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利用腦電技術(shù)探索語言轉(zhuǎn)換情境對(duì)領(lǐng)域一般性認(rèn)知控制的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制
雙語認(rèn)知優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵：不是切換頻率，是切換類型
引言/背景介紹
雙語者在日常交流中頻繁切換語言，這種轉(zhuǎn)換可能涉及外部線索（強(qiáng)制轉(zhuǎn)換）、自主選擇（自愿轉(zhuǎn)換）或文化偏好（自然轉(zhuǎn)換），其背后的認(rèn)知控制機(jī)制存在差異。先前研究多聚焦于語言環(huán)境對(duì)認(rèn)知控制的靜態(tài)影響，結(jié)果并不一致，尤其缺乏對(duì)不同轉(zhuǎn)換情境動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用的直接比較。為探究強(qiáng)制、自愿和自然三種轉(zhuǎn)換情境如何動(dòng)態(tài)影響領(lǐng)域一般性認(rèn)知控制，本研究結(jié)合腦電技術(shù)與跨任務(wù)范式，考察中英不平衡雙語者在完成交錯(cuò)進(jìn)行的語言轉(zhuǎn)換任務(wù)與Flanker任務(wù)時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)。通過分析行為數(shù)據(jù)、事件相關(guān)電位及構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，旨在揭示語言控制與一般認(rèn)知控制之間的動(dòng)態(tài)適應(yīng)關(guān)系，深化對(duì)雙語認(rèn)知優(yōu)勢(shì)情境依賴性的理解。
文章信息
論文概要
近日，北京師范大學(xué)心理學(xué)部研究團(tuán)隊(duì)利用腦電技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)方法，系統(tǒng)探索了不同語言轉(zhuǎn)換情境對(duì)領(lǐng)域一般性認(rèn)知控制的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制。研究成果發(fā)表于Psychophysiology，題為《The dynamic influence of language-switching contexts on domain-general cognitive control: An EEG study》。該研究通過采集29名中英不平衡雙語者在完成交錯(cuò)進(jìn)行的圖片命名與Flanker任務(wù)時(shí)的腦電數(shù)據(jù)，比較了強(qiáng)制轉(zhuǎn)換、自愿轉(zhuǎn)換和自然轉(zhuǎn)換三種情境在行為表現(xiàn)、事件相關(guān)電位（P3成分）及腦-腦預(yù)測(cè)關(guān)系上的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在所有情境中，強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的特征最為突出：僅在該情境下出現(xiàn)了反向Flanker效應(yīng)（一致試次P3波幅大于不一致試次），且其不一致試次的P3波幅顯著小于其他情境。此外，基于嶺回歸模型的預(yù)測(cè)分析表明，僅強(qiáng)制轉(zhuǎn)換情境的語言加工神經(jīng)活動(dòng)能夠有效預(yù)測(cè)后續(xù)認(rèn)知任務(wù)的腦電響應(yīng)，且該預(yù)測(cè)結(jié)果與行為表現(xiàn)存在顯著關(guān)聯(lián)。這一工作不僅揭示了語言控制向認(rèn)知控制動(dòng)態(tài)適應(yīng)的情境特異性模式，還為理解雙語經(jīng)驗(yàn)如何靈活調(diào)節(jié)領(lǐng)域一般性執(zhí)行功能提供了關(guān)鍵的神經(jīng)證據(jù)。
研究方法
本研究共納入29名以漢語為母語、英語為第二語言的中英不平衡雙語者（10名男性，19名女性，平均年齡22.66歲）。研究采用交叉任務(wù)范式（見圖1），將圖片命名任務(wù)與Flanker任務(wù)交錯(cuò)進(jìn)行，以探究在不同語言轉(zhuǎn)換情境下語言控制對(duì)領(lǐng)域一般性認(rèn)知控制的動(dòng)態(tài)影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了三種語言轉(zhuǎn)換情境：
強(qiáng)制轉(zhuǎn)換：依據(jù)顏色線索指示命名語言（紅 / 藍(lán)對(duì)應(yīng)不同語言）
自愿轉(zhuǎn)換：紅藍(lán)拼接線索，由參與者自由選擇命名語言
自然轉(zhuǎn)換：命名具有明顯語言偏向的圖片，如“Wifi”或“粽子”。
Flanker任務(wù)包含一致（所有箭頭方向相同）與不一致（中心箭頭方向與兩側(cè)箭頭相反）兩種試次類型。整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程共包含6個(gè)任務(wù)區(qū)塊（每種轉(zhuǎn)換情境各2個(gè)區(qū)塊），共計(jì)684個(gè)試次，區(qū)塊順序在被試間平衡。
研究使用64導(dǎo)聯(lián)腦電系統(tǒng)連續(xù)記錄腦電活動(dòng)，采樣率為1000 Hz。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括降采樣至500 Hz、0.1-30 Hz帶通濾波、雙側(cè)乳突重參考，并采用獨(dú)立成分分析去除眼動(dòng)等偽跡。以Flanker刺激呈現(xiàn)為0點(diǎn)，提取-200至800 ms的腦電片段，重點(diǎn)分析中央-頂葉和頂葉區(qū)域在N1（120-220 ms）和P3（350-450 ms）時(shí)間窗口的平均波幅。
行為數(shù)據(jù)分析采用線性混合效應(yīng)模型，以情境類型、命名試次切換類型和Flanker類型作為固定效應(yīng)。為進(jìn)一步探究語言加工對(duì)認(rèn)知控制的神經(jīng)預(yù)測(cè)關(guān)系，研究構(gòu)建了正則化嶺回歸模型，將前序命名試次的腦電活動(dòng)作為自變量，預(yù)測(cè)后續(xù)Flanker試次的神經(jīng)響應(yīng)。最后通過規(guī)格曲線分析框架，系統(tǒng)檢驗(yàn)了實(shí)際腦電活動(dòng)、模型預(yù)測(cè)值及語言能力變量與行為反應(yīng)時(shí)的關(guān)聯(lián)模式，采用1000次自助抽樣評(píng)估結(jié)果的統(tǒng)計(jì)穩(wěn)健性。該多方法聯(lián)用的設(shè)計(jì)旨在從行為、神經(jīng)響應(yīng)和預(yù)測(cè)關(guān)系三個(gè)層面揭示語言-認(rèn)知?jiǎng)討B(tài)適應(yīng)的機(jī)制。
主要結(jié)果
本研究通過腦電（EEG）記錄與機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型，結(jié)合試次間分析，系統(tǒng)考察了強(qiáng)制、自主和自然三種語言切換語境對(duì)領(lǐng)域一般性認(rèn)知控制的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用。
圖2展示了被試在三種切換語境下的行為表現(xiàn)（正確率Accuracy與反應(yīng)時(shí)RT），結(jié)果表明三種語境在行為水平上未產(chǎn)生顯著差異，確認(rèn)了基本認(rèn)知負(fù)荷的等同性，為后續(xù)神經(jīng)層面的特異發(fā)現(xiàn)提供了對(duì)照基礎(chǔ)。
圖3 的ERP分析揭示了神經(jīng)加工層面的關(guān)鍵語境差異：圖 3a 和圖 3b 展示了在中央頂區(qū)和頂區(qū)電極上，三種切換情境下與刺激起始時(shí)間同步的總平均波形。圖3c 顯示，自然切換語境下轉(zhuǎn)換-不一致試次的早期注意（N1成分）投入顯著弱于強(qiáng)制與自主切換語境；而典型的沖突相關(guān)早期注意力增強(qiáng)僅在強(qiáng)制切換語境中出現(xiàn)。圖3d 進(jìn)一步表明，僅在強(qiáng)制切換語境中出現(xiàn)了非典型的反向Flanker效應(yīng)（P3成分上一致試次振幅大于不一致試次），且其沖突試次（不一致）的P3振幅顯著低于自然與自主切換語境。
圖4a 的嶺回歸預(yù)測(cè)模型結(jié)果證實(shí)，語言控制與一般認(rèn)知控制的神經(jīng)關(guān)聯(lián)具有高度語境選擇性。表1具體量化了這一差異：強(qiáng)制切換語境對(duì)一致和不一致試次的預(yù)測(cè)強(qiáng)度（r值）均顯著高于自然與自主切換語境（所有比較 t > 30.96, p < .001），凸顯了其預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)的絕對(duì)性和魯棒性。
表1. 三種切換情境下嶺回歸模型系數(shù)的計(jì)劃對(duì)比
圖4b 的規(guī)格曲線分析進(jìn)一步將這種神經(jīng)預(yù)測(cè)力與行為關(guān)聯(lián)起來。表2顯示，僅在強(qiáng)制切換語境中，模型預(yù)測(cè)值（Forced_pv）與一致試次反應(yīng)時(shí)存在顯著正相關(guān)（中位數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù) β = 29.32, p < .001），且在全部9個(gè)模型設(shè)定中有6個(gè)呈現(xiàn)顯著正關(guān)聯(lián)；而其他語境或使用實(shí)際腦電值作為預(yù)測(cè)因子時(shí)，均未發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的顯著關(guān)系。
表2. 一致試次規(guī)格曲線分析的自助抽樣結(jié)果
結(jié)論與討論
本研究通過對(duì)比不同語言切換語境，確立了強(qiáng)制切換在雙語認(rèn)知控制動(dòng)態(tài)適應(yīng)中的核心作用。研究發(fā)現(xiàn)，僅在該語境下會(huì)引發(fā)非典型神經(jīng)模式（反向Flanker效應(yīng)），且語言與認(rèn)知控制腦活動(dòng)呈現(xiàn)穩(wěn)健耦合�；诖藰�(gòu)建的預(yù)測(cè)模型成功揭示了跨領(lǐng)域控制的腦-腦及腦-行為關(guān)聯(lián)。
這項(xiàng)工作驗(yàn)證了語境特異性是雙語認(rèn)知優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)變量，并通過多方法融合構(gòu)建了從神經(jīng)機(jī)制探測(cè)到行為預(yù)測(cè)的完整分析路徑。隨著生態(tài)化研究的發(fā)展，該成果推動(dòng)雙語認(rèn)知研究從靜態(tài)優(yōu)勢(shì)論證轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)機(jī)制探索，為揭示語言與認(rèn)知控制的交互邊界提供了新范式。
原文信息鏈接
Liu D, Meng Y, Liu L, et al. The dynamic influence of language‐switching contexts on domain‐general cognitive control: An EEG study[J]. Psychophysiology, 2025, 62(2): e14736.
DOI: 10.1111/psyp.14736
主要作者及研究單位
本文作者為Dongxue Liu、Yujie Meng、Linyan Liu、 Shuang Liu均來自北京師范大學(xué)，John W. Schwieter來自麥克馬斯特大學(xué)。
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。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(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，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
相關(guān)產(chǎn)品
引言/背景介紹
雙語者在日常交流中頻繁切換語言，這種轉(zhuǎn)換可能涉及外部線索（強(qiáng)制轉(zhuǎn)換）、自主選擇（自愿轉(zhuǎn)換）或文化偏好（自然轉(zhuǎn)換），其背后的認(rèn)知控制機(jī)制存在差異。先前研究多聚焦于語言環(huán)境對(duì)認(rèn)知控制的靜態(tài)影響，結(jié)果并不一致，尤其缺乏對(duì)不同轉(zhuǎn)換情境動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用的直接比較。為探究強(qiáng)制、自愿和自然三種轉(zhuǎn)換情境如何動(dòng)態(tài)影響領(lǐng)域一般性認(rèn)知控制，本研究結(jié)合腦電技術(shù)與跨任務(wù)范式，考察中英不平衡雙語者在完成交錯(cuò)進(jìn)行的語言轉(zhuǎn)換任務(wù)與Flanker任務(wù)時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)。通過分析行為數(shù)據(jù)、事件相關(guān)電位及構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，旨在揭示語言控制與一般認(rèn)知控制之間的動(dòng)態(tài)適應(yīng)關(guān)系，深化對(duì)雙語認(rèn)知優(yōu)勢(shì)情境依賴性的理解。
文章信息
論文概要
近日，北京師范大學(xué)心理學(xué)部研究團(tuán)隊(duì)利用腦電技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)方法，系統(tǒng)探索了不同語言轉(zhuǎn)換情境對(duì)領(lǐng)域一般性認(rèn)知控制的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制。研究成果發(fā)表于Psychophysiology，題為《The dynamic influence of language-switching contexts on domain-general cognitive control: An EEG study》。該研究通過采集29名中英不平衡雙語者在完成交錯(cuò)進(jìn)行的圖片命名與Flanker任務(wù)時(shí)的腦電數(shù)據(jù)，比較了強(qiáng)制轉(zhuǎn)換、自愿轉(zhuǎn)換和自然轉(zhuǎn)換三種情境在行為表現(xiàn)、事件相關(guān)電位（P3成分）及腦-腦預(yù)測(cè)關(guān)系上的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在所有情境中，強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的特征最為突出：僅在該情境下出現(xiàn)了反向Flanker效應(yīng)（一致試次P3波幅大于不一致試次），且其不一致試次的P3波幅顯著小于其他情境。此外，基于嶺回歸模型的預(yù)測(cè)分析表明，僅強(qiáng)制轉(zhuǎn)換情境的語言加工神經(jīng)活動(dòng)能夠有效預(yù)測(cè)后續(xù)認(rèn)知任務(wù)的腦電響應(yīng)，且該預(yù)測(cè)結(jié)果與行為表現(xiàn)存在顯著關(guān)聯(lián)。這一工作不僅揭示了語言控制向認(rèn)知控制動(dòng)態(tài)適應(yīng)的情境特異性模式，還為理解雙語經(jīng)驗(yàn)如何靈活調(diào)節(jié)領(lǐng)域一般性執(zhí)行功能提供了關(guān)鍵的神經(jīng)證據(jù)。
研究方法
本研究共納入29名以漢語為母語、英語為第二語言的中英不平衡雙語者（10名男性，19名女性，平均年齡22.66歲）。研究采用交叉任務(wù)范式（見圖1），將圖片命名任務(wù)與Flanker任務(wù)交錯(cuò)進(jìn)行，以探究在不同語言轉(zhuǎn)換情境下語言控制對(duì)領(lǐng)域一般性認(rèn)知控制的動(dòng)態(tài)影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了三種語言轉(zhuǎn)換情境：
強(qiáng)制轉(zhuǎn)換：依據(jù)顏色線索指示命名語言（紅 / 藍(lán)對(duì)應(yīng)不同語言）
自愿轉(zhuǎn)換：紅藍(lán)拼接線索，由參與者自由選擇命名語言
自然轉(zhuǎn)換：命名具有明顯語言偏向的圖片，如“Wifi”或“粽子”。
Flanker任務(wù)包含一致（所有箭頭方向相同）與不一致（中心箭頭方向與兩側(cè)箭頭相反）兩種試次類型。整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程共包含6個(gè)任務(wù)區(qū)塊（每種轉(zhuǎn)換情境各2個(gè)區(qū)塊），共計(jì)684個(gè)試次，區(qū)塊順序在被試間平衡。
圖1. 跨任務(wù)試次結(jié)構(gòu)（上圖）與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（下圖）
研究使用64導(dǎo)聯(lián)腦電系統(tǒng)連續(xù)記錄腦電活動(dòng)，采樣率為1000 Hz。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括降采樣至500 Hz、0.1-30 Hz帶通濾波、雙側(cè)乳突重參考，并采用獨(dú)立成分分析去除眼動(dòng)等偽跡。以Flanker刺激呈現(xiàn)為0點(diǎn)，提取-200至800 ms的腦電片段，重點(diǎn)分析中央-頂葉和頂葉區(qū)域在N1（120-220 ms）和P3（350-450 ms）時(shí)間窗口的平均波幅。
行為數(shù)據(jù)分析采用線性混合效應(yīng)模型，以情境類型、命名試次切換類型和Flanker類型作為固定效應(yīng)。為進(jìn)一步探究語言加工對(duì)認(rèn)知控制的神經(jīng)預(yù)測(cè)關(guān)系，研究構(gòu)建了正則化嶺回歸模型，將前序命名試次的腦電活動(dòng)作為自變量，預(yù)測(cè)后續(xù)Flanker試次的神經(jīng)響應(yīng)。最后通過規(guī)格曲線分析框架，系統(tǒng)檢驗(yàn)了實(shí)際腦電活動(dòng)、模型預(yù)測(cè)值及語言能力變量與行為反應(yīng)時(shí)的關(guān)聯(lián)模式，采用1000次自助抽樣評(píng)估結(jié)果的統(tǒng)計(jì)穩(wěn)健性。該多方法聯(lián)用的設(shè)計(jì)旨在從行為、神經(jīng)響應(yīng)和預(yù)測(cè)關(guān)系三個(gè)層面揭示語言-認(rèn)知?jiǎng)討B(tài)適應(yīng)的機(jī)制。
主要結(jié)果
本研究通過腦電（EEG）記錄與機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型，結(jié)合試次間分析，系統(tǒng)考察了強(qiáng)制、自主和自然三種語言切換語境對(duì)領(lǐng)域一般性認(rèn)知控制的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用。
圖2展示了被試在三種切換語境下的行為表現(xiàn)（正確率Accuracy與反應(yīng)時(shí)RT），結(jié)果表明三種語境在行為水平上未產(chǎn)生顯著差異，確認(rèn)了基本認(rèn)知負(fù)荷的等同性，為后續(xù)神經(jīng)層面的特異發(fā)現(xiàn)提供了對(duì)照基礎(chǔ)。
圖2. 三種切換情境下的準(zhǔn)確率（a）與反應(yīng)時(shí)（b）。圓點(diǎn)代表對(duì)應(yīng)被試的單次測(cè)量值。Con：一致試次；Incon：不一致試次
圖3 的ERP分析揭示了神經(jīng)加工層面的關(guān)鍵語境差異：圖 3a 和圖 3b 展示了在中央頂區(qū)和頂區(qū)電極上，三種切換情境下與刺激起始時(shí)間同步的總平均波形。圖3c 顯示，自然切換語境下轉(zhuǎn)換-不一致試次的早期注意（N1成分）投入顯著弱于強(qiáng)制與自主切換語境；而典型的沖突相關(guān)早期注意力增強(qiáng)僅在強(qiáng)制切換語境中出現(xiàn)。圖3d 進(jìn)一步表明，僅在強(qiáng)制切換語境中出現(xiàn)了非典型的反向Flanker效應(yīng)（P3成分上一致試次振幅大于不一致試次），且其沖突試次（不一致）的P3振幅顯著低于自然與自主切換語境。
圖3. 三種切換情境下中央 - 頂葉 / 頂葉電極的 N1、P3 成分波形與平均波幅
圖4a 的嶺回歸預(yù)測(cè)模型結(jié)果證實(shí)，語言控制與一般認(rèn)知控制的神經(jīng)關(guān)聯(lián)具有高度語境選擇性。表1具體量化了這一差異：強(qiáng)制切換語境對(duì)一致和不一致試次的預(yù)測(cè)強(qiáng)度（r值）均顯著高于自然與自主切換語境（所有比較 t > 30.96, p < .001），凸顯了其預(yù)測(cè)優(yōu)勢(shì)的絕對(duì)性和魯棒性。
圖4. 三種語言切換情境與側(cè)翼任務(wù)間關(guān)系的嶺回歸模型預(yù)測(cè)結(jié)果
表1. 三種切換情境下嶺回歸模型系數(shù)的計(jì)劃對(duì)比
表2. 一致試次規(guī)格曲線分析的自助抽樣結(jié)果
結(jié)論與討論
本研究通過對(duì)比不同語言切換語境，確立了強(qiáng)制切換在雙語認(rèn)知控制動(dòng)態(tài)適應(yīng)中的核心作用。研究發(fā)現(xiàn)，僅在該語境下會(huì)引發(fā)非典型神經(jīng)模式（反向Flanker效應(yīng)），且語言與認(rèn)知控制腦活動(dòng)呈現(xiàn)穩(wěn)健耦合�；诖藰�(gòu)建的預(yù)測(cè)模型成功揭示了跨領(lǐng)域控制的腦-腦及腦-行為關(guān)聯(lián)。
這項(xiàng)工作驗(yàn)證了語境特異性是雙語認(rèn)知優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)變量，并通過多方法融合構(gòu)建了從神經(jīng)機(jī)制探測(cè)到行為預(yù)測(cè)的完整分析路徑。隨著生態(tài)化研究的發(fā)展，該成果推動(dòng)雙語認(rèn)知研究從靜態(tài)優(yōu)勢(shì)論證轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)機(jī)制探索，為揭示語言與認(rèn)知控制的交互邊界提供了新范式。
原文信息鏈接
Liu D, Meng Y, Liu L, et al. The dynamic influence of language‐switching contexts on domain‐general cognitive control: An EEG study[J]. Psychophysiology, 2025, 62(2): e14736.
DOI: 10.1111/psyp.14736
主要作者及研究單位
本文作者為Dongxue Liu、Yujie Meng、Linyan Liu、 Shuang Liu均來自北京師范大學(xué)，John W. Schwieter來自麥克馬斯特大學(xué)。
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。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(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，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
相關(guān)產(chǎn)品
- 基于 fNIRS 的多語者語言切換神經(jīng)機(jī)制研究
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