郭桃梅课题组在《Cerebral Cortex》发表文章揭示小脑在双语者语言控制中的作用及其可塑性变化

小脑虽然具有很小的体积，但是其皮层展开的表面积相当于大脑皮层的80%，其包含的神经元数量多于其他任何一个大脑的核团。小脑的认知功能一直以来是认知神经科学研究非常关心的问题。很多研究都表明，小脑作为人体运动控制的中枢，主要负责动作的协调、稳定和自动化。但是，近些年的研究发现，小脑的认知功能不仅仅局限于运动控制，因此，越来越多的研究开始关心小脑在高级认知功能中的作用、小脑参与高级认知功能的神经活动模式、大脑-小脑网络连接模式及其可塑性的变化。

北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室郭桃梅课题组2022年2月在《Cerebral Cortex》发表论文《The cerebellum and cognition: further evidence for its role in language control》。该研究首次综合运用功能磁共振成像（fMRI）和经颅直流电刺激（tDCS）试图以双语者语言加工为突破口揭示小脑与高级认知功能的关系。

实验1研究者要求双语被试完成语言切换任务，并同时用功能性核磁共振成像（fMRI）扫描被试的大脑活动。语言切换任务要求被试根据图片边框颜色选择恰当的语言来命名图片，变换的边框颜色使得双语者在两种语言间来回切换，从而最大程度地调用他们的语言控制功能。结果发现，双语者的双侧小脑VI和VIII区在语言控制过程中被显著地激活（图1）。研究进一步使用扩展的统一结构方程模型（euSEM）进行建模，选取当前激活的小脑脑区和前人研究发现的和语言控制相关的大脑脑区作为节点，建立了大脑-小脑网络（图2）。大脑-小脑网络以背侧前扣带回/前辅助运动区和左侧小脑VI区为核心节点，得到大脑内部连接、小脑内部连接和大脑-小脑连接三个模块。

图1 小脑的激活模式

图2 大脑-小脑网络

进一步使用标准曲线分析（specification curve analysis）发现，多条小脑内部连接和被试的行为反应（切换代价）之间存在显著的相关关系（图3），体现了不同小脑分区及其连接在语言控制过程中的活动的差异。

图3 标准曲线分析结果

在实验1的基础上，实验2要求被试在前后测完成语言切换任务，并在实验中对被试的小脑进行经颅直流电刺激（图4）。结果发现，对被试的右侧小脑施加阳极直流电刺激可以显著提升其语言控制的表现（切换代价降低），并且其行为表现的优化程度和其第二语言熟练度（四级成绩）成显著正相关（图5）。

图4 经颅直流电刺激（tDCS）实验流程

图5 经颅直流电刺激（tDCS）实验结果

这些结果表明，双侧小脑共同参与了双语者的语言控制，并在和大脑的连接上具有左侧优势，即左侧小脑和大脑-小脑控制网络整合地更加紧密。此外，该研究也发现了双侧小脑在神经可塑性上的差异，右侧背外侧小脑可能更加直接地参与到语言产生的过程中，从而对局部的电刺激产生更直接的行为表现的改变。

近年来，郭桃梅课题组开展的一系列研究 (Yuan et al., 2021a, 2021b, Zhang et al., 2021, Wu et al., 2021, Chen et al., 2020, Wu et al., 2020, 2019) 综合运用fMRI技术和事件相关电位技术揭示了双语者语言产生过程中语言控制的脑网络及其可塑性。该研究在本课题组已有研究的基础上，综合运用fMRI和tDCS技术在国际双语研究领域详细揭示了小脑的重要作用，也提出了未来研究探索小脑参与高级认知功能的分析框架。未来研究可以从小脑的（偏侧化）激活模式、大脑-小脑网络及其和行为之间的关系、训练/神经调控/脑损伤带来的神经可塑性变化的角度进一步探索小脑在其他认知功能中的作用。

文章的第一作者是郭桃梅课题组2019级硕士生苑启明，合作者为深圳大学脑疾病与认知科学研究中心的李何慧博士、北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室的杜博琪老师、郭桃梅课题组的2020级硕士生党钦普、2021级硕士生常骞文、2021届硕士毕业生张兆祺、2019级博士生张曼、丁国盛教授和卢春明教授，通讯作者为郭桃梅教授。该研究获得了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、北京师范大学学科交叉建设项目资金等资助。

文章链接：

Yuan, Q., Li, H., Du, B., Dang, Q., Chang, Q., Zhang, Z., Zhang, M., Ding, G., Lu, C., & Guo, T. (2022). The cerebellum and cognition: further evidence for its role in language control. Cerebral Cortex. https://doi.org/10.1093/cercor/bhac051

本课题组其它相关研究：

Yuan, Q., Wu, J., Zhang, M., Zhang, Z., Chen, M., Ding, G., Lu, C., & Guo, T. (2021a). Patterns and networks of language control in bilingual language production. Brain Structure & Function, 226(4), 963-977. https://doi.org/10.1007/s00429-021-02218-7

Yuan, Q., Ma, F., Zhang, M., Chen, M., Zhang, Z., Wu, J., Lu, C., & Guo, T. (2021b). Neural interaction between language control and cognitive control: Evidence from cross-task adaptation. Behavioural Brain Research, 401, 113086. https://doi.org/10.1016/j.bbr.2020.113086

Wu, Y. J., Chen, M., Thierry, G., Fu, Y., Wu, J., & Guo, T. (2021). Inhibitory control training reveals a common neurofunctional basis for generic executive functions and language switching in bilinguals. BMC Neuroscience, 22(1), 36. https://doi.org/10.1186/s12868-021-00640-5

Zhang, M., Li, S., Ma, F., Kang, C., & Guo, T. (2020). Mixed language training enhances proactive language control in bilingual language production. Language, Cognition and Neuroscience, 1-15. https://doi.org/10.1080/23273798.2020.1803374

Chen, M., Ma, F., Wu, J., Li, S., Zhang, Z., Fu, Y., Lu, C., & Guo, T. (2020). Individual differences in language proficiency shape the neural plasticity of language control in bilingual language production. Journal of Neurolinguistics, 54. https://doi.org/10.1016/j.jneuroling.2020.100887

Wu, J., Zhang, Z., Chen, M., Yuan, Q., Zhang, M., Yang, J., Lu, C., & Guo, T. (2020). Language context tunes brain network for language control in bilingual language production. Neuropsychologia, 147, 107592. https://doi.org/10.1016/j.neuropsychologia.2020.107592

Wu, J., Yang, J., Chen, M., Li, S., Zhang, Z., Kang, C., Ding, G., & Guo, T. (2019). Brain network reconfiguration for language and domain-general cognitive control in bilinguals. NeuroImage, 199, 454-465. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2019.06.022