基于 fNIRS 的多語(yǔ)者語(yǔ)言切換神經(jīng)機(jī)制研究
多語(yǔ)者的大腦如何“切換語(yǔ)言”？——基于fNIRS的多語(yǔ)言加工神經(jīng)機(jī)制研究論文
論文概要
在全球化與跨文化交流日益頻繁的背景下，多語(yǔ)使用已成為許多人日常生活的一部分。然而，相較于單語(yǔ)或雙語(yǔ)研究，多語(yǔ)者在不同語(yǔ)言之間進(jìn)行加工與切換時(shí)，大腦如何分配認(rèn)知資源、是否引發(fā)額外的認(rèn)知負(fù)荷，還缺乏系統(tǒng)的神經(jīng)證據(jù)（Calabria et al., 2018；Chung-Fat-Yim et al., 2021）。
研究背景
語(yǔ)言加工的神經(jīng)機(jī)制長(zhǎng)期被認(rèn)為主要依賴(lài)大腦左半球的語(yǔ)言區(qū)域，尤其是左側(cè)前額葉和顳葉（Friederici, 2011）。然而，隨著雙語(yǔ)與多語(yǔ)研究的深入，越來(lái)越多的證據(jù)表明，語(yǔ)言使用不僅依賴(lài)語(yǔ)言系統(tǒng)本身，還涉及執(zhí)行控制、注意資源分配以及對(duì)非目標(biāo)語(yǔ)言的抑制機(jī)制（Abutalebi & Green, 2007）。
對(duì)于多語(yǔ)者而言，不同語(yǔ)言在熟練度、使用頻率與社會(huì)功能上的差異，可能顯著影響語(yǔ)言選擇與加工過(guò)程。尤其是在第二語(yǔ)言或非優(yōu)勢(shì)語(yǔ)言條件下，個(gè)體可能需要投入更多認(rèn)知資源以抑制非目標(biāo)語(yǔ)言，從而引發(fā)更廣泛的腦區(qū)參與。然而，現(xiàn)有研究多依賴(lài)行為數(shù)據(jù)或電生理信號(hào)，多語(yǔ)加工涉及哪些腦區(qū)、呈現(xiàn)怎樣的激活模式，目前仍缺乏系統(tǒng)的神經(jīng)證據(jù)。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——如何考察多語(yǔ)加工？
被試與語(yǔ)言背景
研究共招募 26 名健康成年多語(yǔ)者。所有被試均至少掌握三種語(yǔ)言，包括母語(yǔ)、第一外語(yǔ)（國(guó)家通用語(yǔ)言）及第二外語(yǔ)（英語(yǔ)），并在日常生活中具有穩(wěn)定的多語(yǔ)使用經(jīng)驗(yàn)。
任務(wù)范式：圖片命名任務(wù)
圖片命名任務(wù)（picture naming task）被廣泛用于語(yǔ)言產(chǎn)生與詞匯提取研究（Levelt et al., 1999）。在不同實(shí)驗(yàn)區(qū)塊中，被試被要求僅使用指定語(yǔ)言對(duì)呈現(xiàn)圖片進(jìn)行命名。該設(shè)計(jì)旨在通過(guò)控制語(yǔ)言使用條件，誘發(fā)被試在語(yǔ)言選擇與抑制過(guò)程中的差異，同時(shí)避免復(fù)雜句法與語(yǔ)義推理對(duì)結(jié)果的干擾。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究者使用fNIRS設(shè)備記錄被試前額葉區(qū)域的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，重點(diǎn)分析氧合血紅蛋白（HbO）與脫氧血紅蛋白（HbR）的濃度變化，以反映語(yǔ)言加工相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)。
數(shù)據(jù)采集
實(shí)驗(yàn)采用功能性近紅外光譜成像系統(tǒng)采集前額葉皮層血流動(dòng)力學(xué)信號(hào)，采樣頻率為10.2 Hz。光源與探測(cè)器按照國(guó)際10–20 系統(tǒng)布置，共設(shè)置8個(gè)光源與7個(gè)探測(cè)器，形成覆蓋前額葉區(qū)域的多條測(cè)量通道，源–探測(cè)器間距約為3 cm，如圖3所示。數(shù)據(jù)分析主要聚焦于氧合血紅蛋白（oxy-Hb）信號(hào)，該指標(biāo)在語(yǔ)言任務(wù)中具有較高的信噪比和穩(wěn)定性。
原始信號(hào)預(yù)處理：首先剔除信號(hào)質(zhì)量較差的通道和無(wú)效數(shù)據(jù)片段，隨后對(duì)數(shù)據(jù)施加0.01–0.2 Hz的帶通濾波，以抑制心跳（約1 Hz）、呼吸（約0.3 Hz）以及低頻漂移等生理噪聲。濾波后的光強(qiáng)信號(hào)通過(guò)修正Beer–Lambert定律（MBLL）轉(zhuǎn)換為血紅蛋白濃度變化，得到氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的時(shí)間序列。信號(hào)以靜息區(qū)塊作為基線進(jìn)行校正，并按實(shí)驗(yàn)區(qū)塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行平均處理，以突出任務(wù)誘發(fā)的血流反應(yīng)。
在統(tǒng)計(jì)建模部分，任務(wù)區(qū)塊以boxcar函數(shù)表示，其中靜息狀態(tài)記為0、任務(wù)狀態(tài)記為1，并與經(jīng)典血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)函數(shù)（canonical HRF）進(jìn)行卷積，構(gòu)建理論響應(yīng)曲線。HRF采用雙伽馬函數(shù)模型，參數(shù)設(shè)置為A = 1，α₁ = 6，α₂ = 16，β₁ = β₂ = 1，c = 1/6，用于刻畫(huà)任務(wù)誘發(fā)血流反應(yīng)的時(shí)間特性。隨后，采用線性回歸方法將理論響應(yīng)與各通道實(shí)測(cè) oxy-Hb信號(hào)進(jìn)行擬合，并引入常數(shù)項(xiàng)以校正基線漂移。回歸系數(shù)與其標(biāo)準(zhǔn)誤之比用于計(jì)算 t 值，從而評(píng)估各通道在任務(wù)條件下的統(tǒng)計(jì)顯著性。
圖片命名任務(wù)誘發(fā)穩(wěn)定的前額葉血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)
基于t值方法篩選顯著通道后，結(jié)果顯示，在三種語(yǔ)言條件下，前額葉皮層均出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)顯著的oxy-Hb激活（見(jiàn)圖6）。
前額葉激活呈現(xiàn)雙側(cè)分布，而非單側(cè)優(yōu)勢(shì)
皮層激活t-map顯示，顯著激活不僅分布于左側(cè)前額葉，同時(shí)也穩(wěn)定出現(xiàn)在右側(cè)前額葉區(qū)域，核心顯著激活通道為雙側(cè)的 4、6、12、14、16 通道，其中 4、6、12 為左腦區(qū)域，14、16 為右腦區(qū)域（見(jiàn)圖6）。個(gè)體層面的t-map結(jié)果進(jìn)一步表明，這種右側(cè)前額葉參與并非個(gè)別被試現(xiàn)象，而是在多名被試中反復(fù)出現(xiàn)。
結(jié)論與討論、啟發(fā)與展望
本研究在前額葉皮層右半球區(qū)域識(shí)別出新的激活模式，為傳統(tǒng)語(yǔ)言加工主要依賴(lài)左半球的觀點(diǎn)提供了重要補(bǔ)充。
右側(cè)前額葉皮層在多語(yǔ)加工中顯著參與，其激活主要分布于BA8、BA9、BA10和BA46等區(qū)域。此外，與母語(yǔ)及第一外語(yǔ)相比，第二外語(yǔ)條件下的神經(jīng)反應(yīng)顯著增強(qiáng)，提示不同語(yǔ)言在加工過(guò)程中對(duì)認(rèn)知資源的需求存在差異。
基于健康多語(yǔ)者所呈現(xiàn)的典型激活模式，該研究為后續(xù)從神經(jīng)層面對(duì)語(yǔ)言障礙或腦損傷個(gè)體進(jìn)行對(duì)比分析提供了有價(jià)值的參考。未來(lái)研究可在更大樣本和更多任務(wù)類(lèi)型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化對(duì)多語(yǔ)語(yǔ)言網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)制的理解。
參考文獻(xiàn)
[1] Abutalebi, J., & Green, D. (2007). Bilingual language production: The neurocognition of language representation and control. Journal of neurolinguistics, 20(3), 242-275.
[2] Calabria, M., Costa, A., Green, D. W., & Abutalebi, J. (2018). Neural basis of bilingual language control. Annals of the New York Academy of Sciences, 1426(1), 221-235.
[3] Chung-Fat-Yim, A., Poarch, G. J., Comishen, K. J., & Bialystok, E. (2021). Does language context impact the neural correlates of executive control in monolingual and multilingual young adults?. Brain and Language, 222, 105011.
[4] Friederici, A. D. (2011). The brain basis of language processing: from structure to function. Physiological reviews, 91(4), 1357-1392.
[5] Levelt, W. J., Roelofs, A., & Meyer, A. S. (1999). A theory of lexical access in speech production. Behavioral and brain sciences, 22(1), 1-38.
原文鏈接
Farrukh, F., Nazeer, H., Minhas, H. S., Naseer, N., & Noori, F. M. (2025). Assessing multilingual speakers’ language processing through functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). Behavioural Brain Research, 484, 115485.
https://doi.org/10.1016/j.bbr.2025.115485
研究團(tuán)隊(duì)介紹
該研究由Fizza Farrukh（Air University英語(yǔ)系）、Hammad Nazeer、Hamza Shabbir Minhas、Noman Naseer（Air University機(jī)電與生物醫(yī)學(xué)工程系）及Farzan Majeed Noori（University of Oslo信息學(xué)系）等作者完成。該團(tuán)隊(duì)結(jié)合語(yǔ)言學(xué)與工程技術(shù)從神經(jīng)層面揭示多語(yǔ)加工的認(rèn)知機(jī)制，為多語(yǔ)研究提供了新的方法視角與實(shí)證證據(jù)。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專(zhuān)注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長(zhǎng)期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶(hù)提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶(hù)的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
相關(guān)產(chǎn)品
論文概要
在全球化與跨文化交流日益頻繁的背景下，多語(yǔ)使用已成為許多人日常生活的一部分。然而，相較于單語(yǔ)或雙語(yǔ)研究，多語(yǔ)者在不同語(yǔ)言之間進(jìn)行加工與切換時(shí)，大腦如何分配認(rèn)知資源、是否引發(fā)額外的認(rèn)知負(fù)荷，還缺乏系統(tǒng)的神經(jīng)證據(jù)（Calabria et al., 2018；Chung-Fat-Yim et al., 2021）。
文章信息
研究背景
語(yǔ)言加工的神經(jīng)機(jī)制長(zhǎng)期被認(rèn)為主要依賴(lài)大腦左半球的語(yǔ)言區(qū)域，尤其是左側(cè)前額葉和顳葉（Friederici, 2011）。然而，隨著雙語(yǔ)與多語(yǔ)研究的深入，越來(lái)越多的證據(jù)表明，語(yǔ)言使用不僅依賴(lài)語(yǔ)言系統(tǒng)本身，還涉及執(zhí)行控制、注意資源分配以及對(duì)非目標(biāo)語(yǔ)言的抑制機(jī)制（Abutalebi & Green, 2007）。
對(duì)于多語(yǔ)者而言，不同語(yǔ)言在熟練度、使用頻率與社會(huì)功能上的差異，可能顯著影響語(yǔ)言選擇與加工過(guò)程。尤其是在第二語(yǔ)言或非優(yōu)勢(shì)語(yǔ)言條件下，個(gè)體可能需要投入更多認(rèn)知資源以抑制非目標(biāo)語(yǔ)言，從而引發(fā)更廣泛的腦區(qū)參與。然而，現(xiàn)有研究多依賴(lài)行為數(shù)據(jù)或電生理信號(hào)，多語(yǔ)加工涉及哪些腦區(qū)、呈現(xiàn)怎樣的激活模式，目前仍缺乏系統(tǒng)的神經(jīng)證據(jù)。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——如何考察多語(yǔ)加工？
被試與語(yǔ)言背景
研究共招募 26 名健康成年多語(yǔ)者。所有被試均至少掌握三種語(yǔ)言，包括母語(yǔ)、第一外語(yǔ)（國(guó)家通用語(yǔ)言）及第二外語(yǔ)（英語(yǔ)），并在日常生活中具有穩(wěn)定的多語(yǔ)使用經(jīng)驗(yàn)。
任務(wù)范式：圖片命名任務(wù)
圖片命名任務(wù)（picture naming task）被廣泛用于語(yǔ)言產(chǎn)生與詞匯提取研究（Levelt et al., 1999）。在不同實(shí)驗(yàn)區(qū)塊中，被試被要求僅使用指定語(yǔ)言對(duì)呈現(xiàn)圖片進(jìn)行命名。該設(shè)計(jì)旨在通過(guò)控制語(yǔ)言使用條件，誘發(fā)被試在語(yǔ)言選擇與抑制過(guò)程中的差異，同時(shí)避免復(fù)雜句法與語(yǔ)義推理對(duì)結(jié)果的干擾。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究者使用fNIRS設(shè)備記錄被試前額葉區(qū)域的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，重點(diǎn)分析氧合血紅蛋白（HbO）與脫氧血紅蛋白（HbR）的濃度變化，以反映語(yǔ)言加工相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)。
圖1. 實(shí)驗(yàn)范式與任務(wù)設(shè)計(jì)
圖2. 圖片命名任務(wù)的示例刺激（每位被試共6個(gè)試次，圖片材料與語(yǔ)言提示均有所變化）
數(shù)據(jù)采集
實(shí)驗(yàn)采用功能性近紅外光譜成像系統(tǒng)采集前額葉皮層血流動(dòng)力學(xué)信號(hào)，采樣頻率為10.2 Hz。光源與探測(cè)器按照國(guó)際10–20 系統(tǒng)布置，共設(shè)置8個(gè)光源與7個(gè)探測(cè)器，形成覆蓋前額葉區(qū)域的多條測(cè)量通道，源–探測(cè)器間距約為3 cm，如圖3所示。數(shù)據(jù)分析主要聚焦于氧合血紅蛋白（oxy-Hb）信號(hào)，該指標(biāo)在語(yǔ)言任務(wù)中具有較高的信噪比和穩(wěn)定性。
圖3. 按照國(guó)際10–20系統(tǒng)布置的光源–探測(cè)器位置
圖4. 實(shí)驗(yàn)參與者佩戴fNIRS探頭布局
原始信號(hào)預(yù)處理：首先剔除信號(hào)質(zhì)量較差的通道和無(wú)效數(shù)據(jù)片段，隨后對(duì)數(shù)據(jù)施加0.01–0.2 Hz的帶通濾波，以抑制心跳（約1 Hz）、呼吸（約0.3 Hz）以及低頻漂移等生理噪聲。濾波后的光強(qiáng)信號(hào)通過(guò)修正Beer–Lambert定律（MBLL）轉(zhuǎn)換為血紅蛋白濃度變化，得到氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的時(shí)間序列。信號(hào)以靜息區(qū)塊作為基線進(jìn)行校正，并按實(shí)驗(yàn)區(qū)塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行平均處理，以突出任務(wù)誘發(fā)的血流反應(yīng)。
在統(tǒng)計(jì)建模部分，任務(wù)區(qū)塊以boxcar函數(shù)表示，其中靜息狀態(tài)記為0、任務(wù)狀態(tài)記為1，并與經(jīng)典血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)函數(shù)（canonical HRF）進(jìn)行卷積，構(gòu)建理論響應(yīng)曲線。HRF采用雙伽馬函數(shù)模型，參數(shù)設(shè)置為A = 1，α₁ = 6，α₂ = 16，β₁ = β₂ = 1，c = 1/6，用于刻畫(huà)任務(wù)誘發(fā)血流反應(yīng)的時(shí)間特性。隨后，采用線性回歸方法將理論響應(yīng)與各通道實(shí)測(cè) oxy-Hb信號(hào)進(jìn)行擬合，并引入常數(shù)項(xiàng)以校正基線漂移。回歸系數(shù)與其標(biāo)準(zhǔn)誤之比用于計(jì)算 t 值，從而評(píng)估各通道在任務(wù)條件下的統(tǒng)計(jì)顯著性。
圖5. 基于t值方法的分步分析流程
研究結(jié)果解析 圖片命名任務(wù)誘發(fā)穩(wěn)定的前額葉血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)
基于t值方法篩選顯著通道后，結(jié)果顯示，在三種語(yǔ)言條件下，前額葉皮層均出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)顯著的oxy-Hb激活（見(jiàn)圖6）。
圖6. 三名不同被試的氧合血紅蛋白（oxy-Hb）信號(hào)皮層激活模式t-map，Language1，Language2，Language3分別為母語(yǔ)，烏爾都語(yǔ)（第一外語(yǔ)）和英語(yǔ)（第二外語(yǔ)）
與母語(yǔ)和第一外語(yǔ)相比，英語(yǔ)（第二外語(yǔ)）條件下顯著激活通道數(shù)量更多（見(jiàn)圖6和圖7），且t值整體更高（見(jiàn)圖6和圖7）。圖7. 各語(yǔ)言條件下，前額葉皮層氧合血紅蛋白（oxy-Hb）濃度的變化Language1，Language2，Language3分別為母語(yǔ)，烏爾都語(yǔ)（第一外語(yǔ)）和英語(yǔ)（第二外語(yǔ)）
圖8. 各語(yǔ)言條件下t值分布圖，Language1，Language2，Language3分別為母語(yǔ)，烏爾都語(yǔ)（第一外語(yǔ)）和英語(yǔ)（第二外語(yǔ)）
圖9. 所有被試顯著激活通道數(shù)，Language1，Language2，Language3分別為母語(yǔ)，烏爾都語(yǔ)（第一外語(yǔ)）和英語(yǔ)（第二外語(yǔ)）
前額葉激活呈現(xiàn)雙側(cè)分布，而非單側(cè)優(yōu)勢(shì)
皮層激活t-map顯示，顯著激活不僅分布于左側(cè)前額葉，同時(shí)也穩(wěn)定出現(xiàn)在右側(cè)前額葉區(qū)域，核心顯著激活通道為雙側(cè)的 4、6、12、14、16 通道，其中 4、6、12 為左腦區(qū)域，14、16 為右腦區(qū)域（見(jiàn)圖6）。個(gè)體層面的t-map結(jié)果進(jìn)一步表明，這種右側(cè)前額葉參與并非個(gè)別被試現(xiàn)象，而是在多名被試中反復(fù)出現(xiàn)。
結(jié)論與討論、啟發(fā)與展望
本研究在前額葉皮層右半球區(qū)域識(shí)別出新的激活模式，為傳統(tǒng)語(yǔ)言加工主要依賴(lài)左半球的觀點(diǎn)提供了重要補(bǔ)充。
右側(cè)前額葉皮層在多語(yǔ)加工中顯著參與，其激活主要分布于BA8、BA9、BA10和BA46等區(qū)域。此外，與母語(yǔ)及第一外語(yǔ)相比，第二外語(yǔ)條件下的神經(jīng)反應(yīng)顯著增強(qiáng)，提示不同語(yǔ)言在加工過(guò)程中對(duì)認(rèn)知資源的需求存在差異。
基于健康多語(yǔ)者所呈現(xiàn)的典型激活模式，該研究為后續(xù)從神經(jīng)層面對(duì)語(yǔ)言障礙或腦損傷個(gè)體進(jìn)行對(duì)比分析提供了有價(jià)值的參考。未來(lái)研究可在更大樣本和更多任務(wù)類(lèi)型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化對(duì)多語(yǔ)語(yǔ)言網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)制的理解。
參考文獻(xiàn)
[1] Abutalebi, J., & Green, D. (2007). Bilingual language production: The neurocognition of language representation and control. Journal of neurolinguistics, 20(3), 242-275.
[2] Calabria, M., Costa, A., Green, D. W., & Abutalebi, J. (2018). Neural basis of bilingual language control. Annals of the New York Academy of Sciences, 1426(1), 221-235.
[3] Chung-Fat-Yim, A., Poarch, G. J., Comishen, K. J., & Bialystok, E. (2021). Does language context impact the neural correlates of executive control in monolingual and multilingual young adults?. Brain and Language, 222, 105011.
[4] Friederici, A. D. (2011). The brain basis of language processing: from structure to function. Physiological reviews, 91(4), 1357-1392.
[5] Levelt, W. J., Roelofs, A., & Meyer, A. S. (1999). A theory of lexical access in speech production. Behavioral and brain sciences, 22(1), 1-38.
原文鏈接
Farrukh, F., Nazeer, H., Minhas, H. S., Naseer, N., & Noori, F. M. (2025). Assessing multilingual speakers’ language processing through functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). Behavioural Brain Research, 484, 115485.
https://doi.org/10.1016/j.bbr.2025.115485
研究團(tuán)隊(duì)介紹
該研究由Fizza Farrukh（Air University英語(yǔ)系）、Hammad Nazeer、Hamza Shabbir Minhas、Noman Naseer（Air University機(jī)電與生物醫(yī)學(xué)工程系）及Farzan Majeed Noori（University of Oslo信息學(xué)系）等作者完成。該團(tuán)隊(duì)結(jié)合語(yǔ)言學(xué)與工程技術(shù)從神經(jīng)層面揭示多語(yǔ)加工的認(rèn)知機(jī)制，為多語(yǔ)研究提供了新的方法視角與實(shí)證證據(jù)。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專(zhuān)注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長(zhǎng)期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶(hù)提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶(hù)的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
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