基于连接组的预测与生命全程阅读表征指纹分析：来自单语及双语读者的神经与眼动证据

《Journal of Neurolinguistics》：Connectome-based prediction and representational fingerprinting of reading across the lifespan: Neural and oculomotor evidence from monolingual and bilingual readers

　　•双语CPM能预测阅读能力（r=0.429，p=0.001）；单语CPM则无法做到。•额极与岛叶前部的连接性可预测发育中儿童的阅读能力。•双语读者的注视模式与神经模式一致（r=0.193，p<0.001）。•单语读者则完全不存在注视模式与神经模式的对应关系。•第二语言的使用年限会降低神经特征强度。

引言
阅读是人类需要掌握的最具挑战性的认知技能之一。它要求大脑在每词约200毫秒的时间范围内，协调快速的视觉解码、语音组合、语义整合以及句法分析等过程（Rayner, 1998; Schlaggar & McCandliss, 2007）。阅读时所激活的神经结构并非固定不变，它会随着年龄、阅读经验以及读者使用一种还是两种语言而发生变化（Dehaene et al., 2015; Skeide & Friederici, 2016）。阅读能力的个体差异较大，且在整个生命周期内都较为稳定，但仅靠行为测量难以完全解释这些差异（Peterson & Pennington, 2015）。理解大脑连接性层面上的差异是如何导致这些差异的，是认知神经科学领域的核心问题之一。

两项方法上的进步为大规模研究阅读能力的个体差异提供了新机会。首先，基于连接组的预测建模（CPM）提供了一种框架，能够直接从全脑功能连接模式预测个体的行为得分，无需预先指定感兴趣的区域（Finn & Constable, 2016; Finn et al., 2015; Shen et al., 2017）。其次，受试者间表征相似性分析（IS-RSA）可以衡量两名参与者对相同刺激的神经反应的相似程度，从而为判断神经组织的共性或独特性提供依据（Levine & Schwarzbach, 2021; Nastase et al., 2019）。目前，这两种方法都尚未被用于涵盖单语和双语成人与儿童样本的阅读研究，也未曾与同时进行的眼动追踪相结合，以评估不同语言群体中的眼动模式与神经模式是否具有相似性。本研究旨在填补这些空白。

在字母语言中，熟练阅读的神经基础分布于左脑的三个区域。枕颞皮层，也被称为视觉字形区，负责快速的自动字形处理（Cohen & Dehaene, 2004; Richlan, 2020）。颞顶皮层则负责语音解码以及字形到音素的转换（Schlaggar & McCandliss, 2007）。下额回则承担语音工作记忆和发音准备的功能（Hoover & Gough, 1990; Pugh et al., 2000）。这些区域并非孤立运作，它们之间的功能互动——通过其BOLD信号的时间相关性来衡量——会随着阅读技能和阅读经验的提升而发生系统性变化（Liu et al., 2018; Martin et al., 2015）。

处于阅读初级阶段的儿童，其大脑激活范围更广、更具双侧性，且更依赖额叶区域，这反映出他们正在进行费力的语音重编码，而非熟练读者那种自动化的词汇检索过程（Turkeltaub et al., 2003）。从费力阅读向自动阅读的过渡，体现为处理流程从背侧向腹侧的逐步转变，其中视觉字形区在5至10岁期间表现出最明显的专业化特征（Turkeltaub et al., 2003）。基于任务的纵向功能连接研究证实，2.5年间前顶叶网络的整合变化可以预测个体在假词解码方面的差异（Schurz et al., 2015）。患有发展性阅读障碍的儿童，在进行阅读任务以及休息时，后颞叶区域与下额回之间的连接性都会降低，这表明他们的阅读网络存在永久性的、非任务特异性的损伤（Richlan et al., 2009; Taran et al., 2024）。

阅读能力的个体差异会导致神经激活呈现渐变式而非二元式的差异。Hsu等人（2019）发现，在自然阅读科学文本时，阅读分数能够反映不同的神经认知特征。功能连接分析也证实，与局部激活相比，与任务相关的连接性对这类个体差异更为敏感（Schurz et al., 2015）。然而，大多数关于阅读的fMRI研究都采用群体平均对比，忽略了那些对于理解为何某些读者存在阅读困难至关重要的个体差异。CPM正是在为解决这一问题而设计的。

双语经历会以超出语言网络本身的方式，影响大脑的功能组织结构。Bialystok等人（2012）发现，持续管理两种活跃的语言表征会激活额叶的执行系统，进而导致负责认知控制的脑区的结构和功能发生可测量的变化。不过，这些变化在双语者之间并不一致。第二语言的习得年龄、熟练程度以及使用频率，都会对神经组织产生独立的影响（Hernandez & Li, 2007; Perani & Abutalebi, 2015）。

在阅读过程中，双语成人在进行句法处理时，其语言相关脑区的双侧激活程度要高于单语者（Kovelman et al., 2008）。早期且双语水平较高的学习者往往会让两种语言共享相同的皮层网络，而后期学习者则会出现更为空间分离的表征方式（Cargnelutti et al., 2019; Zhan et al., 2023）。第二语言的习得年龄与语音处理相关脑区的皮质厚度存在关联，这表明在敏感期习得第二语言会带来结构性而非单纯的功能性变化（Klein et al., 2014）。Sun等人（2023）发现，即便任务完全用英语完成，母语的熟练程度也会影响儿童语言网络的密度。Meschyan和Hernandez（2006）则指出，语言熟练程度与文字的规则性共同调节着双语者阅读单词时的神经活动。这些研究共同表明，双语读者并非简单地拥有单语阅读网络的两个副本，他们的阅读神经组织在质量上存在差异，这种差异反映了他们语言经历的历史与构成。

目前尚不清楚这种不同的神经组织是否会产生不同的“神经指纹”模式。所谓神经指纹，指的是个体在某项任务中的功能连接谱与其他参与者谱之间的差异程度（Finn et al., 2015; Horien et al., 2019）。如果双语阅读经历能形成更为系统化的阅读神经组织，那么双语读者的神经指纹应比单语者更明显。这一预测目前尚未得到验证。

CPM是由Finn等人（2015）提出的一种方法，用于识别能够推广到新参与者的脑-行为关系。在每次交叉验证中，那些与训练集中行为分数相关的连接边会被选中并求和，从而形成正向和负向的网络特征。这些特征随后被用来预测测试组中个体的分数。这种方法避免了在相同数据上同时进行训练和测试所带来的循环推理问题，而这种问题曾导致许多早期神经影像学预测研究的结论出现偏差（Varoquaux & Poldrack, 2019）。

CPM已被用于预测注意力持续时间（Rosenberg et al., 2016）、流体智力（Greene et al., 2018）、工作记忆（Yoo et al., 2019）以及认知储备（Jiang et al., 2020）。其在阅读领域的应用则相对有限。Li等人（2025）利用CPM，根据任务诱发态和静息态的功能连接数据来预测书写能力和阅读能力，结果发现，通用的功能连接指标的效果优于单纯的任务特异性连接指标。Wang等人（2022）则发现，额叶与纹状体的功能连接与学龄儿童的阅读发展之间存在双向关联，且这种预测效应会随着年级的升高而增强。目前尚未有CPM研究在单一框架下，同时考察单语成人、双语成人、正常发育儿童以及阅读障碍儿童之间的阅读能力预测情况。本研究则是首例开展此类研究的工作。

跨数据集的泛化能力是检验CPM实用价值的重要标准。如果一个模型在某一群体的连接数据和阅读分数上经过训练后，仍能应用于另一群体，那就比单纯的组内预测更能证明存在共同的神经机制。本研究考察了四种跨数据集泛化方向，包括双语者的连接模式是否能够预测单语者的阅读分数，以及儿童群体的连接模式是否能够应用于阅读障碍群体。

RSA为比较不同参与者、不同条件以及不同模式下的神经表征的几何特性提供了框架（Kriegeskorte et al., 2008）。其核心操作是构建表征差异矩阵（RDMs），该矩阵能够反映给定表征空间中不同条件或参与者之间的成对距离。当将其应用于参与者对而非刺激对时，RSA就变成了衡量受试者间相似性的指标。这种受试者间RSA方法，有时也被称作神经指纹技术，已被应用于社会神经科学（Nastase et al., 2019）和精准精神病学领域（Levine & Schwarzbach, 2021），但在阅读研究领域尚未被采用。

Horien等人（2019）发现，个体的功能连接组在数月乃至数年内都保持稳定，这说明它们能够编码类似特征的神经属性。Finn等人（2015）则证明，个体的功能连接组在不同任务中的相似度要高于其在同一任务中与另一个人连接组的相似度，而这正是神经指纹的一个核心特征。本研究将这些理念延伸到自然阅读场景中，旨在探讨双语成人与单语成人在与同群体同伴的神经相似性方面是否存在差异。

RSA还能够将神经模式与行为模式联系起来。本研究利用同步眼动追踪数据构建了注视时长差异矩阵，以此反映不同参与者在阅读相同文字时的眼球移动模式之间的相似程度。通过比较注视时长差异矩阵与神经差异矩阵，可以判断那些在眼动行为上表现相似的参与者，其大脑反应是否也具有相似性。这一脑-行为指纹对齐的问题在fMRI阅读研究中尚未被探讨过。

在自然阅读过程中，眼动模式并非随机产生，它们反映了单词和句子层面的在线认知加工过程（Rayner, 1998）。对某个单词的注视时长会受到该单词的词汇频率、可预测性以及形态复杂度的影晌（Drieghe et al., 2005; Rayner et al., 2010）。阅读技能不同的读者，其注视时长分布也存在系统性差异：阅读技能较低的读者会进行更多次的注视，对低频单词的注视时间更长，且出现更多回视行为（Henderson, 2003）。Henderson等人（2018）发现，阅读过程中注视时长的个体差异与额眼区、顶内沟以及下额回的神经活动存在关联，从而建立了眼动行为与阅读网络功能之间的直接联系。

本研究所使用的数据集包含了单语和双语成人在自然阅读科学文本时的同步眼动追踪数据与fMRI数据。每个参与者以及每个单词的注视时长都被记录下来，从而为每位读者的眼动策略提供了丰富的行为特征描述。Henke等人（2023）发现，自然阅读过程中的注视时长会以大约1赫兹的频率呈周期性波动，这一波动与枕叶δ波段的神经活动相一致，这表明阅读时的眼动控制与神经振荡之间存在紧密的联系。目前尚不清楚，在同一任务中，双语读者与单语读者在注视模式与神经模式之间的对齐程度是否存在差异。

现有研究中的三个空白促使开展了本研究。首先，目前还没有任何CPM研究在单一框架下，同时预测涵盖单语成人、双语成人、正常发育儿童以及阅读障碍儿童在内的不同群体的阅读能力，因此尚无法确定基于连接性的阅读预测在不同群体及发育阶段中的普遍适用性。其次，目前也没有任何RSA研究在自然阅读场景下为双语成人与单语成人构建神经指纹，因此尚不清楚双语经历究竟会带来更多还是更少的阅读神经组织的独特性。第三，目前还没有研究探讨在自然阅读过程中，注视模式之间的相似性是否能够预测神经模式之间的相似性，以及这种脑-行为对齐现象在不同语言群体之间是否存在差异。

本研究利用来自OpenNeuro的四个公开数据集来解决上述三个问题，这些数据集共包含477名参与者：单语成人（N=48，ds003974）、双语成人（N=52，ds003988）、正常发育儿童（N=321，ds003604）以及说德语的阅读障碍儿童（N=56，ds003126）。这四个群体代表了截然不同的发育阶段和语言环境：幼儿期的阅读习得、学龄期的正常与异常阅读发展，以及成年后使用一种或两种语言的熟练阅读能力。它们从不同角度揭示了功能连接如何在人类整个生命周期中支撑阅读功能（参见Bialystok et al., 2012; Schlaggar & McCandliss, 2007）。针对研究问题1，本研究采用了留一法与五折交叉验证、10,000次迭代排列检验以及自举置信区间等分析方法。研究问题2则通过分析BOLD功能连接向量的受试者间RSA来实现。研究问题3则通过将基于单词层级注视时长构建的注视时长差异矩阵与神经差异矩阵进行对比来完成。至于研究问题4，则需要考察语言历史问卷所反映的个体神经指纹强度预测因子。

四项定向假设指导了本研究的分析工作。假设1：由于双语经历会使阅读系统的神经组织更加统一，因此双语成人的阅读能力预测效果将优于单语成人（Abutalebi & Green, 2016; Sun et al., 2023）。假设2：双语成人的神经指纹强度将高于单语成人，因为他们在双语阅读网络中的功能连接一致性更强。H3：在双语者中，注视模式相似性可以预测神经模式相似性，而在单语者中则不能，因为第二语言阅读所涉及的视觉运动处理比第一语言阅读更为受控，且以文本为驱动（Perani & Abutalebi, 2015）。H4：双语者的语言特征变量，尤其是第二语言熟练度及习得年龄，能够正向预测神经指纹的强度，这反映了语言经验对功能连接组织的影响（Hernandez & Li, 2007）。本研究共探讨了四个研究问题。RQ1：全脑动态功能连接能否预测各组内的个体阅读能力？而且不同群体——单语成年人、双语成年人、正常发育儿童以及阅读障碍儿童——的预测网络是否存在差异？RQ2：通过BOLD功能连接模式的组间RSA分析，单语成年人和双语成年人在自然阅读过程中的神经表征指纹是否有差异？RQ3：在自然阅读过程中，注视模式相似性能否预测神经模式相似性？而且这种脑-行为指纹的对齐在双语者中是否比单语者更明显？RQ4：双语者的语言特征变量，包括第二语言阅读熟练度、第二语言习得年龄、第二语言使用年限以及语言天赋，能否预测个体神经阅读指纹的强度？

参与者与数据集
本研究从OpenNeuro获得了四个公开可用的数据集（Gorgolewski等人，2016），并依据开放数据共享协议对其进行了分析。所有原始数据收集流程均得到了相关机构审查委员会的批准，同时所有参与者或其监护人也都签署了知情同意书。对于已完全匿名化的公共数据，进行二次分析无需额外的伦理审批。表1总结了四组参与者的基本特征。

数据集
CPM对个体阅读能力的预测（RQ1）
在四个组中，有两组显示出了CPM对个体阅读能力的显著预测作用（见图1）。双语成年人的预测效果最为显著（r = 0.429，95%置信区间[0.182, 0.641]，R2 = 0.184，置换检验p值=0.001），其中142条边呈现持续的正相关，77条边呈现持续的负相关，共同构成了该预测模型。这一效应大小表明，功能连接可解释双语阅读分数中约18%的变异，考虑到这是基于多被试的自然阅读场景，这一结果具有相当的意义。

讨论
本研究围绕一个核心问题展开：语言经验如何影响不同年龄、语言背景及阅读熟练度群体的阅读功能连接结构。研究采用了CPM、神经RSA、注视点RSA以及LHQ分析四种方法，从不同角度探讨这一问题。CPM用于探究连接性是否能预测个体阅读能力；神经RSA用于研究双语经验是否会使连接模式更加规律化；注视点RSA则用于考察……

预注册声明
本研究并未进行预注册。所有分析方案均在数据分析之前制定，并在文中完整呈现。这是一项探索性研究，所有研究结果都应被视为假设生成阶段的内容，需等待独立重复实验的验证。文中将详细说明样本量的确定方式、所有数据排除标准（无）、所有的纳入与排除标准、这些标准是否在数据分析前就已确定（是）、所有实验操作以及研究中所使用的所有测量方法。

伦理审批声明
本研究仅使用了从OpenNeuro获取的公开可用、已完全匿名化的二次数据。所有原始数据收集工作均遵循《赫尔辛基宣言》的要求，并得到了原始数据收集团队所在机构审查委员会的批准。所有参与者或其法定监护人也都签署了知情同意书。对于这些公共数据集的二次分析，无需额外的伦理审批。

作者贡献
Afzal Khan：概念设计、方法论、软件应用、形式分析、研究实施、数据整理、初稿撰写、修订与编辑、可视化处理。

数据可用性声明
本研究分析的四个数据集均可在OpenNeuro上找到：ds003974（https://openneuro.org/datasets/ds003974）、ds003988（https://openneuro.org/datasets/ds003988）、ds003604（https://openneuro.org/datasets/ds003604）以及ds003126（https://openneuro.org/datasets/ds003126）。所有分析代码将在论文被接受后上传至OSF平台，链接会在论文校对阶段提供。

利益冲突声明
作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢那些收集并分享本研究所使用四个数据集的研究团队。数据集ds003974和ds003988来自“阅读大脑项目”（Hsu等人，2019），可在OpenNeuro上获取。数据集ds003604和ds003126同样在OpenNeuro上公开可用。本研究未获得任何公共、商业或非营利机构提供的特定资助。

Afzal Khan博士是一名拥有19年以上高等教育及研究经验的教师兼研究员。他的研究领域涵盖神经语言学、认知神经科学、第二语言习得以及应用语言学，重点研究双语者的神经架构、基于连接组的预测建模、表征相似性分析、神经编码与解码，以及用于语言和阅读研究的深度学习方法。他运用……Afzal Khan