文献:Winkler, M., Mueller, J. L., Friederici, A. D., & Männel, C. (2018). Infant cognition includes the potentially human-unique ability to encode embedding. Science Advances, 4(11),. https://doi.org/10.1126/sciadv.aar8334

1.背景介绍 ¶

对于人类而言，处理复杂规律性的能力是更高的认知功能（如语言，音乐或心理算术）的先决条件，人类与其他物种之间的一个关键差异似乎在与我们解决涉及顺序元素之间食物嵌套关系（图1）的能力，嵌套关系是人类语言语法的重要组成部分，如，The boy [the girl chased] kicked the ball（图2A），只有语言系统能够识别基本的嵌套关系后，才能理解此类句子。但是，在非语言听觉输入中对嵌套关系进行编码的功能可能会成为在语言中解决嵌套关系的能力的先驱。本研究旨在调查语前（preverbal）婴儿的认知能力是否已经包括在听觉领域（auditory domain）中计算嵌套关系的能力。

根据形式语言理论（formal language theory），嵌入现象在所谓的规则（regular）语法和语境无关（context-free）语法之间引入了独特的边界。规则语法可以生成线性结构，其中每个元素都直接取决于前一个元素（图1，A和B）。语境无关语法允许相邻组件不直接相互依赖。与线性相邻和不相邻的依赖关系相反，嵌套的依赖关系需要在完成外部依赖关系规则（图1，C和D）之前先处理内部依赖关系规则（嵌入）。自然语言中的句法（syntactic）关系不仅在顺序排列的声音之间建立，而且在句法分类的词汇项目之间也建立（例如，名词和动词之间，图2A）。为了在语言获取期间获取词汇元素之间的语法关系，必须首先对输入流中的相应语音规则进行解码。

婴儿很早开始就表现出惊人的语音解码能力，可以检测语音流（speech stream）中的语言单元并提取其相互关系，例如，婴儿大约半岁时就能从的连续语音中成功地将音节、单词和从句进行细分。行为研究已经观察到婴儿提取语言单元之间不相邻依存关系的证据，并且从12到18个月左右逐渐稳定，相邻依赖关系的处理能力则出现更早。涉及嵌套依赖项的处理嵌入的本体论（ontogeny）尚待研究。

2.研究方法 ¶

本研究使用中心嵌入作为语言嵌套结构的原型（prototypical）示例（图2A）。自然语言中的中心嵌入处理的证据表明，5岁以后的儿童可以理解这些规律，但对于成年人来说仍然是一个挑战，尤其是随着嵌入水平的提高。成人的人工语法学习（artificial grammar learning，AGL）研究报告说，除非提供足够的知觉提示，否则学习会失败，这削弱了学习中心嵌入式结构的挑战。本研究研究者使用被动监听的怪球（Oddball）范式，这是一种将长期记忆需求降至最低的实验范式，想要探索是否可以将处理嵌入的核心能力追溯到婴儿期，因此，假设婴儿将表现出识别嵌入违反（violations）的能力。为了增加婴儿学习中心嵌入的可能性，通过使用具有感知简单音调刺激的怪球范式作为规则编码元素集和链接这些元素的身份关系，来最小化感知和记忆需求。生成的结构可以归类为镜像语法，以逐项方式建立嵌套的依存关系，从而排除了诸如计数和比较之类的更简单的求解策略。与单音相反，整个序列定义了怪球设计中的标准刺激和偏差刺激（图2B）。标准序列通过定义规则元素之间的嵌套关系来建立嵌入。偏差序列的特征是违反了最后两个元素的位置所引起的嵌套依赖关系。考虑到偏差仅在嵌套依赖项的有效性方面与标准不同，对规则违反的失配响应的存在将表明婴儿通过跟踪镜像结构成功地处理了这些复杂的规律性。

2.1被试： ¶

实验一：38名单语健康德国婴儿（18名女生，平均年龄155.21天，范围145-165天）。实验二：38名单语健康德国婴儿（16名女生，平均年龄155.84天，范围142-165天）。

2.2实验设计： ¶

2.2.1实验一： ¶

在实验1中，使用具有五音序列的被动聆听怪球范式作为标准元素和偏差元素。经常出现的标准元素具有中心嵌入规则（94.74％的试验； 12个不同的序列，每个出现72次）。偏差元素很少出现（占试验的5.26％； 12个不同的序列，每个序列出现4次），都违反了标准元素的嵌入规则。在每个符合规则的标准序列中，都实现了中心嵌入，从而第一个音调预测了第五个音调，第二个音调预测了第四个音调，而第三个音调是不变的中心标记（图2C）。通过第四和第五个音调的位置交换来定义违反规则的偏差序列。此外，对于每个标准序列，还使用了倒置的第二种形式，以确保在标准序列中也显示偏差序列的每个部分（包括位置冲突）。这样做是为了确保某些音调组合本身不能提供有关规则的信息。

图10

标准序列和偏差序列以伪随机顺序显示，在实验开始时，提出了仅包含标准序列的三个单元以建立嵌套规则。之后，没有任何偏差序列直接出现在其对应的标准序列之前或之后（见图5）。为了平衡以上升或下降音调对开头的序列，在每个单元内最多允许两个不同形式的第一或第二形式相互跟随。每个五音序列持续740毫秒，间隔间隔为566毫秒。

2.2.2实验二： ¶

实验二的设计类似于实验一，但使用七音序列而不是五音序列作为元素。在每个标准序列中（94.74％的试验； 24个不同的序列，每个序列出现36次），第一个音调预测（predicted）第七个音调，第二个音调预测第六个音调，第三个音调预测第五个音调，第四个音调是2100 Hz不变的中心标记。违反规则的偏差序列（5.26％的试验； 24个不同的序列，每个序列出现两次）涉及第六和第七个音调的位置交换。每个七个音调序列持续1060 ms，序列间间隔保持在566 ms。

2.3刺激： ¶

在Praat中将单个音调创建为纯正弦音调，数字化率为44.1 kHz，其起伏和偏移上升和下降时间为5 ms，持续时间为100 ms（音调间隔为60 ms）。

3.过程 ¶

使用演示软件包（Neurobehavioral Systems Inc.），通过一对ELAC扬声器，以距婴儿90 cm的位置，以舒适、恒定的强度水平呈现刺激材料。

3.1EEG记录： ¶

使用Refa放大器系统（Twente Medical Systems International B.V.）内部QRefa采集软件1.0版beta记录连续的脑电图。

3.2ERP处理： ¶

使用EEP 3.2.1软件包（ANT Software B.V .）对EEG数据进行脱机处理。

3.3数据处理： ¶

实验1目标区域：前部（FP1，FZ和FP2），中央（FC1，CZ和FC2）和后部（CP1，PZ和CP2）；实验2目标区域：前部（FP1，FZ和FP2），中央（FC5，CZ和FC6）和后部（CP5，PZ和CP6）。使用SPSS软件版本22 (IBM, Walldorf, Germany)中，采用因子条件(标准和偏差)和区域(前、中、后)对覆盖试验长度为0到600 ms的连续30 ms时间窗进行了随机方差分析。

4.结果 ¶

连续30毫秒的时间窗口分析显示条件在实验1的120到480毫秒的时间窗口中以及实验2在210到570毫秒的时间窗口中的影响。在120到480毫秒的时间窗口内，RM-ANOVA证实了条件的主要作用，而没有观察到条件×区域的显著相互作用。在实验2中，对于210到570毫秒的时间窗口，确认了条件的影响，没有观察到条件×区域的显著交互作用。

在比较ERP锁定到中心标记之前的音调（实验1中的第二个音调和实验2中的第三个音调）时，在两个实验中都没有观察到条件的影响，因此，基本依赖性的有效性在标准和偏差条件之间没有差异。图3显示了相对于实验1的五个音调序列的第二次（对照分析，图3A）和第四个音调（图3B）的开始，相对于标准和偏差的总体平均ERP响应。图4显示了相同的信息，实验2的七个音调序列的第三和第六个音调的开始。两个实验观察到的条件影响表现为负性失配反应广泛分布在婴儿的头皮上，与标准序列相比，对违反规则的反应更大。

5.总结 ¶

本研究调查了语前（preverbal）婴儿是否具有核心认知能力，以编码听觉序列中各种复杂程度的嵌套。两项实验的ERP结果揭示了婴儿的失配反应，表明涉及嵌套关系的标准序列与违反那些关系的偏差序列之间的处理差异。至关重要的是，这些处理差异仅发生在违反规则的位置，而不发生在先前的序列位置。相对于五音序列，对于七音序列的失配响应大约在90 ms之后开始的事实可能是由于底层结构的复杂性增加以及相应的处理难度所致。发现表明，5个月大的婴儿能够处理音调之间的嵌套依赖性，这可能是由所用音调序列的镜像结构中固有的对称性所指导的。结果表明，处理嵌套的能力-一种核心的计算机制-可能早在人类本体发育中就已存在，而本身并不依赖于语言技能。婴儿可能倾向于分解高级听觉结构，这将成为以后句法结构的获取和处理的重要组成部分。研究者认为他们对简约怪球范式的使用揭示了涉及婴儿早期嵌套处理能力的计算机制。