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ERP研究:婴儿已具有人类特有的编码语音嵌套关系的能力
发布者:admin 发布时间:2019/1/14

来自德国莱比锡马克斯普朗克人类认知与脑科学研究所神经心理学系的Winkler等人在Science Advances发文,其认为编码嵌套关系的能力是人类基本认知构成的一部分,是获取语言或感受音乐旋律的关键,婴儿期即可获得该能力。研究者选取了5个月大的婴儿,采用包含嵌套关系的听觉Oddball范式,观察婴儿对标准音调序列与偏差音调序列的反应,并记录其脑电活动。结果表明,5个月大婴儿即可分辨出标准音调序列与偏差音调序列,且能够识别出音节之间的嵌套关系。

     

      关键词:婴儿;编码;嵌套关系;听觉Oddball范式

 

区别于其他生物,人类具有提取并处理复杂规律的能力,而该能力则是人类获得高级认知功能的前提。图1呈现了随着序列结构复杂性的增加的不同序列的基本图示。其中,图1A1B表示线性序列,即对后面元素的加工均直接依赖于前面一个元素;而图1C与图1D表示嵌套序列,即对于内部元素的加工会暂时中断对外部元素的加工。

1随着结构复杂性增加,不同序列规则的说明。

(A)二元素线性结构序列:相邻关系。

(B)三元素线性结构序列:非相邻关系。

(C)四元素嵌入结构序列:嵌套关系。对于该结构序列,对内部连接(黑色的点)的加工会暂时中断对外部连接(红色的点)的加工。

(D)六因素嵌入结构序列:多层次嵌套关系。外部连接(黄色与红色)加工会暂时性地被类似的内部连接(红色与黑色)加工中断。


本研究共开展两个实验,以探讨无语言能力的婴儿是否可以对听觉刺激的嵌套关系进行编码加工。实验1选取65名健康婴儿开展实验研究,因个别被试脑电数据记录时间太短或数据伪迹严重,仅对38名婴儿(18名女,平均年龄为155.21天)的脑电数据进行分析。实验1采用五音调序列被动听觉Oddball范式(见图2B)。标准刺激(占94.74%试次;12个不同序列,每个序列出现72次)呈现次数多,且采用中心嵌套规则,与之相比,偏差刺激(占5.26%试次,12个不同序列,每个序列出现4次)呈现次数少,违反了中心嵌套规则。(见图2C)在包含中心嵌套的标准刺激中,第一个音调预测第五个音调,第二个音调预测第四个音调,第三个音调为1500Hz恒定不变的中心标记;

而偏差刺激中,则是将标准刺激的后两个音调交换位置。实验2同实验1类似,其采用七音调序列被动听觉Oddball范式。其中,标准刺激(占94.74%试次;24个不同序列,每个序列出现36次)采用中心嵌套规则,与之相比,偏差刺激(占5.26%试次,24个不同序列,每个序列出现2次)则违反了中心嵌套规则(见图2D)。

      在包含中心嵌套的标准刺激中,第一个音调预测第七个音调,第二个音调预测第六个音调,第三个音调预测第五个音调,第四个音调为2100Hz恒定不变的中心标记;而偏差刺激中,则是将标准刺激的后两个音调交换位置。


图2实验范式与序列结构。

(A)一层嵌入:包含嵌套依赖关系(蓝线)的自然语言所构成的中心嵌套结构示例。

(B)Oddball范式:以音调序列出现的频率为准,将出现频率高的刺激定义为标准刺激(S;蓝色),将出现频率低的刺激定义为偏差刺激(D;橙色)

(C)五音调序列示例(实验1):蓝色序列代表标准刺激,其中包含嵌套依赖关系,构成一层中心嵌入。A1, A2, B1, B2均为规则定义的音调,C为1500Hz的中心标记。橙色的序列则为偏差刺激,其改变了音调顺序,破坏了嵌套关系。值得注意的是,偏差刺激中,最后两个破坏规则的音调曾出现在标准刺激中,因此对规则本身不具有信息性。

(D)七音调序列示例(实验2):蓝色序列代表标准刺激,其中包括嵌套依赖关系,构成两层中心嵌套。A1, A2, A3, B1, B2, B3均为规则定义的音调,C为2100Hz的中心标记。橙色序列表示偏差刺激,其改变了后两个音调顺序,进而破坏了嵌套关系。

 

为了评估婴儿对嵌套依赖关系的加工能力,研究者比较了包含嵌套关系与不包含嵌套关系的音调所诱发的ERP之间的差异(实验1中为第四个音调,实验2中第六个音调),进行了2(条件:标准刺激、偏差刺激)×3ROI:前部、中部、后部)重复测量方差分析,结果表明,在实验1中,120-480ms时间窗内条件主效应显著,条件与兴趣区的交互作用均不显著;而在实验2中,210ms-480ms时间窗内条件主效应显著,条件与兴趣去的交互作用不显著。为控制多重比较,研究者进行了时域聚类置换分析,结果发现,实验1与实验2中,多重比较导致的一类错误均无法解释条件主效应(实验1,162ms-460ms中聚类值p=0.012;实验2,222ms-558ms中聚类值p=0.006)。

      随后,研究者对中间标记之前的音调进行了控制分析(实验1选取第二个音调;实验2中选取第三个音调)。结果表明,在实验1、2中,对于中心标记C前的音调,其所诱发的ERP在条件主效应上差异不显著,即标准刺激与偏差刺激诱发的ERP差异不显著。图3表示实验1五音调标准刺激序列与偏差刺激序列中,第二个音调(控制分析,图3A)与第四个音调(图3B)诱发的ERP的总平均图。在实验1中,中心标记C后面的音调可以观察到显著的失匹配负波,且偏差刺激比标准刺激诱发出更大的负波。

3实验1ERP结果。

(A)控制分析:基于前(A)、中(B)、后(C)兴趣区(ROI),绘制标准刺激(蓝色)与偏差刺激(橙色)的ERP总平均对比图。y轴对应于第二个音调启动的时间。音调23的时间由插图底部的灰色矩形表示。

(B)对于违背规则的音调分析:绘制标准刺激(蓝色)与偏差刺激(橙色)的ERP总平均对比图。条件主效应显著的时间窗(120 - 480 ms)采用浅橙色标记。y轴对应于第四个音调启动的时间。音调45的时间由插图底部的灰色矩形表示。

 

4表示实验2七音调标准刺激序列与偏差刺激序列中,第三个音调(控制分析,图3A)与第六个音调(图3B)诱发的ERP的总平均图。在实验2中,中心标记C后面的音调可以观察到显著的失匹配负波,且偏差刺激比标准刺激诱发出更大的负波。

4实验2ERP结果。

(A)控制分析:基于前(A)、中(B)、后(C)兴趣区(ROI),绘制标准刺激(蓝色)与偏差刺激(橙色)的ERP总平均对比图。y轴对应于第三个音调启动的时间。音调34的时间由插图底部的灰色矩形表示。

(B)绘制标准刺激(蓝色)与偏差刺激(橙色)的ERP总平均对比图。条件主效应显著的时间窗(210 - 570 ms)采用淡橙色标记。y轴对应于第六个音调启动的时间。音调67的时间由插图底部的灰色矩形表示。

 

5为实验2中标准刺激序列与偏差刺激序列的示例。该设计可以减少婴儿记忆各个序列并提取规律的可能性。

5实验2中音调序列。

(A)标准序列(蓝色):蓝色线条表示24个标准序列在音调频率(Hz,y轴)与音调序列(x轴)上的变异性。每一行代表一个序列。其中第二个偏差刺激方框中的音调对应于第一个标准刺激方框中的音调。

(B)偏差序列(橙色):蓝色线条表示24个偏差序列在音调频率(Hz,y轴)与音调序列(x轴)上的变异性。每一行代表一个序列。

 

一句话总结:处理嵌套关系的能力可能在人类个体发展的早期阶段就已存在,而非建立在语言技能之上的。婴儿本身具有的分解高级嵌套结构的能力,构成了未来获取与处理句法的重要基石。

 

原文:

Infant cognition includes the potentially human-unique ability to encode embedding

M WinklerJL Mueller, AD Friederici… - Science …, 2018 - advances.sciencemag.org

 

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