科技前沿｜语言控制好帮手，小脑作用真不小
人类小脑的认知功能可以说是神秘莫测的。人们历来认为小脑是重要的运动控制中枢，用于管理动作的协调性、稳定性和自主性。但在过去几十年中，小脑研究的重点已转向探索其在认知和情感功能中的作用。以往的研究表明，语言作为最复杂的认知功能之一，不仅依赖于复杂的大脑皮层组织，还依赖于小脑的皮层组织。然而，小脑在双语语言控制中的具体作用仍不清楚。本研究使用功能磁共振成像（fMRI）和经颅直流电刺激（tDCS）进行图片及数字命名任务，以双语者为研究对象，旨在揭示双语语言产生中双侧小脑的不同功能。
实验一
被试与实验材料
共有38位中英双语被试（25位女性，M=22.5，SD=2.1）。被试的母语均为中文，英语学习平均年龄为9.45岁（SD=2.45，range：3-16）。所有被试都通过了大学生英语四级考试（M=540, SD=44, full score=710）。被试对自己的双语语言能力（包括听力、口语、阅读和写作）进行了自我评估（10分制）。他们的中文自评得分（M=7.93，SD=1.15）显著高于英文自评得分（M=5.61，SD=1.28；t（37）=11.31，p<0.001），这表明被试是中文占主导地位的双语者。
实验材料来自Snodgrass和 Vanderwart数据库，实验刺激为88幅常见物体的线条画，其中，80张图片用于正式实验，其余8张图片用于练习阶段。
实验过程实验一要求被试在接受功能性磁共振成像扫描时完成语言切换任务。实验过程中，被试需要根据图片边框颜色选择中文或英文来命名图片。当被试用不同语言命名两个连续的图片/数字时，实验类型被定义为切换试次；当被试用相同语言命名两个连续的图片/数字时，实验类型被定义为非切换试次。每个试次都是以呈现300ms的注视点开始，接着，在呈现200ms的空白屏幕以后，屏幕中心会出现一个带有彩色边框的图片，其呈现时间为1s。正式实验包括4轮图片命名任务，每一轮任务包括82个试次（40个切换试次, 40个非切换试次, 2个填充试次）。由于每次扫描开始时磁场不稳定，填充试次并不会被进一步分析。随后会进行8分钟的结构像扫描，整个实验持续了大约40分钟。
实验结果
如图1所示，结果发现，相比于非切换条件，双语切换条件下的被试在双侧小脑VI和VIII区的激活程度更显著。
图1. 小脑激活结果
进一步使用扩展的统一结构方程模型（euSEM）进行建模，根据以上小脑激活结果，选取了5个小脑节点，根据前人研究发现，选取了7个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）。该网络可分为3个模块：大脑内部连接、小脑内部连接以及大脑-小脑连接。
图2. 双语语言控制的大脑-小脑网络
注：图中节点位置基于MNI坐标，大脑内连接、小脑内连接以及大脑-小脑连接分别由蓝色、绿色和红色表示。核心节点由红色表示，大脑节点与小脑节点分别由蓝色和绿色表示。
此外，标准曲线分析（specification curve analysis）结果显示，不同小脑分区及其连接在语言控制过程中存在差异。
（tDCS）
实验二
被试与实验材料
从同一被试库中共招募72位被试（49位女性，年龄：M=21.6, SD=2.0），其中五位被试的数据由于响应时间值缺失或图片命名准确率低而被剔除。因此，最终共有67位被试。他们的母语均为中文，平均英语学习年龄为8.19岁（SD=2.42, range: 3-15）。被试被随机分为三组：左侧小脑刺激组，右侧小脑刺激组以及假刺激组。实验材料：实验一中的80张图片被分为2个子集，一个用于刺激前，另一个用于刺激后。此外，被试还需要在经颅直流电刺激时完成数字命名任务，以数字0-9为实验刺激。实验过程
实验二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。图片命名任务过程与实验一相同，数字命名任务包括两个阶段，每个阶段有82个试次（2个填充试次、20个一语切换试次、20个一语非切换试次、20个二语切换试次和20个二语非切换试次）。正式实验持续了约45分钟。（图4）。
实验结果
分别对反应时间和错误率的切换代价进行了一个2（刺激前/刺激后）*3（左小脑刺激组/右小脑刺激组/假刺激组）的方差分析，结果发现，刺激阶段与被试分组之间存在显著交互作用（F(2, 64) = 4.494, p= 0.015, ⴄp2= 0.123），而刺激阶段的主效应与分组的主效应则无显著性差异。进一步的简单效应分析表明，对右侧小脑实施电刺激后，切换代价明显降低（p=0.017），而左侧小脑电刺激组与假刺激组则无明显差异。研究进一步对右侧小脑刺激组的语言能力和切换代价进行相关分析后，结果发现，四级成绩与切换代价变化之间呈显著正相关(r(21)=0.459, p=0.032)，这说明二语熟练度高的被试在语言切换表现方面有更好的刺激效应。（图5）。
图5. tDCS实验的行为结果
A) 右侧小脑刺激显著降低了反应时间的切换代价
B) 相关分析显示，二语熟练度与切换代价变化呈显著正相关
本研究通过利用fMRI和tDCS对双语语言控制期间的小脑活动进行全面观察，揭示了双侧小脑在语言控制中的不对称性参与，并且发现左侧小脑和大脑-小脑控制网络整合得更加紧密。本研究也发现了双侧小脑在神经可塑性上的差异，仅仅通过促进左侧小脑的神经活动可能很难观察到行为结果，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，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。本研究对理解人类认知过程中小脑功能组织的不对称性和离散性具有重要意义。
END
原文
The cerebellum and cognition: further evidence for its role in language control
作者
Qiming Yuan, Hehui Li , Boqi Du, Qinpu Dang, Qianwen Chang, Zhaoqi Zhang, Man Zhang, Guosheng Ding, Chunming Lu, Taomei Guo
期刊
Cerebral Cortex
发表时间
2022.02.28
DOI
10.1093/cercor/bhac051
Contributors
■ 翻译版权 丨 西外多脑核
■ 编译 丨 郑奥科
■ 审校 丨 冯娟
■ 排版 丨 王启帆
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