动追踪技术的双语表征研究在应用语言学领域，眼动追踪技术被广泛地应用于阅读研究。2 0 13年Rooy等【2 8 使用眼动追踪技术结合传统的纸笔阅读理解评估方法，考察了四年级学习者的祖鲁语（黏着语）和英语（分析语）的阅读能力，并获取学习者在阅读两种语言材料时的眼动数据，以了解他们在加工两种语言时的差异，并根据他们在两种语言下的理解能力分析他们的眼动数据。分析发现，在英语阅读时不同阅读技能引起的眼动行为存在显著差异，而使用第一语言（firstlanguage，L1)祖鲁语阅读时这一差异近似消失。该研究对于不同类型语言的双语阅读具有探索意义。2022年于秒等2 9 针对汉语拼音在初学者汉语二语阅读过程中的作用进行研究，以来华学习汉语的初级水平苏格兰留学生为受试者，采用眼动追踪技术进行了为期1年4个阶段的追踪研究，以探究拼音对汉语二语阅读的作用时程。研究发现，从第1阶段到第4阶段，受试者对有拼音汉字文本的注视时间和注视次数均短于和少于无拼音汉字文本，随着汉语水平的提高，受试者对拼音的依赖逐渐减少，对汉字的注意力分配在逐渐增多，这表明拼音能显著提高受试者所有阶段的汉语阅读效率。同年Cong等30-32】通过从当前固定的单词（即中央凹区域）中获取信息和从即将到来的单词（即旁中央凹区域）获得信息的眼动实验，研究在读句子过程中第二语言（second language，L2）编码字母位置的机制。研究发现，在句子阅读过程中存在灵活的字母位置编码，并且L2熟练度不如L1的读者，无法提取和利用单词的旁中央凹字母标识和位置信息。这些结果为L2字母位置编码在句子阅读过程中的灵活性以及该过程中单词不同内部表征之间的相互作用提供了新的眼动证据。眼动追踪技术也逐步用于促进双语学习和认知33 的相关研究。2 0 19 年Comishen等34 进行一项成长于单语或双语环境婴儿参与的眼动追踪提示任务，结果显示成长于双语而非单语环境的婴儿能够通过更准确的眼球运动和更快的反应性眼球延迟来成功更新他们的预期，以应对双语切换后的变化情况，从而证实成长于双语环境的婴儿比在成长于单语环境的婴儿具有更强的注意力和控制力。2021年Repnik等35-38 针对单词学习过程中的消歧效应，进行了单语和多语儿童在词汇增长和语言经验方面影响的眼动追踪研究，该研究使用眼动仪通过E-Prime软件收集了18 30 个月单语儿童（n=43）和多语儿童（n=40）的眼动追踪数据，发现消歧效应提高了单语儿童的记忆能力，但对多语儿童没有显著影响，表明单词学习过程中消歧源于先前学习事件，这是一种促进默认快速映射的机制。2 0 2 2年Desmeules-Trudel等39 发现第二语言学习的挑战之一是学习不熟悉单词的形式，为此探讨了在第二语言学习中，对新学习单词和音素的实时处理，如何受学习结构的影响。研究使用视觉模式的眼动追踪范式，对比英语听众在处理新学习包含非母语单词的任务和在延迟16 2 1h后完成相同任务之间是否存在单词识别结果的差异，发现在延迟之后，受试者对各种索引的字级处理结果显著提高，单词识别任务期间反应时间大幅减少，该结果提示使用感知相似声音的辨别训练对进行含有新颖音素信息的第二语言单词学习具有促进作用，而眼动追踪等实时数据处理范式为个体如何学习第二语言中的单词和音素提供了宝贵参考。上述这些眼动测量数据分析的研究对于不同年龄阶段和不同程度双语学习及阅读的影响进行了阐述，明确了双语确实可改变学习者的表现，但对于理解能力和大脑信息处理过程未做评估。1.3基于眼动追踪技术的双语脑功能研究已有研究发现，双语可影响人的整个生命周期的认知过程，其主要影响的是改善执行功能40 2017年Langer等41 为了研究发育进程中大脑信息处理过程，给出了一个结合电生理学和眼动追踪的数据集，这是从12 6 名个体（年龄6 44岁），基于做任务和无任务情况下采集的脑电图和眼动追踪（采样率为12 0 Hz）所得到的认知和行为数据，研究结果表明，在受试者执行任务时跟踪眼动能够获取大脑的认知和感知活动，并进一步指出眼动数据可用于分析以信息处理为基础的神经活动过程以及检753马恒芬，等于眼动追踪技术的认知语言学研究进展6期测大脑发育进程与病理发展过程。Dimigen 等42 研究了在自然句子阅读过程中，通过单词识别可预测眼动和脑注视相关电位（fixationrelatedpotential，FRP）的变化，提出了在自由观看情况下（例如阅读、视觉搜索或场景感知）所需解决的技术和数据分析问题及其解决方案。与此同时,Dirix等4-4 也使用广义词汇决策任务和大规模双语眼动追踪数据库分析来评估语言内部和跨语言邻域效应，证实了跨语言邻域效应对自然阅读存在影响，这为开展双语单词识别模型的研究提供了支持。VanAssche等【45 对双语者在听觉和视觉等多模式输人时语言处理中所涉及的跨模态整合进行了眼动追踪研究，结果表明，双语者同时激活两种语言的处理会导致两种语言之间的竞争，即双语语言处理具有高度的互动性，语言系统中的这种互动性使双语认知功能发生了变化，并得出以下结论，语言处理的多模态研究是有效且有意义的，语言处理与非模块化思维中的其他认知和感知功能存在相互作用。2 0 2 0 年Ahn等46 为了进一步探讨在语言产生和理解等多模式之间转换时的控制机制是否产生重叠，比较了句子默读和在混合语言段落中大声阅读的眼动行为差异，结果表明，在语言产生和理解的模式中存在着独立的控制机制，这一结论强化了一个事实，即跳跃率是唯一可能显示跨模式关系的衡量标准，它反映了理解期间而非语言产生期间的控制。尽管在理解和产生过程中切换语言所需的机制相对较少重叠，但所发现的部分重叠点为未来研究语言系统总体控制的作用以及影响双语语言控制中的个体差异提供了线索，应重点关注每种语言跨模式激活之间的分离1.4基于眼动追踪技术的阅读障碍或失读症脑功能研究Holmqvist等47 分析了阅读材料中的图片对阅读障碍成年人观看模式的影响。阅读障碍组和对照组的参与者被随机分配观看纯文本或文本+图片刺激，通过眼动追踪技术分析发现，带有图片的文字会降低阅读障碍组在有关学习材料问题上的得分。Jou等48 采用眼动追踪技术来评估诵读困难学生的阅读模式和行为。阅读材料分别为常规布局文章、各种字体大小的关键词和相关插图。结果发现，采用常规布局的阅读材料与其他两类阅读材料进行的阅读注意力测试比较表现明显差异，而其他两类阅读材料间比较未表现显着差异。实验证实特殊的布局和叙事写作风格可以提高阅读障碍学生的阅读注意力。Parshina等49 通过扫描路径分析对有阅读困难组和没有阅读困难组1至5年级俄语儿童的全局阅读模式进行了系统比较，所谓全局阅读模式是指与传统阅读的注视时间、跳读率和单词回视率的“局部”测量方法不同，采样更全面地描绘阅读的眼动行为，构建整个句子或文本过程的眼动序列或扫描路径，同时结合现有的传统眼动特征。该研究发现，在单词级测量上，有无阅读困难两组间差异主要是注视持续时间所反映的阅读速度，而在1至5年级这5个在全局阅读模式上显示出两组间阅读模式性质相似。但是，无阅读障碍的对照组儿童进步很快，1年级从中高级阅读模式开始，很快发展到2 3年级的高级阅读模式，到了4年级时就开启了如同成人一样的流利阅读模式。有阅读障碍的高风险组则从初级阅读模式开始，然后大多在2 4年级才能开启中级和中高级阅读模式，相当于对照组1年级学生的阅读模式，最后在5年级时才能进人高级阅读模式，相当于对照组2 年级阅读模式。总之，通过扫描路径分析发现，在定量方面显示两组间在单词级测量的眼动追踪指标上存在数量差异，而在定性方面显示虽然提示两组间阅读模式相当，但时间上却延迟了3年。在数据分析方面，Nerusil等50 提出了一种利用文本阅读测试中的眼动追踪信号来检测认知障碍的新方法。它是通过按时间或频率处理整个眼动追踪记录来实现的。通过基本的信号预处理，卷积神经网络将此类信号分类为一个整体，分层提取时间或频率上分散的实质性特征，并使用机器学习将它们非线性地结合起来，以最大限度地减少检测误差。研究发现，基于时间插值眼动追踪信号达到了96.6%的平均准确度，高于数据库上公布的最佳结果9 5.6%。Christoforou等51-52 提出了一种基于机器学习的新颖算法，该算法能够在连续快速自动命名期间提取时空神经成分，捕获与命名速度相关的认知过程的神经活动，并为识别阅读障碍儿童和正常发育儿童之间的群体差异提供了信息。应用眼动追踪技术结合脑电图来检测在连续快速自动命名任务中引发的潜在因素，这些因素可能在阅读障碍儿童和同年龄儿童对照两组中存在差异。结果显示，在语音相似和语音非混杂条件下，阅读障碍组和对照组之间的FRP幅度存在显著差异，而在视觉条件下没有观察到差异2展望与结论双语语言中的眼动追踪研究从直观和实时任754中生42卷医报程国学学物务表现的角度探索了双语脑功能机制53，且眼动作为一种有效而可靠的语言处理测量方法已得到充分的证明54。对于不同年龄阶段、不同语言类型和不同任务下双语数据库的逐步建立也为后续双语功能甚至其机制研究奠定了丰厚基础。虽然目前双语脑功能研究的任务和角度具有多样性，但对于机制研究的深度和全面性有待于继续发展。在认知神经科学领域的研究中，技术手段的发展是重要一环。其中，每种脑电、脑磁技术和脑成像技术都有它们各自的优缺点，如脑电（EEG）虽然时间分辨率好，但空间分辨率差；常用的血氧合依赖功能磁共振成像（bloodoxygenationleveldependent-functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)技术虽然其空间分辨率上限可达约400m，但受迟缓的血液响应函数限制,时间分辨率低已经成为它难以克服的局限，通常经58 s潜伏期后信号相应才能达到峰值；再就是在认知语言学研究中，上述的EEG和BOLD-fMRI技术只能针对字、词或者单词、短语展开研究，而对整句和段落显得无能为力。眼动追踪技术作为目前语言研究领域最具生态化和实时程度较高的研究技术，在双语学习研究中具有明显的优势，它不但能够实现对受试者任务过程的真实性和即时性的测量，同时还能够针对字、词或单词、短语以及整句和段落均能展开研究，应用范围更加广泛。此外，将眼动数据分析与其它结合技术，如高空间分辨率的任务态-功能磁共振成像（task-fMRI），进行组合形成优势互补55,将为双语脑功能机制的深入研究提供新思路。最后，眼动追踪亦是阅读障碍或失读症研究的重要技术方法。综上所述，建议重点关注眼动数据收集分析并建立眼动数据库，充分利用眼动追踪技术，为快速发展的认知语言学研究提供重要的研究手段。参考文献1Luk G,Green DW,Abutalebi J,et al.Cognitive control forlanguage switching in bilinguals:A quantitative meta-analysis offunctional neuroimaging studies J.Lang Cogn Process,201l,27(10):1479-1488.2Sulpizio S,Del Maschio N,Fedeli D,et al.Bilingual languageprocessing:a meta-analysis of functional neuroimaging studiesJ.Neurosci BiobehavRev,2020,108:834-853.3Brignoni-Prez E,Matejko AA,Jamal NI,et al.Functionalneuroanatomy of arithmetic in monolingual and bilingual adultsand childrenJ.Hum Brain Mapp,2021,42(15):4880-4895.4Kovelman I,Baker SA,Petitto LA.Bilingual and monolingualbrains compared:a functional magnetic resonance 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