Age-Related Differences in Sentence Processing as a Function of Canonicity and Syntactic Ambiguity

Abstract

As the aging population increases rapidly, age-related changes in language processing have been a central issue in research. The traditional perspective on age-related changes has been that linguistic ability is relatively well-preserved in old age whereas the cognitive abilities such as learning and speedy processing decline by age (Horn, 2012). In more recent studies, age-related deficits have been reported in several types of language processing such as encoding new information, detecting semantic and syntactic anomalies, and processing syntactically complex sentences as well as word retrieval (Burk & Mackay, 1997; Ryan et al., 1992; Zurif et al., 1995; Caplan et al., 2011; Stine-Morrow et al., 2000). Also, as the advancement of technology enabled observing real-time processing which focuses on initial comprehension rather than encoding or recall, the cognitive mechanism underlying language processing in old age has received more attention. The studies using event-related potentials (ERPs) with a very sensitive time resolution on real-time language processing have introduced various ERP components associated with different language domains such as phonology, semantics, and syntax (Erwin, 1986). Especially, ERP studies on age-related differences in language processing have reported relatively consistent aging-associated patterns such as lower amplitude and delayed latency. However, there are few ERP studies of syntactic processing of elderly adults and even less of Korean sentence processing. With regard to syntactic processing, canonicity is one of the critical issues even on free word-order languages. A number of studies of canonicity effects on sentence comprehension have revealed that a non-canonical sentence is processed with a higher processing load, compared to a canonical sentence (Koizumi et al., 2014; Erodica et al., 2009; Pritchett & Whitman, 1995). ERP studies on canonicity effects have shown that particular ERP components, such as left anterior negativity (LAN), sustained anterior negativity (SAN) and early or late positivity, are associated with the processing of non-canonical sentences (Rösler et al., 1998; Matzke et al., 2002; Erodica et al., 2009; Hagiwara et al., 2007; Kluender & Kutas, 1993; King & Kutas, 1995). However, it is not clear whether the similar components would emerge during Korean sentence processing and how the canonicity effects would be affected by aging. Under the non-canonical structures in Korean which permits case marker omission, sentences imposing additional processing loads could be created through case marker deletion. When the parser processes an ambiguous non-canonical sentence with an unmarked noun phrase, the first processing based on the simplest structure(Osterhout, et al., 1994; Frazier & Fodor, 1978; Ferreira & Henderson, 1991), i.e. canonical word order in this case, should be revised when the parser finds that the sentence follows a non-canonical word order. In this process more cognitive processing loads are known to be required (Lee & Federmeier, 2012; MacDonald et al., 1994; Hagoort & Brown, 1994; Frazier & Rayner, 1982). The ERP research on syntactic ambiguity resolution has revealed that this syntactic processing are related to a particular ERP component, P600/SPS (syntactic positive shift) (Osterhout & Holcomb, 1992; Kaan & Swaab, 2003; Matzke et al., 2002; Frisch et al., 2002; Erodica et al., 2009). However, since most studies on ambiguity resolution were conducted on languages such as English or German, more studies on different languages are required to demonstrate whether these components are the reflections of language-specific features or the results of general cognitive processing. Furthermore, investigating whether ambiguity resolution occurs with significant difference by age will provide critical information on age-related changes in sentence processing. In this regard, the present study investigated age-related differences in sentence processing as a function of canonicity and syntactic ambiguity. A total of 39 adults composed of twenty younger adults (14 women and 6 men, mean age=27.65, SD=5.28) and nineteen older adults (14 women and 5 men, mean age=65.42, SD=2.38) participated in the present study. They performed a sentence comprehension task while the electroencephalogram (EEG) was recorded. To investigate canonicity effects on sentence processing, 15 unambiguous sentences composed of 4 phrases such as a noun phrase 1, an adverbial phrase, a noun phrase 2, and a verb were presented for each canonical and non-canonical condition. For the analysis of syntactic ambiguity resolution, 15 sentences with the same structure but no case marker in NP1 were provided for each canonical and non-canonical condition. The behavioral and ERP data analyses were conducted. The results showed that for the behavioral performance, there was a significant main effect for group in only reaction time for both unambiguous and ambiguous sentence processing, suggesting slower reaction time for the old group, regardless of canonicity. With respect to ERP data for the unambiguous sentence processing, for NP1 a significant interaction among group, canonicity and laterality was obtained, showing greater negativities in left hemisphere for the young group and greater negativity in right hemisphere for the elderly group in the 100-200ms time window for the non-canonical condition. Also, a significant main effect for canonicity derived from the LAN component was obtained in the 200-400ms time window for the young group and significant interactions between canonicity and anteriority were found in the 400-600ms time window for the elderly group and in the 600-800ms time window for both groups during non-canonical sentence processing. For NP2, the results revealed a significant interaction among canonicity, laterality, and anteriority induced by a greater left-posterior negativity and positivities in the other regions in the 200-400ms time window for the non-canonical condition, a significant main effect for canonicity elicited by a larger positivity in the 400-600ms time window for the non-canonical condition, and a significant interaction between canonicity and anteriority derived from greater anterior negativities in the 600-800ms time window for the non-canonical condition. With respect to ambiguous sentence processing, a significant main effect for canonicity engendered by greater negativities for the non-canonical condition was obtained in the 100-200ms time window in NP2. Also, regarding the syntactic positivities derived from the revision process for syntactic ambiguity, the results revealed a significant interaction between canonicity and group driven by a greater positivity for the young group in the 200-400 time window for the non-canonical condition. In the 400-600ms time window, there were two significant main effects for group and for canonicity, demonstrating that the young group showed significantly greater positivities than the elderly group, and the non-canonical condition engendered significantly greater positivities compared to the canonical condition. There was a significant interaction among canonicity, laterality and anteriority engendered by greater positivities dominant in the right hemisphere and posterior regions. The results for the 600-800ms time window revealed a significant interaction between canonicity and anteriority induced by greater positivities in the posterior regions for the non-canonical condition and a significant interaction among group, canonicity, laterality, and anteriority driven by a greater positivity in the right-posterior region for the older group during non-canonical sentence processing. In conclusion, the present study attested that the ERP components associated with non-canonical sentence processing and syntactic ambiguity resolution, such as LAN and P600/SPS, were elicited in Korean sentence processing as well. Also, there were age differences in amplitude, latency, and topographical distribution during sentence processing as a function of canonicity and syntactic ambiguity. The results suggested that the syntactic anomaly derived from case marker deletion was less detected by elderly adults, and they were also less and later involved in syntactic analysis compared to younger adults.;노년층 인구가 급속도로 증가함에 따라 노화에 따른 언어처리 능력의 변화는 관련 연구에서 중심 주제가 되어 왔다. 노화가 진행되면서 학습이나 빠른 정보 처리와 같은 인지 기능은 저하되나 언어 처리 능력은 비교적 잘 보존된다는 전통적인 관점(Horn, 2012)과는 다르게 많은 연구들이 노년층의 낱말 인출에 있어서의 어려움뿐만 아니라 의미적, 통사적 오류 탐지나, 통사적으로 복잡한 문장 처리에 관한 수행력 저하를 보고하고 있다 (Burk & Mackay, 1997; Zurif et al., 1995; Caplan et al., 2011; Stine-Morrow et al., 2000). 또한 기술의 발달로 실시간 문장 처리의 분석이 가능해짐에 따라 노년층의 언어 처리 기저에 있는 메커니즘에 대한 관심이 증가하고 있다. 사건관련전위 (Event-related potentials; 이하 ERP)를 이용한 노년층의 문장처리에 관한 연구에 따르면 노년층의 ERP 성분은 청년층에 비해 상대적으로 더 낮은 진폭과 지연된 성분 출현 시각을 보인다고 한다. 그러나 노년층과 청년층의 실시간 언어처리에 있어서 ERP 성분 패턴의 차이가 보고되고 있음에도 불구하고 노년층의 문장 처리에 대한 연구는 많지 않은 실정이며, 한국어 문장 처리에 대한 연구는 더욱 찾아보기 힘든 실정이다. 문장의 통사적 처리와 관련하여 전형성 효과는 어순이 비교적 자유로운 언어에 관한 연구들에서 흥미 있는 주제로 다루어져 왔다. 관련 연구에 따르면 비전형적인 문장 처리는 전형적인 문장 처리에 비해 인지적인 처리 부담이 더욱 높은 것으로 보고되었으며 (Koizumi et al., 2014; Erodica et al., 2009; Pritchett and Whitman, 1995), ERP 연구에서도 비전형적 문장처리는 좌전방 부적전위 (left anterior negativity; LAN), 지속된 전방 부적 전위 (sustained anterior negativity; SAN), 이른 또는 늦은 정적 전위 (early or late positivity)와 같은 특정 성분으로 나타난다고 보고되고 있다 (Rösler et al., 1998; Matzke et al., 2002; Erodica et al., 2009; Hagiwara et al., 2007; Kluender & Kutas, 1993; King & Kutas, 1995). 그러나 한국어의 경우 어순이 비교적 자유롭고 비전형적인 문장의 사용 빈도가 높음에도 불구하고 문장의 전형성 효과에 대한 ERP 연구는 거의 없는 실정이며, 특히 노화에 따른 전형성의 효과에 대한 연구는 더욱 찾아보기 힘든 실정이다. 또한 한국어의 경우 격조사가 생략될 수 있다는 특징으로 인해 비전형적인 문장에서 처리 상의 부담을 더욱 가중시키는 문장의 형성이 가능하다. 격조사가 없는 명사구가 있을 경우 통사적 분석은 전형적인 어순에 근거하여 이루어지는데 (Osterhout, et al., 1994; Frazier & Fodor, 1978; Ferreira & Henderson,1991), 비전형적인 문장의 경우 이러한 전형적 어순에 근거한 처리가 수정 되는 과정이 요구되며 이 과정에서 인지적인 처리의 부담이 증가된다. 지금까지 중의성이 해결되는 과정에 관한 ERP 연구들은 P600/SPS (Syntactic Positive Shift) 성분을 보고하였다 (Osterhout & Holcomb, 1992; Kaan & Swaab, 2003; Matzke et al., 2002; Frisch et al., 2002; Erodica et al., 2009). 그러나 이러한 연구들의 대부분은 영어나 독일어를 대상으로 이루어졌기 때문에 보고된 성분들이 언어 보편적으로 나타나는 인지적 처리의 결과물인지 개별 언어의 특징이 반영된 결과인지를 밝히기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다. 또한 인지적 부담이 증가한다고 보고된 중의성 해결이 노년층의 언어처리에서는 어떻게 나타나는지에 대한 연구는 거의 없다. 따라서 본 연구는 청년층과 노년층을 대상으로 한국어의 전형적 어순의 문장과 비전형적 어순의 문장 처리시 나타나는 ERP 성분을 비교하고, 이러한 전형성의 효과가 격조사가 없는 중의적인 문장의 처리에서는 어떻게 나타나는지를 비교해보고자 한다. 본 연구에 참여한 대상자는 정상 청년 20명, 정상 노년 19명으로 총 39명이 실험에 참여하였다. 실험자극은 명사구1 + 부사구 + 명사구2 + 동사로 이루어진 4 어절 문장으로, 먼저 전형성 효과를 비교하기 위해 전형적인 어순과 비전형적인 어순을 따르는 두 유형의 문장을 제시하였다. 또한 중의적인 문장에서의 전형성 효과를 비교하기 위해 첫 번째 명사구의 격조사가 생략된 상태의 전형성에 따른 두 종류의 문장 유형을 제시하였다. 실험 과제로는 문장 이해과제를 실시하여 정반응률과 반응시간을 측정하였으며, 과제를 수행하는 동안 ERP를 녹화하여 구간별 평균 진폭에 있어서의 그룹 간 차이를 분석하였다. 행동 데이터 분석 결과, 정반응률에 대해서는 전형성 및 중의성 조건에 따른 그룹 간 차이가 유의하지 않았으며, 반응 시간에 있어서는 전형성 및 중의성의 유무와 관계 없이 노년층의 반응 속도가 청년층에 비해 유의하게 느린 것으로 나타났다. ERP 데이터 분석 결과, 중의성이 없는 문장의 경우 비전형적인 문장 처리와 관련하여 첫 번째 및 두 번째 명사구에서 LAN 효과가 관찰되었다. 비전형적인 문장의 첫 번째 명사구의 경우, 청년층은 200-400ms, 600-800ms 구간에서, 노년층은 400-600ms, 600-800ms 구간에서 LAN 효과가 관찰되었고, 노년층의 경우, LAN 효과가 더 늦은 시간 구간부터 시작되며 더 낮은 진폭의 파형으로 나타났다. 두 번째 명사구의 경우, 400-600ms 구간에서 더 큰 정적 성분의 파장이 비전형적인 문장에서 관찰되었으며, 600-800ms 구간에서는 전방에서 나타나는 더 큰 부적 전위가 비전형적인 문장에서 관찰되었다. 중의적인 문장의 처리 과정에서 나타난 전형성 효과를 분석한 결과, 중의성이 해결되는 두 번째 명사구에서 P600/SPS 성분이 관찰되었다. P600/SPS 성분은 200-400ms 구간부터 나타나 600-800ms까지 이어졌으며 후방에서 그 패턴이 더욱 분명하게 나타났다. 또한 P600/SPS 효과는 청년층에서 더 빠르게 등장하였고, 청년층에 비해 노년층의 평균 진폭이 유의하게 낮은 것으로 나타났으며, 전형적인 문장에 비해 비전형적인 문장에서 그 진폭이 유의하게 높은 것으로 나타났다. 또한 청년층의 경우 초반 통사적 처리와 관련된 ELAN 성분이 100-200ms 구간에서 뚜렷하게 나타났다. 결론적으로 본 연구는 비전형적 문장 처리에서 나타난다고 보고된 LAN 성분과 중의성을 띄는 문장에서 나타난다고 보고된 P600/SPS 성분이 한국어의 비전형적인 문장과 중의적인 문장에서도 나타난다는 것을 보여주었다. 또한 LAN 성분과P600/SPS 성분의 출현 시각 및 진폭, 영역 분포에 있어서 노년층과 청년층의 차이를 보여주었다. 이는 통사적 처리 과정에 있어서 청년층에 비해 노년층이 통사적 처리에 개입하는 속도가 느리며, 청년층에 비해 통사적 처리 자체에 더 적은 인지적인 노력을 기울이는 것을 시사한다.