时间预期对运动控制及支持言语产生的认知过程的影响

《Brain Sciences》：Effects of Temporal Expectancy on Motor Control and Cognitive Processes Supporting Speech Production

　　

本研究调查了时间可预测性对言语运动控制及支持其底层认知过程的皮层脑电过程的影响。二十一名成年人完成了一项S1–S2（言语提示）视觉提示延迟言语产生任务。该任务要求在1.5秒与3秒的刺激间间隔（Inter-stimulus interval, ISI）下说出名词短语或切换至说出名词。使用混合效应分析比较了各类别条件下索引注意努力的事件相关电位（Contingent Negative Variation, CNV）、索引言语运动规划的预备电位（Bereitschaftspotential）、索引言语编程的晚期准备电位（Late Readiness Potential, LRP）以及言语起始潜伏期。结果显示，在S2线索出现前及言语运动规划前的400至600毫秒处，1.5秒ISI条件在双侧前额、中央和顶叶电极位点表现出显著更高的CNV平均振幅。在400至600毫秒处，代表运动规划的Bereitschaftspotential在1.5秒ISI条件下的前额和中央电极位点表现出更大的平均振幅，该现象受作为协变量的CNV调节。在LRP和言语起始方面，说话与反应切换条件之间存在显著差异。本研究讨论了基于ISI的时间可预测性对言语运动规划、言语起始及支持言语产生的认知过程的影响。

言语被视为一种复杂的运动行为，涉及在呼吸、喉部和发声运动水平上多个肌肉协同作用的规划与协调。多种因素（包括时间可预测性和任务复杂性）已知会影响运动控制过程。其中，认知过程在言语产生中也发挥着重要作用。尽管已有研究表明时间规则性和节奏能够促进言语理解与产生（如旋律语调疗法利用时间节奏促进脑外伤和失语症患者的言语产生，而节拍言语可有效缓解口吃），但时间可预测性这一机制在多大程度上影响言语运动过程尚不明确，且内源性注意在实现时间可预测性对言语影响中的作用也有待评估。因此，本研究旨在探究时间可预测性是否促进言语产生，及其对言语运动过程和注意机制的影响程度，这对于深入理解言语运动控制的神经机制具有重要意义。该论文已发表在《Brain Sciences》。

研究人员采用了S1-S2视觉提示延迟短语产生任务，样本队列来源于21名无听力、言语、语言或神经障碍的成年参与者。通过脑电图（Electroencephalogram, EEG）信号记录提取并分析了索引注意努力的关联负变电位（Contingent Negative Variation, CNV）、索引运动规划的预备电位（Bereitschaftspotential）以及索引言语编程的晚期准备电位（Late Readiness Potential, LRP）等事件相关电位（Event-Related Potential, ERP）指标。在统计分析中，研究人员使用线性混合效应模型评估了不同刺激间间隔（Inter-stimulus interval, ISI）与认知控制条件对各项指标的影响。

3.1.1 潜伏期 ?600 ms至 ?400 ms
在此阶段，作为注意努力标志的CNV被预期出现。通过比较前额、中央和顶叶电极的ERP平均振幅，发现ISI主效应显著。1.5秒ISI条件在S2线索出现前表现出比3秒ISI条件更大的CNV响应。在中央电极处，ISI与认知控制的交互作用显著，1.5秒ISI条件下需要外显言语的试次比反应切换试次引起了显著更大的CNV振幅。这表明短间隔条件引发了更强烈的时序决策过程和注意参与。

3.1.2 潜伏期 400 ms至 600 ms
在此阶段，代表运动规划的Bereitschaftspotential被预期出现。数据分析表明，前额电极的Bereitschaftspotential平均振幅在ISI和认知控制的主效应上均显著，1.5秒ISI条件振幅大于3秒ISI条件，且受CNV协变量的显著调节。CNV振幅的变化在更大程度上影响了1.5秒ISI条件下的Bereitschaftspotential，说明在短间隔条件下，注意参与显著调节了随后的言语运动规划。

3.1.3 潜伏期 2000 ms至 2300 ms
在此阶段，代表运动编程的LRP被预期出现。结果显示认知控制主效应显著，反应切换条件比说话条件表现出显著更大的LRP偏转。顶叶电极分析同样揭示了认知控制的主效应和CNV协变量效应的显著性，反应切换引起了更大的偏转。这表明运动编程阶段主要受任务认知复杂性的影响，而非时间预期。

3.2. 行为数据
行为数据分析了不同条件下的言语起始潜伏期。认知控制主效应显著，说话条件的平均言语起始潜伏期显著快于反应切换条件。ISI与认知控制的交互作用显著，反应切换试次在两种ISI下均显著慢于说话试次，其中3秒反应切换条件最慢。这表明反应切换施加了认知和运动努力，从而延迟了言语起始。

4. 讨论
本研究探讨了时间可预测性对言语运动过程的影响。关于时间可预测性与注意参与的交互作用，研究发现S2前400至600毫秒出现的CNV在短ISI条件下的偏转最大，这被视为运动规划皮层启动的信号。长ISI条件中未观察到类似效应归因于较长等待时间可能促使被试提前做出时间决策。短ISI条件中较大的CNV偏转代表了正在进行的时间决策和试次间变异性。

关于时间可预测性与言语运动过程，长ISI说话条件在S2后400-600毫秒表现出更陡峭的Bereitschaftspotential偏转，表明其运动规划相关决策更早完成。由于短ISI条件下与时间决策相关的认知机制持续参与，可能导致了认知资源的竞争及言语运动规划的延迟。这支持了言语运动控制的前馈模型，表明在延迟外显产生任务中，时间可预测性可能在前馈信号中被表征并影响运动规划。

虽然时间预期在长ISI条件下促进了运动规划，但反应切换条件的复杂认知需求使得LRP和言语起始速度主要受认知控制因素影响而非ISI。反应切换所需的认知控制机制激活了前额和顶叶网络，导致了运动编程的延迟。

5. 结论
本研究确定了时间可预测性对言语产生的促进效应的敏感ERP标志物，为前馈言语模型和时间可预测性理论提供了神经生理学证据。研究证明了ISI效应在肢体和言语运动领域的共享性，暗示了支持时间预期的共同神经基质。研究发现，长ISI条件和较慢的时间节奏通过注意调节对言语运动规划产生了促进作用，但这并未同等延伸至运动编程和言语起始阶段。这意味着，尽管时间可预测性促进了注意参与下的言语运动规划，但其他认知控制因素（如反应切换）在运动编程中决定了最终的言语输出表现。