新词习得过程中中枢与外围过程的时序动态：基于自然书写中脑电图与运动学同步记录的证据

《Cortex》：Temporal Dynamics of Central and Peripheral Processes in Novel Word Acquisition: Evidence from Co-registration of EEG and Kinematics in Natural Handwriting

　　摘要：目前的书写产生模型认为存在一种认知子过程的层级结构，语言信息通过这一结构从中央的词汇编码逐步传递到外周的运动执行环节。然而，这种级联协调机制究竟如何帮助形成新单词的记忆痕迹，目前仍不清楚。在本研究中，我们结合了西班牙语母语者（n=63）的同步脑电图与书写运动学数据，追踪他们在反复书写过程中单词学习的动态变化。与刺激开始时间同步记录的事件相关电位，以及由关键字母的运动执行所引发的运动学相关电位，揭示了随着重复次数的增加，中央处理机制与外周学习效应之间存在时间上的协同作用——在刺激开始后173–309毫秒的中央-前额叶区域会出现由暴露次数驱动的调节现象，而在笔触开始后133–286毫秒的后部脑区也会出现类似的变化。虽然经过四次暴露后，拼写编码已趋于稳定，但运动精炼过程在所有接触中都呈现出更为缓慢的发展轨迹，这说明中央处理机制与外周处理机制的级联程度并不相同。进一步的神经-运动学耦合分析还显示，运动规划与拼写处理是并行发展的。尤为重要的是，学习过程中由暴露次数引发的神经调节强度，能够预测经过夜间巩固后，在掩蔽启动的词汇判断任务中后续的词汇竞争强度。这些发现证明了记忆痕迹形成的自动化特性，以及认知与运动机制在其中的作用。运动系统持续对部分已确定的言语信息进行处理，先建立单词层面的拼写表征，再逐步完善构成词汇竞争基础的字母层面运动细节。

引言：书写被广泛视为各国学校课程标准中的核心学习目标，在高等教育阶段也同样备受重视。除了其实际应用价值之外，书写背后涉及的诸多认知与运动过程，如记忆检索、精细动作控制以及书写行为执行，使其成为强化语言学习机制、尤其是单词习得机制的理想途径。事实上，书写的好处还体现在它涉及单词和字母层面上的感知识别、范畴形成以及记忆巩固（Wiley & Rapp, 2021）。书写通过来自运动轨迹的视觉反馈促进单词学习（Cao et al., 2013; Li & James, 2016; Nakamura et al., 2012），同时有助于构建准确的字母表征（参见Longcamp等人的书写动机假说，2008年），这些因素共同决定了学习新单词形式需要多少语言信息，以及其习得过程中相关的运动策略需具备多高的精确度。不过，目前的概念验证大多仅能告诉我们书写过程中可能学到什么内容。而一个足够完善的心理语言学理论还应能够解释学习者和书写者在实时处理过程中所付出的不同努力程度。我们首先回顾了关于书写产生级联理论的现有研究。书写的心动觉模型（Kandel等，2011；Kandel，2023；Van Galen，1991）认为存在一组平行且部分模块化的认知子过程，它们共同构成一个闭环控制系统（见图1）。在这种模型中，书写单词的过程如下：书写某个单词时，首先由高级拼写模块（即中央处理机制，图1a）在心理词典中构建字形框架，随后再调动下游的执行机制，通过拮抗肌群产生低级的书写形态（即外周处理机制，图1b）。在书写过程中，字形运动模式的选取与持续的肌肉调整使得书写轨迹与预期的字形序列保持一致，这也有助于进一步完善所获得的拼写表征。因此，这些概念层面、语言层面和运动层面的处理过程在字形缓冲区（图1c）中按层次进行协调，该缓冲区作为中央处理机制与外周处理机制之间的接口，其功能会随着平行与级联框架的不断发展而进一步优化（Olive，2014；有关APOMI模型的详细内容可见Kandel，2023）。支持这一观点的证据表明，拼写层面的变量并不仅限于反应准备阶段，还会影响书写动作的时间组织，这说明中央的语言信息在动作开始后仍可能保持活跃状态，进而影响书写行为的实施（Afonso等，2015；Bonin等，2015；Cerni & Job，2022；Kandel等，2013；Roux等，2013）。然而，目前对于这种级联协调在新单词习得过程中的具体表现仍知之甚少。如果在新单词学习过程中中央处理机制与外周处理机制同时发挥作用，那么书写动作的规划就应该在词汇编码完成之前就开始，即部分已确定的拼写表征的激活会逐步传递到下游的运动执行环节。因此，检验级联理论在这一学习场景中的适用性，仍是比较评估各种书写模型时的关键焦点。关于新单词形式记忆痕迹形成的机制也已有较为成熟的理论研究（参见Davis & Gaskell，2009）。单词学习理论的一个典型研究案例是印刷品暴露效应，即个体从单词阅读新手变为专家的过程（参见Share，1999；Shtyrov等，2010）。但是，重复暴露究竟会在哪个层面，或者是否真的会在某个层面带来单词学习性质与效率的变化？在心理语言学层面，这个问题可以通过词汇质量假说来探讨（Perfetti & Hart，2002；Perfetti，2017），该假说认为，通过反复接触新单词，词汇表征的质量会从低逐渐提升到高。暴露次数增加导致词汇质量提升的逻辑很简单：因为多次接触新单词形式有助于完善拼写、语音和语义之间的关联，而更强的跨编码连接则能提升词汇层面的自动化程度，因此，经过多次暴露后，那些信息完整且结构清晰的言语信息就能形成高质量表征，从而使某个单词与其外观相似的单词区分开来（例如，区分face、fact、fame和lace等词；参见Castles等，2018）。该领域为验证这一理论预测而开发的主要实验方法之一就是词汇竞争效应（Bakker等，2014；Gaskell & Dumay，2003）。词汇竞争的原理在于，言语知识的快速整合不仅体现在新关联的形成上，还体现在这些关联所嵌入的现有知识结构的变化上。从这个意义上说，当新单词被纳入心理词典后（例如cathderook），由于单词层面表征之间的侧抑制作用，它就能够与已有的词汇相邻项（例如cathedral）发生相互作用（Rapp & Lipka，2011；Tainturier & Rapp，2003）。在掩蔽启动的词汇判断任务中，学习新相似单词形式所产生的词汇竞争效应会导致词汇干扰，此时新的映射会被生成，从而取代原有的映射，进而减缓心理词典中相邻单词的处理速度（Qiao等，2009；Tamura等，2017）。因此，基于竞争的学习要求学习者在多次接触过程中发展出高度精确的识别机制，这种机制能够追踪词汇表征的发展状况，并将其与竞争项联系起来。另一个需要探讨的关键问题是：究竟是什么因素促进了单词学习，且这种促进作用是否与暴露次数有关？难道仅仅是暴露本身就能推动学习，而且所有类型的暴露都具有同等价值吗？在神经生理学层面，通过磁脑图或脑电图等时间敏感的测量手段，可以发现暴露诱导的学习效应表现为左侧外侧纹状体区域的早期负波显著增强（刺激开始后约50毫秒），与此同时，前额叶至中央脑区的广泛正波也会出现（刺激开始后约150-250毫秒）。通常认为，神经活动的快速时间尺度动态分别反映了感知特征提取（Grainger等，2012）和整体单词形态分析（Proverbio等，2004）过程。而随后出现的、具有前额叶或中央-后部脑区分布的负向脑电反应（即F/N400波），则出现在词汇访问的预计时间窗口内（刺激开始后约350毫秒），其强度的增加可能反映出由于重复的单词表面信息提前被激活，从而促进了词汇处理的效率（Deacon等，2004；Laszlo等，2012）。重要的是，这些在多次学习暴露过程中出现的超快速神经指标变化，实际上是以时间非线性方式变化的，其变化程度取决于单词的熟悉程度——新单词与熟悉单词的差异更为明显，尤其是在前两次暴露之间调节最为强烈，而之后的暴露则逐渐趋于稳定（例如Bermúdez-Margaretto等，2020）。尽管有人声称单次暴露后就能实现学习（Dollaghan，1985；Hadley等，2016），但这一观点仍存在争议；相比之下，有更多证据表明，只需短暂接触新单词四到五次，就足以形成持久的词汇表征（Fu等，2025；Ginestet等，2022；Nation等，2007）。一种解释是，如果神经元群体在多次暴露过程中被共同激活，且会发生快速的物理或化学变化，同时还能在没有海马体参与的情况下稳定为持久记忆，那么它们就可能形成新的大脑皮层记忆痕迹（Hebscher等，2019）。所谓的赫布式突触强化作用（Gu等，2012）使得新单词的神经表征能够通过相关的神经元活动迅速形成，进而支持新单词在仅经过几次重复后就在新皮层中形成记忆痕迹。目前，关于书写过程中级联协调的神经基础及其与学习相关的精细动作控制机制，仍有许多未知之处。这一空白为统一解释新单词的中央新皮层记忆痕迹形成过程与外周、输出驱动的反馈循环之间的关系提供了可能。虽然已经确定了支持单词书写时大脑分布式网络高度并行激活的神经解剖学基础（Afonso等，2025；Palmis等，2019），但其与时间维度上的神经动态变化之间的关系尚不清楚。在最近的一些研究中（Loh等，2024；Pei, Longcamp等，2021；Pei, Sommer等，2025），正在进行的神经动态与不断变化的笔迹轨迹之间的脑-运动学耦合程度，能够预测熟练书写的成本效率。通过时间锁定的分析方法，可以发现，在中央-前额叶及后部脑区，存在笔触开始前（-200-50毫秒）和笔触开始后（0-50毫秒及200-300毫秒）的神经活动复合体，这些时间点均与t=0时的笔触开始时刻相对应。尤为重要的是，自发的脑振荡与书写的节奏性存在相位一致性，其中约4赫兹的θ波功率增加，通常与成本较低的书写轨迹以及较强的自上而下的控制机制相关。然而，目前仍不清楚上述各种认知与运动子过程是否决定了新单词习得过程中快速神经可塑性的程度。同样也不清楚，在接触单词形式的过程中，这些子过程是否会被整合为一系列精确控制的动作，以及这种高度精细化的运动执行是否确实是单词自动学习以及在线形成新记忆痕迹所必需的。在本研究中，我们旨在全面探讨这些问题，研究在书写新单词过程中神经记忆痕迹自动形成的机制，分析其与中央-外周级联协调的依赖关系，以及其与词汇竞争任务中行为表现的关联。我们让参与者在自然的书写情境中反复书写一些与现有单词MEMORIA具有相同拼写形式的西班牙语新单词MENORIA，他们可以按照自己的节奏在平板电脑上书写每个单词。与此同时，我们会记录下书写的精细运动学数据，并将其与同步记录的脑电图响应相对照，进而分析运动学相关电位。从连续的书写流中，我们标记出与单词和字母边界相关的各个基本单元的确切时间点及关键事件（例如竞争字母N），这一方法使我们能够提取出与单词层面和字母层面处理相关的脑电图信号。另外，鉴于新单词形式要进入词汇表往往需要在初次接触后的数小时或数天之后才能完成（Dumay & Gaskell，2007，2012；Takashima等，2014），我们在学习后立即进行一次掩蔽启动的词汇判断任务作为后测，然后再在24小时后再次进行同样的测试作为另一次后测，以此评估所形成的词汇表征的质量，以及由于学习而产生的记忆保留变化情况。通过同时评估中枢神经活动、外周运动信号以及词汇干扰的行为指标，我们的目标是探究在多次接触过程中认知与运动子过程是如何相互作用的，以及这种手写过程中的级联协调是否构成支持新词形快速获取与记忆的必要机制。我们的预测基于手写产生的级联模型（Kandel等人，2011年；Van Galen，1991年），该模型认为存在一系列分层且模块化的神经认知与运动子过程，它们在闭环系统中相互关联。这种并行与级联的框架能够更细致地描述手写的认知阶段及其运动特征，从而确定新词形中的哪些语言信息会在中枢层面被保留（图1a），以及在外周层面会与其竞争的字符是哪个（图1b）。预计这些执行要素之间的高效协调（图1c）能够促进在短暂接触期间或之后迅速形成针对新词的新神经元回路。根据图形运动假说，我们预测虽然通过拼写接触新词对于建立词汇记忆痕迹至关重要，但书写选择（笔尖下阶段）和字形运动检索（笔尖下阶段之后）同样是不可或缺的环节，因为它们能提供感官反馈，进而提升表征质量。此外，鉴于先前研究显示单词学习的非线性进程表明，只需几次接触就能快速建立正字法表征，我们推测相应的中枢神经指标在大约四到五次接触后会趋于稳定。本研究将探讨外周图形运动动态是否遵循类似的学习轨迹，还是会在后续接触中持续变化。同时，我们预计能在学习后的词汇判断任务中重现词汇竞争效应，即新学到的单词会比无关的伪词引发更慢的反应时间。此外，我们预计学习过程中外周层面神经动态的不同调节方式会反映在行为学习表现上，进而预测新学单词的后续记忆与保留情况。

参与者
我们从西班牙拉古纳大学招募了63名西班牙语母语者（21名男性，平均年龄20.6岁，年龄范围18-23岁）。所有参与者均报告视力正常或经过矫正后为正常，没有书写、运动或感知障碍史。他们在实验前签署了书面知情同意书，并因参与实验而获得课程学分。该研究已获得拉古纳大学研究伦理委员会的批准。

手写的运动特征
单词替换、缺失反应以及书写不流畅的情况被编码为错误，从而从拼写到听写的学习过程中被排除（共计37例，占比0.9%）。由于GAMMs所具有的层次结构及常规化先验可以通过部分池化自然处理极端值（Kruschke，2015年；McElreath，2020年），我们没有采用传统的异常值剔除方法，而是保留了完整数据集，以避免因数据排除而导致的统计功效损失。

讨论
本研究旨在阐明在基于手写学习新词的过程中，神经记忆痕迹形成的自动化机制。除了记录书写运动特征外，我们还同步进行了脑电图检测，以追踪随着重复接触，中枢词汇编码与外周图形运动执行背后的实时神经动态变化。我们的结果为一种级联框架提供了有力证据，在该框架中，整体正字法处理的早期稳定伴随着……

科学透明度声明
数据：支持本研究的所有原始数据及处理后的数据均公开可用：https://osf.io/w8n6e
代码：支持本研究的全部分析代码均公开可用：https://osf.io/w8n6e
材料：支持本研究的全部研究材料均公开可用：https://osf.io/w8n6e
设计：本文详细说明了所有研究中作者们如何确定样本量、数据排除标准、数据纳入与排除标准，以及这些标准是否……

CRediT作者贡献说明
杨富：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，资源整理，方法论，研究实施，正式分析，数据管理，概念构建。
达米安·恩里克·扬·科尔多恩：写作——审稿与编辑，方法论，正式分析，数据管理。
王慧丽：写作——审稿与编辑。
贝阿特丽斯·贝尔穆德斯-马格丽埃托：写作——初稿撰写，监督，概念构建。
阿尔贝托·多明格斯：写作——审稿与编辑，项目管理，资金筹集。

未引用参考文献
Sóskuthy, 2017.

致谢
本研究得到了西班牙科学创新部PID2020-114246GB-100“知识总体计划”项目下的“第二语言的正字法学习：跨语言与感觉运动因素”课题的支持，该项目由拉古纳大学承担；同时还得到了2025上海玉兰人才计划浦江项目的资助（编号25PJC079）。

杨富 | 达米安·恩里克·扬·科尔多恩 | 贝阿特丽斯·贝尔穆德斯-马格丽埃托 | 王慧丽 | 阿尔贝托·多明格斯
中国上海外国语大学语言科学研究所