... 早期研究者比较关注一般性的运动控制过程, 即个体如何产生精确的、以目标为导向的运动, 强调感觉反馈(sensory feedback)在运动控制中的重要作用(Wolpert, Diedrichsen, & Flanagan, 2011).近年来, 研究者意识到口语产生本质上也属于精细化的运动控制, 讲话者通过感觉反馈, 尤其是更为重要的听觉反馈(auditory feedback), 对语音输出的准确性进行判断(Guenther, 2006; Guenther & Vladusich, 2012; Scheerer & Jones, 2012).随着言语运动控制的探索不断深入, 研究者逐渐认识到前馈控制(feedforward control)和反馈控制(feedback control)的认知内涵和作用机制.概括来讲, 前馈控制指个体从言语运动系统中自上而下地提取并执行目标语音相应的运动指令, 而反馈控制指个体自下而上地加工语言产生过程中实时产生的感觉反馈信息, 并根据反馈信息中的言语错误调整和修正运动输出.两个系统并非独立起作用, 而是相互合作, 从而保证了言语产生执行过程的顺利进行(Guenther, Ghosh, & Tourville, 2006; Parrell, Lammert, Ciccarelli, & Quatieri, 2019; Perkell, 2012; Tourville & Guenther, 2011).虽然越来越多的研究者开始从运动控制的视角关注言语产生的发生机制和神经基础(Cai, Ghosh, Guenther, & Perkell, 2010, 2011; Chang, Niziolek, Knight, Nagarajan, & Houde, 2013; Chen et al., 2015; Hickok, 2012; Scheerer & Jones, 2018), 但是相关研究还比较零散, 缺乏对该领域的理论背景、研究热点和潜在问题的系统性论述.基于此, 本文将从前馈和反馈控制整合加工的基础理论、研究现状以及影响因素等方面对言语运动控制进行讨论. ...
... ).随着言语运动控制的探索不断深入, 研究者逐渐认识到前馈控制(feedforward control)和反馈控制(feedback control)的认知内涵和作用机制.概括来讲, 前馈控制指个体从言语运动系统中自上而下地提取并执行目标语音相应的运动指令, 而反馈控制指个体自下而上地加工语言产生过程中实时产生的感觉反馈信息, 并根据反馈信息中的言语错误调整和修正运动输出.两个系统并非独立起作用, 而是相互合作, 从而保证了言语产生执行过程的顺利进行(Guenther, Ghosh, & Tourville, 2006; Parrell, Lammert, Ciccarelli, & Quatieri, 2019; Perkell, 2012; Tourville & Guenther, 2011).虽然越来越多的研究者开始从运动控制的视角关注言语产生的发生机制和神经基础(Cai, Ghosh, Guenther, & Perkell, 2010, 2011; Chang, Niziolek, Knight, Nagarajan, & Houde, 2013; Chen et al., 2015; Hickok, 2012; Scheerer & Jones, 2018), 但是相关研究还比较零散, 缺乏对该领域的理论背景、研究热点和潜在问题的系统性论述.基于此, 本文将从前馈和反馈控制整合加工的基础理论、研究现状以及影响因素等方面对言语运动控制进行讨论. ...
... 咿呀学语阶段.在个体能够产生语音之前, 必须首先建立起一般性声音(即非特异性语音的声音)的运动指令和对应感觉反馈之间的联结.在早期的咿呀学语阶段, 婴儿开始尝试发音, 听觉和躯体感觉(体觉)皮层分别加工特定发音动作产生的听觉和体觉反馈信息, 多次尝试后运动和感觉信息形成配对.此时, 如果听觉或体觉错误发生时, 个体可以根据配对后的运动-感觉联结将感觉错误信号转化为修正性的运动指令(Guenther et al., 2006; Tourville & Guenther, 2011). ...
... 在听觉目标习得后, 个体开始基于模仿的机制学习产生语音的前馈运动指令(Guenther et al., 2006; Perkell, 2012; Tourville & Guenther, 2011).起初, 由于个体仍未在语音和相应运动指令之间形成稳定可靠的联结, 发音运动的初始尝试产生的错误较大, 言语运动完全依赖反馈控制系统.然而, 随着每次发声运动, 听觉控制系统对比自身实际产生的语音和语音的听觉目标, 并依据听觉目标修正发音运动中的错误, 最终准确习得语音的前馈运动指令.多次练习后, 运动指令始终产生相同的感觉反馈并且未产生言语错误, 强化了运动-感觉信息之间的联结, 此时言语运动主要依赖前馈控制.综上, 在早期语言习得阶段, 前馈和反馈控制整合的核心是形成母语语音的感觉目标和产生语音的前馈运动指令以及建立运动指令和感觉反馈之间稳定的联结, 逐渐发展出类似于成人的言语运动控制技能. ...
... 开放环路的前馈控制.成熟讲话者的发声运动始于前馈控制系统.当个体计划产生语音集中特定音素或音节时, 自上而下地提取该语音相应的前馈运动指令, 运动指令发放至发音器官, 指导上下唇、颌、舌以及喉部等详细的位置移动, 最终实现发音(见图1中背景为灰色的部分) (Guenther, 2016).前馈控制将运动指令输向发音器官, 但不会把发声运动产生的感觉结果反馈回来影响当前的运动控制(Perkell, 2012).这一过程类似于系统控制论中的开环控制(open-loop control), 是一种施控对象与受控对象只存在单向作用而无反馈信息的系统控制方式, 因此, 前馈控制实质上是从运动指令到声音输出的开放环路.在言语运动系统中, 前馈控制存在明显的优势, 因为个体可以迅速地发放运动指令, 而且不需要处理复杂的感觉反馈, 确保了流利地言语产生(Parrell et al., 2019).但是, 在母语或二语习得的早期, 语音运动指令的准确性仍有待提高, 开环控制系统中的运动指令一旦出错, 必然会导致言语错误, 因此前馈控制不适用于语言获得的早期阶段(Guenther, 2006; Guenther & Vladusich, 2012).此外, 当个体所处的环境不稳定时, 容易发生一些干扰的情况, 前馈控制不具备监测和修正语言输出中错误的能力, 因此不适合不稳定的环境. ...
... 闭合环路的反馈控制.言语运动系统另外一个重要机制是反馈控制, 其与前馈控制的本质区别在于它利用发声运动产生的感觉反馈进行言语运动控制(Parrell et al., 2019).这一过程类似于系统控制论中的闭环控制(closed-loop control), 指一种将受控对象的结果输出反馈至施控对象, 并对施控对象产生影响的系统控制方式, 因此反馈控制本质上是一个从运动指令到错误信号, 再从错误信号到运动指令的闭合环路.反馈控制涉及一系列加工过程(见图1中背景为蓝色的部分):首先, 感觉皮层编码由发声运动产生的感觉反馈; 随后, 个体将实际的感觉反馈与通过内部前向模型在线估算的感觉预期进行比较, 在大多数情况下两者匹配, 语言产生过程顺利结束, 由于不需要修正当前的语音输出, 此时感觉预期会抑制感觉目标的激活.但是在少数特殊情况下, 感觉反馈和感觉预期不匹配, 由于需要修正语音输出中的错误, 此时感觉目标会充分激活编码感觉错误; 最后, 错误信号传输至反馈控制集, 该模块基于感觉-运动之间的转换编码修正性的运动指令, 当感觉错误多次发生时, 基于反馈错误的修正性指令会更新当前语音的前馈运动表征(Guenther, 2016; Perkell, 2012).由此可见, 反馈控制的优势是适用于不稳定的环境, 通过不断监测和修正言语输出确保了正常有效的语言交流(Hickok et al., 2011; Parrell et al., 2019).但是它的速度劣势也十分明显, 神经系统需要额外的时间加工感觉反馈信号并基于反馈做出合适的运动调整, 因此言语运动控制如果过多地依赖感觉反馈, 会导致运动缓慢和稳定性降低(Civier, Tasko, & Guenther, 2010; Guenther, 2006; Perkell, 2012). ...
... DIVA模型推测负责加工语音集的脑区位于左半球腹侧前运动皮层, 主要包括腹侧中央前回以及邻近的额下回后部和前脑岛.前运动皮层参与读取常用语音精细编码后的发音运动程序, 这些运动程序构成了言语运动控制中的前馈指令(Guenther, 2006, 2016; Guenther & Vladusich, 2012).该假设的证据来自于大量言语运动障碍的脑损伤研究(Kearney & Guenther, 2019), 例如, 研究者发现言语失用(apraxia of speech)病人在脑损伤发生前具备正常的语言产生能力, 但是脑损伤(通常是腹侧前运动皮层区域)发生后, 他们在运动计划和编码方面存在缺陷(Ballard, Tourville, & Robin, 2014; New et al., 2015). ...
... 反馈控制主要激活右半球的脑区(Kalpouzos & Nyberg, 2010), Tourville和Guenther (2011)首次在DIVA模型中引入了偏右侧化的反馈控制集, 负责在言语错误发生时生成修正性的运动指令.早期的DIVA模型预测运动皮层的活动位于双侧, 并主要集中于初级运动皮层(Guenther et al., 2006).然而, Tourville等(2008)发现人为改变共振峰时, 听觉反馈异常会激活右侧前运动皮层, Golfinopoulos等(2011)发现人为改变嘴唇或下颌移动位置时, 体觉反馈异常同样会激活右侧前运动皮层. ...
... 当前研究者开始关注听觉反馈在语言习得和语言产生中的作用, 提出听觉反馈具有三大主要功能:形成和保持语言运动技能、在线控制语言产生以及更新前馈运动表征(Cai, 2012; Guenther et al., 2006; Civier et al., 2010). ...
... 研究者也关注言语适应能否泛化到其他未扰动的语音上.Cai等(2010)考察汉语母语者在面对共振峰扰动时如何产生三元音/iau/, 以及适应性反应能否泛化到其他时间或空间特征与/iau/不一样的元音上, 如/uai/, /ia/和/au/等.结果发现泛化模式广泛存在, 但是比较微弱, 且随着两个语音相似程度的降低而递减.Reilly和Pettibone (2017)也发现重复扰动特定元音的听觉反馈不仅会改变被扰动元音的产生(适应性反应), 也会改变附近未被扰动元音的产生(泛化).以上证据表明不同元音的前馈运动指令不是独立表征的, 否则某个元音基于听觉反馈错误的前馈表征更新不会影响其他元音的产生.因此, 研究者推测时间和空间特征相似的元音可能共享某些机制以负责计算语音的运动轨迹, 这样一个元音运动-感觉映射的调整会导致其他元音运动编码的改变.这对DIVA模型提出了挑战, DIVA模型将不同语音视为独立的个体, 单独存储前馈运动指令(Guenther et al., 2006; Tourville & Guenther, 2011), 因此不能解释不同元音中发现的泛化反应.进一步的研究需要解释不同语音间的泛化, 以完善DIVA模型. ...
... 言语运动系统的正常运转依赖于前馈和反馈控制的协同合作(Guenther et al., 2006; Perkell, 2012; Tourville & Guenther, 2011; Hickok, 2012), 因此两者在言语运动控制中的相对贡献及其影响因素是非常重要的研究问题.研究者通过观察个体受听觉反馈扰动干扰的程度来考察前馈和反馈控制的相对权重, 实验逻辑是如果被试对前馈控制的依赖程度越低, 则会对感觉反馈的依赖程度越高, 相应地更容易受到听觉反馈扰动的干扰.大量研究以补偿性反应或P1-N1-P2成分波为切入点, 发现影响因素主要表现在三方面:第一, 个体差异, 包括年龄、性别、发声变异性和言语障碍等; 第二, 训练经历, 包括语言经历和音乐经历等; 第三, 任务情境, 包括可预期性和注意负荷等. ...
... 年龄和性别.语音表征和运动表征的整合开始于婴儿的咿呀学语, 并在随后的语言习得过程中一直保持可塑性以适应发音器官的生长、肌肉组织的增加以及肺活量的变化(Guenther et al., 2006).有研究关注儿童和成人听觉反馈控制的差异, 例如Liu, Russo等(2010)发现7到12岁讲英语的儿童做出补偿性反应的潜伏期长于成人.Scheerer, Liu等(2013)的横断研究考察了4到30岁年龄跨度的被试, 结果发现补偿性反应和P1-N1-P2波幅均受到年龄的影响.对正在习得语言的儿童来说, 听觉反馈可以帮助他们建立前馈表征, 相应的权重会被提高, 但当发展停止时, 前馈表征保持相对稳定, 听觉反馈提供的信息则变得冗余, 因此提高前馈控制的权重可以增加言语流畅度和减少外界的干扰(Civier et al., 2010).有证据表明, 听觉反馈扰动实验中女性比男性产生更小的补偿性反应, 且N1和P2潜伏期更短(Chen, Liu, Jones, Huang, & Liu, 2010; Swink & Stuart, 2012).Li等(2018)发现青年男性比青年女性诱发更大的N1和P2波幅.研究者认为可能是两性间的生理差异导致了前馈和反馈控制的差异(Chen et al., 2010; Kakimoto et al., 2016). ...
... 言语失用是一种运动计划编码障碍, 其典型特征是语速慢、语音扭曲、韵律异常等.言语失用患者的脑损伤主要位于左半球额下区域, 尤其是腹侧前运动皮层, 该区域负责提取精细编码的前馈运动指令(Guenther, 2006, 2016).因此, 言语失用主要是由于前馈运动控制系统的缺陷(Kearney & Guenther, 2019; Tourville & Guenther, 2011).研究者提出额下区域的损伤可能也会影响个体提取语音的感觉目标, 而反馈控制的运作机制是对比感觉目标和实际的感觉反馈, 因此该脑区损伤可能会进而导致反馈控制受损(Ballard et al., 2018; Kearney & Guenther, 2019).但是, 反馈控制缺陷仍未得到实证研究充分的验证.Maas, Mailend和Guenther (2015)利用噪音掩蔽(noise masking)范式考察了言语失用的本质, 结果表明病人前馈控制受到破坏, 导致反馈控制扮演更突出的角色(同见Iuzzini-Seigel, Hogan, Guarino, & Green, 2015), 该结论也得到计算机模拟证据的支持(Terband, Rodd, & Maas, 2015). ...
原文链接:https://journal.psych.ac.cn/xlkxjz/article/2020/1671-3710/1671-3710-28-4-588.shtml