"what" and "how": evidence for the dissociation of object knowledge and mechanical problem-solving skills in the human brain

这篇个案研究用一个双患对比设计回答了一个当时的争议问题：语义知识严重退化的病人为什么还能正确使用日常物品——这是靠一个独立存活的"动作语义"系统，还是靠一个与特定物体知识无关的顶叶"机械问题解决"系统？作者让两位语义性痴呆（semantic dementia，颞叶萎缩）病人与一位皮层基底节变性（corticobasal degeneration，双顶叶萎缩）病人在同一套真实物品命名、功能语义匹配、实物使用示范和新异工具任务上对垒，得到清晰的交叉双分离：改为：两名语义性痴呆患者存在严重语义知识损害，三项图片语义测验均不高于机会水平，但仍有少量命名反应显示残余知识。，顶叶病变病人语义知识正常却在此任务上接近随机水平。结论支持把视觉双通路论述改写为"what/how"框架：颞叶系统负责知道物体"是什么"，顶叶系统被物体的可供性触发后负责"怎么用"。

研究背景

问题可以用一把洒水壶来讲：让你"说说这个物体的一切"，你会描述它是什么、什么材质、怎么装水浇花；让你"演示怎么用它"，你会握住把手倾侧演示浇水动作。神经病学证据提示这两方面可以各自独立地被局灶脑病变损毁：一类病人能给出正常的语义描述，却组织不出恰当的使用动作；另一类（正是本文的主角）叫不出熟悉物品、给不出语义描述、甚至通不过非言语的语义测验（如按语义类别给图片分类），却能把同一批物品用得像模像样。对这个经典的"知识与使用分离"，第一种解释诉诸多模态语义系统的分部化：物体语义之外另有一个"动作语义"（action semantics）子系统——McCarthy & Warrington 最早这样主张，Heilman 等用它解释血管性病变或阿尔茨海默病病人选择性的工具动作知识丧失（观念性失用，ideational or conceptional apraxia）；Lauro-Grotto 等则进一步把物体特异性动作程序放进视觉语义系统，并预言实物使用成绩应与视觉知识测验（物体匹配接受者、位置、相关用途物品等）高度相关。

另一种解释完全不求助语义表征：那些"正确使用"可以来自一个负责一般机械问题解决（mechanical problem solving）的独立系统，由物体的视觉与触觉属性——可供性（affordances，Gibson 的概念）——直接触发。该系统被认为与背侧视觉通路相连，损伤它是某些顶叶病变病人失用症的原因；Goldenberg & Hagmann 把它刻画为"从结构直接推断功能"，认为它独立于额叶执行功能，并非一般问题解决能力的简单组成；Sirigu 等基于一例疱疹脑炎后语义尽失的病人，同样提出了顶叶为基座的非语义感觉运动表征（图式）系统。缺口在于：两条解释都停留在个案轶闻层面，没人拿"语义尽失者"与"使用失能但语义完好者"在同一场考试里正面对比过——尤其缺少新异工具这类无法依赖既有物体知识的纯机械推理任务。

研究思路

作者的总体策略是构造一个病人间的"镜像对比"。语义性痴呆是颞叶局限萎缩（前极与下外侧，通常双侧但不对称、常偏左）造成的渐进性概念知识退化：语言词汇丧失最早最重，但情节与工作记忆、句法与语音、视空间知觉、额叶执行功能都保存良好——已有报告称这类病人在自家环境里能正常使用日常物品，可是此前唯一的正式评估（Buxbaum 等）进行时病人语义损害还只是中度，且没把同一批物品的"知识"与"使用"对照起来。皮层基底节变性则几乎是镜像：由于严重肢体失用，病人渐进性地不会用实物（无肌力、共济或感觉的重大损失），伴帕金森样症状与异己肢现象，语言和一般认知正常，病理累及基底节与顶叶（有时额叶）、颞叶幸免。

据此作者写下可被证伪的预测：语义痴呆病人的特定物品正常使用只应出现在其他语义测验上尚有残余知识的物品上；对语义尽失的物品，他们的使用应"貌似合理但未必符合约定俗成"，正确度取决于可供性的特异性；且他们必须保留新异工具任务所需的机械问题解决能力。反之，皮层基底节变性的病人应在新异工具和实物使用两项上都失效，同时对同一批物品保有正常的语义知识。若两个病人组的成绩呈这种交叉模式，"独立动作语义系统"假说就不必要了。

方法

三个病人：DJE，62 岁退休建筑工人，4 年进行性找词困难继以理解力衰退，对话几乎不可能（问"您有什么爱好？"答"爱好是什么？"），日常记忆良好，拼图、园艺、高尔夫照常；正式测验显示词与图片的语义损害严重而弥漫（动物、水果、家居物品、车辆、工具各类皆受累），但不需要特定语义知识的视知觉与空间测验（图形-背景分辨、残缺字母等）正常；MRI 示双侧不对称颞叶局限萎缩（极部与下外侧皮层，左侧为主），海马幸免，额顶叶正常。IF，66 岁退休会计师，病史几乎相同而语言输出更贫乏，视空间与实践技能保留；MRI 同样示双侧不对称（左>右）颞前外侧萎缩。FL，75 岁右利手女性，3 年进行性的实物使用困难，无法用刀叉、穿衣、书写，左手出现无意识摸索的异己肢现象；神经科检查示运动减少综合征伴不对称肢体僵硬；语言与记忆不受影响——仍在读小说并能详述内容，仅有中度构音障碍；MRI 示双侧顶叶萎缩，额叶与颞叶内侧外侧结构均幸免。

测验电池以 20 件真实物品及其彩色照片加 12 件新异工具构成。功能语义知识用图片匹配测三件事：把物品图片匹配到它的典型位置（厨房、浴室、车间）、到其动作的典型接受者（例题见原文图 2）、到另一件用途相同的物品，每项测验 20 题、三选一（机会水平为 20/60）。实物使用测验要求逐一示范 20 件物品的用法。新异工具任务（引自 Goldenberg & Hagmann）是机械问题解决的浓缩版：六个带特殊特征的木圆柱与六件工具，每试次将一个圆柱放进插口、旁置三件工具，被试需选出最能把它提出插口的工具并演示用法；首选正确得 2 分、自我纠正得 1 分，随机水平为 6 分——注意评分不要求真的会用工具，指示正确即可，这就把运动障碍本身排除在解释之外。对照组为 10 名年龄与教育匹配的正常人。

主要结果

1. 语义痴呆两人的语义知识尽失而机械问题解决满分。DJE 无法命名 20 件物品中的任何一件（7 个命名反应显示部分知识），三项图片语义匹配全部不超过机会水平；IF 同样一件叫不出（仅 2 件有部分知识线索）、图片测验全在机会水平（图 1）。但在新异工具任务上，两人都得满分 12/12，反应的速度与流畅度和正常对照组无异（图 1、图 3）。
2. 他们的实物使用只有部分"正确"，且正确来源可疑。DJE 示范使用从不含糊犹豫、无空间定向错误或固着，但 20 件中仅 7 件（35%）用法正确，其余 13 件的用法"错误但大体与物体的物理性质兼容"——他把火柴盒里的火柴一根根取出，说像"小铅笔"并持笔状欲写，用指甲刀演示"提起挂着链子的东西"。IF 正确用了 9/20（含两件有部分命名知识的），但正确反应几乎从没有正常人那种一上手就对的即时性，而是透明结构（剪刀：手指插进孔里试探性地分开）或试误法（卷笔刀：先认不出，铅笔尖朝上立着插、再尖朝下立着插、最后才放平）逐步推出来的（图 1）。
3. 改为：DJE的正确使用与命名中显示的残余知识高度重叠；IF的9次正确使用则更多表现为结构透明性或试误式机械推理。DJE 用对的 7 件里有 6 件正是命名中显示部分知识的那几件，完全没有语义线索的物品中只有 1 件被正确使用——这直接违背"使用独立于物体概念知识"的预言，说明所谓"保留的使用"并未构成一个独立的动作语义存档。
4. 镜像病人 FL：语义全在、使用与推理皆废。FL 的命名与三项图片语义测验全部落在正常范围，实物使用对了 12/20——略好于两位语义痴呆病人，但放在语义完好的背景下非常糟糕，且即便在用对的 12 件上动作也犹豫不安；新异工具任务仅 7/12（随机水平即 6/12，称得上濒于随机），而这项成绩不能用运动技能解释，因为任务只要求指出正确工具（图 1）。
5. 综合：两位语义痴呆病人对同一批物品"有时成功但常常推错"的使用尝试，与 FL 的反面模式合起来构成了不支持"独立动作语义系统"假说的交叉双分离——"怎么用"靠的是顶叶机械推理，"是什么"才靠颞叶语义。

图注解读

图 1 · 三位病人与正常对照组的全套测验成绩总览

原文图注：FIG. 1. Performance of the 3 patients (DJE and IF, semantic dementia and temporal lobe atrophy; FL, corticobasal degeneration and parietal lobe atrophy) and a group of 10 age- and education-matched controls on (i) naming of 20 familiar objects, (ii) three tests of functional semantic knowledge involving the matching of a picture of each of the same objects to either (a) its typical location (such as kitchen, bathroom, or workshop), (b) the typical recipient of its action (see Fig. 2), and (c) another item used for the same purpose (n 5 20 per test, chance 5 20y60); (iii) demonstrating the usage of the 20 items; and (iv) performance on the novel tool task (8). The pale blue shading represents the range of scores of the 10 controls on each task.

这是全文的总结图：横轴方向为四组任务——20 件熟悉物品命名、三种功能语义匹配（典型位置、动作接受者、同用途物品，各 20 题、机会水平 20/60）、20 件实物使用示范、新异工具任务；浅蓝色阴影带是 10 名正常对照在每项任务上的得分范围，三位病人各以一点标注。读图先看两处极端：DJE 与 IF 在命名和语义匹配上跌到机会水平，而在新异工具任务上顶到对照带的上沿（12/12 满分）；FL 恰好倒置——命名与语义匹配落在对照带内，实物使用劣于两位语义病人，新异工具任务跌到 7/12、贴着机会线。实物使用一项上三人都低于对照，但语义病人的得分与其残余语义知识的量相关。这张图撑起主要结果第 1、4、5 条的全部数字。

图 2 · 功能语义知识测验的例题

原文图注：FIG. 2. Example of the test of functional semantic knowledge in which the subject is asked to select which of the top three items "you typically use the lower one with." The test consists of 20 target items with two preceding practice items.

图为三选一匹配测验的示范题目：下方给出一件目标物品，被试要从上方三个备选中选出"你通常与下面这件搭配使用"的那一件；正式测验共 20 道目标题，前面有两道练习题。这道题测的是"动作的典型接受者"（比如目标物品若是一水壶，备选里有花盆之类），与"典型位置""同用途物品"两道平行测验一起构成功能语义知识的图片版测量。它的设计意义在于把语义知识从命名里剥离出来（不需要说话、只需要指着选），语义痴呆病人在这种最宽松的非言语测验上依然全面跌到机会水平——见图 1 第 (ii) 组。这为主要结果第 1 条提供了"知识确实没了"的量化证据。

图 3 · 新异工具任务示例：纯机械推理的试金石

原文图注：FIG. 3. Examples from the novel tool task (8). The test consists of a set of six cylinders and six tools. On each trial, one cylinder is placed in a socket and a selection of three tools is placed beside the socket. The patient is asked to select the tool best suited to pick up the cylinder and then to demonstrate its usage. Two points are awarded for a correct first choice and one point is awarded for a self-correction (chance score, therefore, 5 6).

图中给出任务示例：六个带特殊特征的圆柱与六件工具，每试次把一个圆柱放进插口、旁边摆三件候选工具，被试要选出最适合取出该圆柱的工具并演示用法；首选正确 2 分、自我纠正 1 分，故随机水平为 6/12。这个任务的要害在于"新异"：工具与圆柱的匹配只能靠"从结构直接推断功能"的物理推理，没有任何习得的物体特异性知识可查——语义知识尽失的病人也帮不上、也帮不倒。结果 DJE 与 IF 满分 12/12 且反应如常人般迅速流畅，FL 仅 7/12（贴着随机水平 6/12）。这张图为机械问题解决系统的存在提供了最干净的单项证据，支撑结果第 1 条与第 4 条。

讨论

作者的结论落点是双向的。对语义痴呆病人的"看似正常使用"，他们逐条否决了动作语义解释：三项。，不给 Lauro-Grotto 等的"使用植根于视觉语义系统"提议任何支持；IF 对无明确知识物品的"正确使用"典型地是靠视觉（也许还有触觉）可供性加试误式的渐进推理，没有正常人那种即时性；再加上两人在新异工具上的完美成绩——所有证据指向一个独立于物体特异性语义表征的"推理"系统。FL 提供了它的反面：改为：FL在新异工具任务中仅得7/12；由于选择正确工具即可得分，该项低分不能仅由运动障碍解释。真实物品使用受损则仍可能部分受到失用和运动执行困难影响。，虽然她的物品知识完全正常。作者承认一个逻辑可能性——独立的动作语义系统或许存在，但只有在物品被正确识别之后才能被访问——只是认为这个解释不够简约。

讨论的后半程把发现接回双通路理论。腹侧（枕颞）通路对物体识别、分类、命名的作用因语义性痴呆再次得到确认；背侧（枕顶）通路如今被不少研究者视为执行在线运动引导的系统，按物体在空间中的位置、轴向长度和朝向做计算，甚至被认为可以自动运行而不求助于其他脑系统。作者引 Milner & Goodale 的观点——需要一个整合腹背两路输出的高级运用（praxis）系统来"指令"视运动系统，而背侧系统本身应能支持高效但未必精确恰当的物体使用——并提出细化的主张：除了支持精确定位与够取的背侧过程，还存在更高级的过程，支持"貌似合理虽不总正确"的物体操纵与使用；顶叶负责把被注意物体的空间表征变换到动作的运动坐标系（内含机械问题解决），其向运动前皮层（premotor cortex）的输出再翻译成具体的运动计划。文末的致谢之外还有一段重要的自我限定（注释部分）：测验用了实验者自己的物品样本而非病人熟悉的自家版本，且物品孤立呈现而非置于典型情境——Snowden 等已证明自家样本与恰当情境能显著促进这类病人的实物使用；但作者申明这属于另一个问题，并指出他们有不少轶闻例子表明语义痴呆病人在自己家里也会用错自己的熟悉物品。至于顶叶病理病人的失用症，作者认为可以归因于这个被假设的机械问题解决能力的破坏。

一句话总结

这篇文章用两个"镜像"病人把一个纠缠多年的争论干净利落地切成了两半：物品的知识（what）归颞叶，物品的驾驭（how）归顶叶，所谓动作语义未必是个独立的存档，很可能只是机械推理在熟悉物品上的顺带表现。最让我信服的是两位语义病人那种"试误式推出来"的正确使用——它暴露出所谓保留的能力其实是实时的物理推断而非被储存的语义；当然作者自己也承认测验刺激与情境不够生态，这是我作为读者附加的一点保留，但改为：该病例系列呈现有启发性的交叉分离模式，但其脑区因果定位和群体普遍性仍需更大样本及直接神经功能证据验证。