科学研究｜从大脑层面探讨双语能力与认知功能：一项系统性综述
双语者管理两种语言的能力一直是心理学、语言学以及近年来认知神经科学领域的研究热点。当双语者在使用语言时，即使在单语语境中，他们的两种语言都会保持一种“激活”的状态。也就是说，他们不能简单地“关闭”一种语言，像单语者那样进行单语加工。为了防止在语言生产或理解过程中错误地提取到非目标语言的词语，双语者需要运用某些机制将他们的语言使用限制在目标语言上，并尽量减少跨语种的干扰。
早期的行为学研究提出，语言控制的持续练习会泛化到非语言认知领域，使双语者在领域一般性（domain-general）认知能力方面具有一些优势。其机制主要是，双语者在任何使用语言的场景中，都需运用抑制控制来避免提取到非目标语言的词语。抑制控制正是领域一般性认知功能的一项重要能力。然而，近年来，因许多研究未能重复早期的研究结果，有研究者开始质疑双语认知优势的稳健性，甚至怀疑其是否存在。一些研究者认为，喜忧参半的研究结果可能是由于文化差异、发表偏倚（publication bias）或方法问题所导致。
除了双语能力在认知层面带来的影响，越来越多的研究者开始关注双语能力在神经层面带来的影响。一些研究显示，学习和使用两种或多种语言可以改变大脑，无论是在执行不同任务时的脑功能反应方面，还是在脑结构的不同方面。
华东师范大学心理与认知科学学院蔡清教授和Lily Tao副教授领导的研究团队，以Bilingualism and domain-general cognitive functions from a neural perspective: A systematic review为题，在国际一流期刊Neuroscience and Biobehavioral Reviews（2019 IF =8.330）发表研究成果。针对双语能力与认知功能之间的关系，对该领域相关的210篇文献（截止2020年2月底）进行了一项系统性综述，总结归纳了脑功能与脑结构相关的研究结果（方法流程见图1）。论文论述了以下三个方面的发现：双语语言控制的神经基础、双语能力对脑功能的影响、双语能力对脑结构的影响。
图1.文献综述流程示意图。
发现1：双语语言控制的神经基础
关于双语语言控制的神经科学研究大体表明，双语语言控制和领域一般性认知功能之间存在共同的神经机制，主要是一个额顶及皮层下网络，包含背外侧前额叶（dlPFC）、额下回（IFG）、辅助运动区（SMA）、扣带回、基底神经节（尤其是尾状核）、下顶叶区域。同时，双语控制过程中也涉及语言特异性机制，如左侧IFG、背侧前扣带、和左侧颞上/中回（STG/MTG）等脑区的活动。双语语言控制的神经基础概况见图2。
图2.双语语言的神经基础概况。黄色标示领域一般性脑区，橙色标示语言特异性脑区。
发现2：双语能力对脑功能的影响
除了语言之外，双语经历还可能影响到非语言认知任务相关的脑活动，以及与任务无关的脑功能。有研究者认为，双语者和单语者在认知功能上的差异，很多时候在行为层面不易被检测到，但在神经层面（例如通过神经影像技术）可能更容易发现。例如，双语者和单语者在不同认知任务上展现出相近的行为表现水平，但神经影像测试则发现相近的行为表现可能是通过不同的大脑网络或不同的神经活动参与实现的。一些研究者认为，与单语者相比，双语者可能更有效或更灵活地运用神经资源，例如通过更多的运用任务特异性资源，而不是更多运用一般性的全能资源。另又研究发现，解决非语言认知干扰的神经机制可能与解决语言表征之间干扰的机制类似，大概率由双语经历（即长期需解决语种间表征的冲突）所塑造。语言控制机制在领域一般性认知功能中的参与，与上述领域一般性机制在双语控制中的参与相呼应，进一步表明两个领域之间的高度重叠或协作。双语经历对脑功能影响的概况见图3。
图3.双语经历对脑功能的影响概况（双语者与单语者之间有差异的区域或网络）。A-D.任务相关的脑功能（A.反应抑制，B.干扰抑制，C.任务切换，D.工作记忆更新）。E.静息态功能连接。
发现3：双语能力对脑结构的影响
双语经历也可影响大脑结构的不同方面，从而影响不同的心理过程。宏观结构和微观结构指标的变化都会对认知或行为产生影响。例如，不同区域的脑萎缩会产生不同认知能力的功能障碍；大脑结构的某些方面可以通过某些活动（如体育锻炼、知识学习、社交互动等）得到增强，这些增强也被发现可能带来认知功能方面的益处。使用两种或多种语言的经历或许正是一项可以通过增强脑结构来产生认知方面益处的活动。对于大脑宏观结构（结构成像），研究结果表明，双语经历可以在健康的年轻人群体中，在语言及认知加工相关的脑区带来神经可塑性变化，大概率是由长期调动额外的控制资源来管理两种语言所导致。还有研究探索了双语经历对白质纤维束微观结构的影响（扩散成像）。与大脑宏观结构相似，双语经历可能对白质纤维束微观结构的神经可塑性有贡献，包括语言加工和认知功能相关的白质束。同样，这可能是由于，相对于单语使用，双语使用所涉及的语言负荷及认知负荷增加的结果。另外，大脑中的这些宏观和微观结构变化可以相对快速地展现，例如在二语学习的几周或几个月内；可以在认知和神经发育的早期就表现出来；并可以在老年时一定程度上预防神经退化及认知功能下降。双语经历对脑结构影响的概况见图4。
图4.双语经历对脑结构的影响概况（双语者与单语者之间有差异的区域）。A-D.灰质体积。B.皮层厚度。C.皮层表面积。D.皮层折叠。E.白质纤维束微观结构。
神经可塑性与认知及神经储备
根据目前的研究发现，双语经历似乎会影响任务相关及非任务相关的脑功能以及脑结构的各个方面。通过功能性及结构性的神经可塑性（neuroplasticity）变化，双语经历可能会在其他认知功能方面提供益处。这些种益处从而可能会在老年时期，包括健康及神经萎缩疾病的情况下，减缓神经和认知能力下降。
双语能力对认知功能的益处可以通过两种可能的途径显现，即认知储备（cognitive reserve）和神经储备（neural reserve），见图5。如上所述，双语经历可能导致功能性及结构性的神经可塑性变化。这些变化从而对认知储备和神经储备带来正面影响。在老年时期，对认知储备的贡献可能会减缓认知功能的衰退，甚至在与同龄人相比有着更严重的神经衰退的情况下。这种益处可能通过增强各种功能网络，或通过灵活使用替代功能网络来补偿神经萎缩而产生。对神经储备的贡献可能通过减缓神经衰退本身，进而减缓认知功能的丧失。但同时，在具有更严重的神经衰退的情况下，减缓认知能力下降的补偿机制可能对双语者起到负面作用。神经衰退疾病，如阿尔茨海默或其他痴呆症，通常是通过认知测试评估发现的。在认知功能丧失不太严重的情况下，这类疾病可能要到神经衰退的后期才会被诊断发现，从而导致了实施干预措施的推迟。
图5. 双语能力通过对（功能性及结构性的）神经可塑性以及对认知储备与神经储备的贡献，或许可对神经衰退或认知衰退起到保护作用，但若只是延迟了认知衰退并没有延迟神经衰退，或许会导致神经退化不被及时诊断及实施干预。
尚未解决的问题
1.不同任务领域的脑功能特异性
关于双语语言控制的神经机制，研究往往发现领域一般性认知功能相关的神经活动参与其中。然而，这些研究中的大多数并没有直接探究被试做领域一般性认知任务时的神经反应，而只是探究了语言控制任务时的反应。因此，这些研究一般都是依靠反向推理来得出双语控制时的神经反应包含领域一般性认知成分的结论，也就是说是基于之前其他研究中报告的领域一般性认知任务相关的神经活动。然而，反向推论可能是一个谬误（fallacy），主要有两个原因:其一，激活特异性(activation specificity)，即许多不同的心理过程都可能激活相同的脑区；其二，认知退化（cognitive degeneracy），即同一个认知过程可能涉及多个神经系统。为了克服这种谬误，基于神经活动的推论需要以相关的任务条件为前提。此外，不同被试个体在做同一个任务时的脑激活也有很大差异。因此，为了更可靠地推断双语控制是否涉及领域一般性认知过程，研究需在同一组被试内检测语言控制以及领域一般性认知功能的脑活动。目前为止，只有相对较少的研究直接检测了双语控制和领域一般性认知功能之间的神经活动重叠。而且，这些研究大多探究了语言控制与任务切换之间的神经活动重叠，只有两项研究探究了语言控制与干扰抑制的重叠，还没有研究探究双语控制与其他关键的领域一般性认知功能的重叠，如反应抑制和工作记忆更新。
2.从神经活动推断心理过程
认知神经科学学科一直以来难以克服的一个问题是，神经影像技术及其他非侵入性神经记录方法是否可以让研究者检测心理过程，也就是说，特定的脑活动是否可以明确地对应于特定的心理过程。虽然这一问题目前还没有最佳的解决办法，但仍有一些手段可以帮助估算特定脑活动对于心理过程的预测程度，例如使用多变量（multivariate）分析方法。关于语言和认知控制的神经研究，与众多其他领域一样，传统上都使用了质量单变量（mass univariate）分析方法，这需要在空间或时间的每一点上进行单独的统计检验（例如两个条件之间的对比）。而多变量方法则是利用多个测试点（如体素、电极或时间点）的脑活动，再使用基于机器学习的分类器来从这些脑活动数据中“解码”心理过程。多变量分类器有助于量化脑活动对心理过程的预测程度，可提供关于认知表征如何编码于脑活动的见解。
3.脑结构如何实现各功能
任何心理加工过程本质上都会受脑结构的影响和制约，虽然目前尚不明在哪些情况下以及在何种程度上结构决定了功能。脑结构差异已经被发现与双语经历有关联，目前需要更多的研究来探究脑结构与心理过程之间的因果关系，或是说探究特定脑区在特定功能中的必要性。在这方面，有特定脑区受损的病患已提供了一定的见解。然而，合适的脑损伤病人群体往往很难招募到。此外，病变前的行为和神经活动往往无法获得，只能将病变后的活动与健康对照组的活动进行对比。因此，可能会有先前就存在的个体差异导致或影响被试组之间的行为及神经活动差异，而不是纯粹由病变本身导致的。在没有合适的脑损伤患者的情况下，研究者可采用神经调控方法，如经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS），来暂时改变脑功能。经颅磁刺激技术可以通过磁场来对神经细胞进行调控，可在目标脑区产生暂时的 "虚拟病变"，即暂时抑制该脑区的功能，从而使得研究者检测该脑区是否对特定心理过程有着必要性的参与。
4.双语能力与认知功能之间的影响方向
目前研究大多认为双语能力影响了其他认知功能，而不是认知功能影响了双语能力。然而，现有的大多数证据无法使研究者推断出其中的因果关系。在某些情况下，有可能有先前就存在的认知能力、脑功能或脑结构的差异，导致一些人更有可能习得两种或更多的语言。例如，较好的反应抑制能力或语音记忆能力已被证明与二语训练后的语言表现有关。然而，也有研究表示认知能力（包括抑制、切换、工作记忆等）没有对二语学习率起到影响。有少量研究采用了前侧-后侧范式，探讨了不同的训练或者成长周期的效果，对发展轨迹和变量之间的因果关系提供了见解。然而，这些研究都是相对短期的，如仅一次到几个月的训练，或至多三年的成长期。因此，在后测观察到的差异可能不是完全巩固的变化，并可能有其他先前存在的差异起作用。如果资源条件允许，研究者可以探索较为长期的纵向研究设计，从早期发展阶段开始进行常年追踪研究。
5.个体差异因素
关于双语经历影响的研究传统上是将双语者与单语者分组进行比较。然而，双语者并不是一个同质的群体。双语群体的异质性是进行双语研究的难处之一，导致了许多不一致的研究结果。越来越多的研究者将双语经历以一个或多个连续变量来定义，探究双语群体中个体差异因素的影响。有研究发现双语经历相关的因素，如二语习得年龄、精通程度、使用程度、沉浸环境等，可能影响了语言控制任务中的神经活动、领域一般性认知任务的神经活动、两种任务之间的神经活动重叠程度、非任务相关的脑功能以及脑结构的不同方面。然而，研究结果参差不齐，研究方法也不尽相同。例如，部分研究将双语者分为不同的组别（如早期vs.晚期习得、高vs.低精通程度等），部分研究则将这些因素作为连续变量进行分析。目前需要更多的研究来系统地分清错综复杂的双语经历因素各自的独立、联合以及交互影响，包括二语习得年龄、每种语言的绝对精通程度及语言之间的相对精通程度、沉浸环境、使用及接触的程度、使用及接触的环境、语种之间的语言学距离、文化差异等。此外，与双语经历无关的个体差异因素也可带来影响，包括年龄、社会经济地位、智力等。
总结
当前已累积的研究证据表明：1）双语语言控制可能涉及领域一般性认知功能相关的神经机制，但也涉及语言特异性机制；2）双语经历会影响任务相关的脑功能，特别是领域一般性认知相关的神经活动，进一步表明两个领域之间的密切关系；3）双语经历会影响非任务相关的脑功能以及脑结构的不同方面，这些方面又进而会影响不同的心理过程包括领域一般性认知功能。
与双语经历相关的功能性及结构性神经可塑性，可能会对认知储备及神经储备有贡献，特别是减缓认知或神经衰退。例如，在具有更严重的神经衰退情况下，双语者仍可能表现出与单语者相似的认知能力水平。然而，认知衰退的减缓可能导致神经衰退疾病的诊断发现，从而导致实施干预措施的推迟。
未来的研究可从以下几个尚未解决的问题，开展针对双语加工神经机制的研究：不同任务领域的脑功能特异性的问题，从脑活动推断心理过程的问题，脑结构如何实现各功能的问题，领域之间的影响方向的问题，以及个体差异因素对脑功能及脑结构的影响。
华东师范大学心理与认知科学学院副教授Lily Tao为论文的第一作者，蔡清教授为论文通讯作者。本研究的合作单位包括：教育部及上海市脑功能基因组重点实验室（华东师范大学）、华东师范大学附属精神卫生中心（长宁区精神卫生中心），华东师范大学脑科学与教育创新研究院、华东师范大学-纽约大学脑与认知科学联合中心（上海纽约大学）。该研究课题受到国家自然科学基金委员会(31771210, ，31900753)，上海市科学技术委员会（17JC404105，18YF1407600）的支持。
文献信息：Tao, L., Wang, G., Zhu, M., & Cai, Q. (2021). Bilingualism and domain-general cognitive functions from a neural perspective: A systematic review. Neuroscience and Biobehavioral Reviews, 125, 264-295.
图文：Lily Tao（陶莉）