利用腦電技術探索語言轉換情境對領域一般性認知控制的動態(tài)調節(jié)機制
雙語認知優(yōu)勢的關鍵：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，這種轉換可能涉及外部線索（強制轉換）、自主選擇（自愿轉換）或文化偏好（自然轉換），其背后的認知控制機制存在差異。先前研究多聚焦于語言環(huán)境對認知控制的靜態(tài)影響，結果并不一致，尤其缺乏對不同轉換情境動態(tài)調節(jié)作用的直接比較。為探究強制、自愿和自然三種轉換情境如何動態(tài)影響領域一般性認知控制，本研究結合腦電技術與跨任務范式，考察中英不平衡雙語者在完成交錯進行的語言轉換任務與Flanker任務時的神經活動。通過分析行為數(shù)據、事件相關電位及構建預測模型，旨在揭示語言控制與一般認知控制之間的動態(tài)適應關系，深化對雙語認知優(yōu)勢情境依賴性的理解。
文章信息
論文概要
近日，北京師范大學心理學部研究團隊利用腦電技術與機器學習方法，系統(tǒng)探索了不同語言轉換情境對領域一般性認知控制的動態(tài)調節(jié)機制。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進行的圖片命名與Flanker任務時的腦電數(shù)據，比較了強制轉換、自愿轉換和自然轉換三種情境在行為表現(xiàn)、事件相關電位（P3成分）及腦-腦預測關系上的差異。結果發(fā)現(xiàn)，在所有情境中，強制轉換的特征最為突出：僅在該情境下出現(xiàn)了反向Flanker效應（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測分析表明，僅強制轉換情境的語言加工神經活動能夠有效預測后續(xù)認知任務的腦電響應，且該預測結果與行為表現(xiàn)存在顯著關聯(lián)。這一工作不僅揭示了語言控制向認知控制動態(tài)適應的情境特異性模式，還為理解雙語經驗如何靈活調節(jié)領域一般性執(zhí)行功能提供了關鍵的神經證據。
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）。研究采用交叉任務范式（見圖1），將圖片命名任務與Flanker任務交錯進行，以探究在不同語言轉換情境下語言控制對領域一般性認知控制的動態(tài)影響。實驗設置了三種語言轉換情境：
強制轉換：依據顏色線索指示命名語言（紅 / 藍對應不同語言）
自愿轉換：紅藍拼接線索，由參與者自由選擇命名語言
自然轉換：命名具有明顯語言偏向的圖片，如“Wifi”或“粽子”。
Flanker任務包含一致（所有箭頭方向相同）與不一致（中心箭頭方向與兩側箭頭相反）兩種試次類型。整個實驗流程共包含6個任務區(qū)塊（每種轉換情境各2個區(qū)塊），共計684個試次，區(qū)塊順序在被試間平衡。
研究使用64導聯(lián)腦電系統(tǒng)連續(xù)記錄腦電活動，采樣率為1000 Hz。數(shù)據預處理包括降采樣至500 Hz、0.1-30 Hz帶通濾波、雙側乳突重參考，并采用獨立成分分析去除眼動等偽跡。以Flanker刺激呈現(xiàn)為0點，提取-200至800 ms的腦電片段，重點分析中央-頂葉和頂葉區(qū)域在N1（120-220 ms）和P3（350-450 ms）時間窗口的平均波幅。
行為數(shù)據分析采用線性混合效應模型，以情境類型、命名試次切換類型和Flanker類型作為固定效應。為進一步探究語言加工對認知控制的神經預測關系，研究構建了正則化嶺回歸模型，將前序命名試次的腦電活動作為自變量，預測后續(xù)Flanker試次的神經響應。最后通過規(guī)格曲線分析框架，系統(tǒng)檢驗了實際腦電活動、模型預測值及語言能力變量與行為反應時的關聯(lián)模式，采用1000次自助抽樣評估結果的統(tǒng)計穩(wěn)健性。該多方法聯(lián)用的設計旨在從行為、神經響應和預測關系三個層面揭示語言-認知動態(tài)適應的機制。
主要結果
本研究通過腦電（EEG）記錄與機器學習預測模型，結合試次間分析，系統(tǒng)考察了強制、自主和自然三種語言切換語境對領域一般性認知控制的動態(tài)調節(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與反應時RT），結果表明三種語境在行為水平上未產生顯著差異，確認了基本認知負荷的等同性，為后續(xù)神經層面的特異發(fā)現(xiàn)提供了對照基礎。
圖3 的ERP分析揭示了神經加工層面的關鍵語境差異：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間同步的總平均波形。圖3c 顯示，自然切換語境下轉換-不一致試次的早期注意（N1成分）投入顯著弱于強制與自主切換語境；而典型的沖突相關早期注意力增強僅在強制切換語境中出現(xiàn)。圖3d 進一步表明，僅在強制切換語境中出現(xiàn)了非典型的反向Flanker效應（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 的嶺回歸預測模型結果證實，語言控制與一般認知控制的神經關聯(lián)具有高度語境選擇性。表1具體量化了這一差異：強制切換語境對一致和不一致試次的預測強度（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），凸顯了其預測優(yōu)勢的絕對性和魯棒性。
表1. 三種切換情境下嶺回歸模型系數(shù)的計劃對比
圖4b 的規(guī)格曲線分析進一步將這種神經預測力與行為關聯(lián)起來。表2顯示，僅在強制切換語境中，模型預測值（Forced_pv）與一致試次反應時存在顯著正相關（中位數(shù)標準化回歸系數(shù) β = 29.32, p < .001），且在全部9個模型設定中有6個呈現(xiàn)顯著正關聯(lián)；而其他語境或使用實際腦電值作為預測因子時，均未發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的顯著關系。
表2. 一致試次規(guī)格曲線分析的自助抽樣結果
結論與討論
本研究通過對比不同語言切換語境，確立了強制切換在雙語認知控制動態(tài)適應中的核心作用。研究發(fā)現(xiàn)，僅在該語境下會引發(fā)非典型神經模式（反向Flanker效應），且語言與認知控制腦活動呈現(xiàn)穩(wěn)健耦合。基于此構建的預測模型成功揭示了跨領域控制的腦-腦及腦-行為關聯(lián)。
這項工作驗證了語境特異性是雙語認知優(yōu)勢的關鍵調節(jié)變量，并通過多方法融合構建了從神經機制探測到行為預測的完整分析路徑。隨著生態(tài)化研究的發(fā)展，該成果推動雙語認知研究從靜態(tài)優(yōu)勢論證轉向動態(tài)機制探索，為揭示語言與認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，John W. Schwieter來自麥克馬斯特大學。
關于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業(yè)長期保持合作關系，致力于將優(yōu)質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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引言/背景介紹
雙語者在日常交流中頻繁切換語言，這種轉換可能涉及外部線索（強制轉換）、自主選擇（自愿轉換）或文化偏好（自然轉換），其背后的認知控制機制存在差異。先前研究多聚焦于語言環(huán)境對認知控制的靜態(tài)影響，結果并不一致，尤其缺乏對不同轉換情境動態(tài)調節(jié)作用的直接比較。為探究強制、自愿和自然三種轉換情境如何動態(tài)影響領域一般性認知控制，本研究結合腦電技術與跨任務范式，考察中英不平衡雙語者在完成交錯進行的語言轉換任務與Flanker任務時的神經活動。通過分析行為數(shù)據、事件相關電位及構建預測模型，旨在揭示語言控制與一般認知控制之間的動態(tài)適應關系，深化對雙語認知優(yōu)勢情境依賴性的理解。
文章信息
論文概要
近日，北京師范大學心理學部研究團隊利用腦電技術與機器學習方法，系統(tǒng)探索了不同語言轉換情境對領域一般性認知控制的動態(tài)調節(jié)機制。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進行的圖片命名與Flanker任務時的腦電數(shù)據，比較了強制轉換、自愿轉換和自然轉換三種情境在行為表現(xiàn)、事件相關電位（P3成分）及腦-腦預測關系上的差異。結果發(fā)現(xiàn)，在所有情境中，強制轉換的特征最為突出：僅在該情境下出現(xiàn)了反向Flanker效應（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測分析表明，僅強制轉換情境的語言加工神經活動能夠有效預測后續(xù)認知任務的腦電響應，且該預測結果與行為表現(xiàn)存在顯著關聯(lián)。這一工作不僅揭示了語言控制向認知控制動態(tài)適應的情境特異性模式，還為理解雙語經驗如何靈活調節(jié)領域一般性執(zhí)行功能提供了關鍵的神經證據。
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）。研究采用交叉任務范式（見圖1），將圖片命名任務與Flanker任務交錯進行，以探究在不同語言轉換情境下語言控制對領域一般性認知控制的動態(tài)影響。實驗設置了三種語言轉換情境：
強制轉換：依據顏色線索指示命名語言（紅 / 藍對應不同語言）
自愿轉換：紅藍拼接線索，由參與者自由選擇命名語言
自然轉換：命名具有明顯語言偏向的圖片，如“Wifi”或“粽子”。
Flanker任務包含一致（所有箭頭方向相同）與不一致（中心箭頭方向與兩側箭頭相反）兩種試次類型。整個實驗流程共包含6個任務區(qū)塊（每種轉換情境各2個區(qū)塊），共計684個試次，區(qū)塊順序在被試間平衡。
圖1. 跨任務試次結構（上圖）與實驗設計（下圖）
研究使用64導聯(lián)腦電系統(tǒng)連續(xù)記錄腦電活動，采樣率為1000 Hz。數(shù)據預處理包括降采樣至500 Hz、0.1-30 Hz帶通濾波、雙側乳突重參考，并采用獨立成分分析去除眼動等偽跡。以Flanker刺激呈現(xiàn)為0點，提取-200至800 ms的腦電片段，重點分析中央-頂葉和頂葉區(qū)域在N1（120-220 ms）和P3（350-450 ms）時間窗口的平均波幅。
行為數(shù)據分析采用線性混合效應模型，以情境類型、命名試次切換類型和Flanker類型作為固定效應。為進一步探究語言加工對認知控制的神經預測關系，研究構建了正則化嶺回歸模型，將前序命名試次的腦電活動作為自變量，預測后續(xù)Flanker試次的神經響應。最后通過規(guī)格曲線分析框架，系統(tǒng)檢驗了實際腦電活動、模型預測值及語言能力變量與行為反應時的關聯(lián)模式，采用1000次自助抽樣評估結果的統(tǒng)計穩(wěn)健性。該多方法聯(lián)用的設計旨在從行為、神經響應和預測關系三個層面揭示語言-認知動態(tài)適應的機制。
主要結果
本研究通過腦電（EEG）記錄與機器學習預測模型，結合試次間分析，系統(tǒng)考察了強制、自主和自然三種語言切換語境對領域一般性認知控制的動態(tài)調節(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與反應時RT），結果表明三種語境在行為水平上未產生顯著差異，確認了基本認知負荷的等同性，為后續(xù)神經層面的特異發(fā)現(xiàn)提供了對照基礎。
圖2. 三種切換情境下的準確率（a）與反應時（b）。圓點代表對應被試的單次測量值。Con：一致試次；Incon：不一致試次
圖3 的ERP分析揭示了神經加工層面的關鍵語境差異：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間同步的總平均波形。圖3c 顯示，自然切換語境下轉換-不一致試次的早期注意（N1成分）投入顯著弱于強制與自主切換語境；而典型的沖突相關早期注意力增強僅在強制切換語境中出現(xiàn)。圖3d 進一步表明，僅在強制切換語境中出現(xiàn)了非典型的反向Flanker效應（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 的嶺回歸預測模型結果證實，語言控制與一般認知控制的神經關聯(lián)具有高度語境選擇性。表1具體量化了這一差異：強制切換語境對一致和不一致試次的預測強度（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），凸顯了其預測優(yōu)勢的絕對性和魯棒性。
圖4. 三種語言切換情境與側翼任務間關系的嶺回歸模型預測結果
表1. 三種切換情境下嶺回歸模型系數(shù)的計劃對比
表2. 一致試次規(guī)格曲線分析的自助抽樣結果
結論與討論
本研究通過對比不同語言切換語境，確立了強制切換在雙語認知控制動態(tài)適應中的核心作用。研究發(fā)現(xiàn)，僅在該語境下會引發(fā)非典型神經模式（反向Flanker效應），且語言與認知控制腦活動呈現(xiàn)穩(wěn)健耦合。基于此構建的預測模型成功揭示了跨領域控制的腦-腦及腦-行為關聯(lián)。
這項工作驗證了語境特異性是雙語認知優(yōu)勢的關鍵調節(jié)變量，并通過多方法融合構建了從神經機制探測到行為預測的完整分析路徑。隨著生態(tài)化研究的發(fā)展，該成果推動雙語認知研究從靜態(tài)優(yōu)勢論證轉向動態(tài)機制探索，為揭示語言與認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，John W. Schwieter來自麥克馬斯特大學。
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維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業(yè)長期保持合作關系，致力于將優(yōu)質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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