10月15日，北京师范大学心理学部认知神经科学与学习国家重点实验室丁国盛课题组在《NeuroImage》杂志上发表题为Distinct brain state dynamics of native and second language processing during narrative listening in late bilinguals的研究论文。
人类大脑具有处理多种语言的非凡能力，双语者可以在日常生活当中使用母语（L1）和二语（L2）两种语言。两种语言的使用均涉及多种计算，例如语音加工、语义加工、句法加工以及一些控制过程。对于许多晚期双语者而言，他们能够在日常生活中自由地使用L1，这表明双语大脑可以高效执行有关L1的各种计算。然而，晚期双语者难以像使用L1那样熟练使用L2，表明相同的大脑系统无法同样高效地完成L2加工。解析和比较晚期双语者L1和L2加工的神经基础，不仅有助于认识人脑强大语言功能背后的计算特性，还可以为开展有效的外语教学提供来自认知神经科学的启示。
然而，以往研究发现L1和L2的神经基础高度共享，这些结果难以解释晚期双语者的L1和L2在加工效率上的不同，也难以解释L1和L2在语言特性和习得过程等方面存在的各种典型差异。结合双语神经成像领域的研究进展，以及近年来有关复杂认知的新型理论框架（概念图），丁国盛课题组提出并检验了双语加工的【脑网络共享，动态性相异】假设，结合双语叙事理解任务和功能磁共振成像（fMRI）技术，尝试从双语大脑的时空模式出发，探索晚期双语者L1和L2加工的神经基础，主要发现如下：
概念图：语言认知的大脑状态（Thiebaut de Schotten & Forkel, Science, 2022）
首先，双语加工依赖于空间上高度共享的功能网络【脑网络共享】。单变量激活分析发现，两种语言条件均诱发了额、颞、顶和内侧区域的广泛激活，但仅在极少数局部区域上发现了显著的语言间差异。此外，静态功能连接分析发现，两种语言条件下均存在广泛的网络内、网络间功能连接，但这些功能连接并不存在显著的语言间差异（图1）。这些结果表明，L1和L2加工的确依赖于在空间上相近的大脑功能网络。
图1：单变量激活和静态功能连接
此外，双语大脑利用多样化的网络模式来支持L1和L2加工【大脑动态状态】。本研究计算了自然叙事理解过程中大脑的时变功能连接，并且通过主特征向量动态分析进行大脑状态建模。为了描述不同状态之间的关系，同时也为了在不同细节水平建模大脑状态，我们基于原始状态的空间相似性进行了层次聚类，从而揭示了一个嵌套式的大脑状态系统。研究发现不同的大脑状态在脑区和网络水平上具有不同的拓扑组织（图2）。这表明在自然叙事理解过程中，双语大脑会持续进行动态重构，并且调用多种典型的网络模式。
图2：不同水平的大脑动态状态
第三，晚期双语者L1加工涉及丰富的“功能整合”状态；L2则更多涉及“功能分离”状态【动态性相异】。为检验这一假设，基于特征路径长度、全局效率、集聚系数和局部效率这四种复杂网络指标，我们先评估了各个大脑状态的所属类别。在此之后，检验了每个状态在占有率上的语言间差异，发现整合状态（红色外框）更多出现于L1条件，而分离状态（蓝色外框）更多出现于L2条件（图3）。这暗示双语大脑在L1加工过程中更多处于全脑信息整合的状态，而在L2加工过程中更多处于具有高度特异性的信息加工状态。
图3：大脑状态占有率和切换频率
最后，作者进一步提出，L1加工可能涉及更灵活的状态间转移；L2则涉及更加欠灵活的状态间转移【动态性相异】。为检验该假设，本研究比较了两种语言条件的状态间切换情况，发现在三种状态水平下，L1条件相较于L2条件具有更高的状态间切换频率（图3），这暗示L1条件的状态间切换更加灵活。此外，本研究还评估了成对状态之间的转移概率，发现在L1条件下整合状态和感觉运动状态具有更高概率的双向转移（图4），这表明双语大脑在L1加工期间具有更加高效的动态配置，可以有效进行大脑网络之间的信息传输。
图4：大脑动态状态间的转移路径
本研究是丁国盛课题组在双语神经成像领域多项已有研究的延伸。采用自然主义范式和功能磁共振成像（fMRI）技术，结合复杂网络分析和大脑状态动力学方法，本研究提出并检验了双语者母语（L1）和二语（L2）加工的【脑网络共享，动态性相异】假设。从大脑动态性出发解析复杂语言认知，本研究为认识双语者自然叙事理解的动态过程提供了新的见解，并为揭示语言学习和相关障碍的神经表征提供了新的视角。在系列研究的基础上，丁国盛课题组正在融合更加多样化的研究技术和建模方法，建立整合大脑动态状态和复杂语言认知的统一框架，以及探索大脑动态状态与各类语言特征或个体因素的关联情况。
本论文的第一作者为丁国盛课题组在读硕士生汤翔嵘，丁国盛教授与刘兰芳副教授为论文共同通讯作者。合作者包括北京师范大学卢春明教授，课题组成员张娟、杨梦涵、李世杰、陈洁、张佳、刘海一和课题组访问人员马雨蒙同学。本研究得到国家自然科学基金的资助（编号31971036和31900802）。
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参考文献：
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