《NeuroImage》：Temporal dynamics of letter processing revealed by multivariate pattern analysis of EEG data
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本研究针对单字母识别的时间进程这一关键科学问题，通过结合事件相关电位和多变量模式分析技术，精细刻画了熟练阅读者大脑在区分字母与假字时神经表征的动态演化。研究发现，字母特异性加工始于刺激呈现后约140毫秒，并持续至600毫秒，表现为一个连续、重叠的级联过程，而非离散的独立阶段。该研究为理解阅读的早期视觉-正字法加工机制提供了重要的神经生理学证据，发表于《NeuroImage》。
在阅读这个看似毫不费力的行为背后，大脑进行着一场高速而精密的交响乐。其中，字母作为书面文字的基本单元，其识别是阅读的基石。然而，我们对大脑如何以及何时将视觉线条和曲线转化为有意义的字母符号，其精细的时间动态过程仍不清晰。传统的观点倾向于将字母识别视为一系列离散的阶段，例如先分析视觉特征，再提取抽象的字母身份。但近年来越来越多的证据提示，这个过程可能更像一个连续的“级联”，早期和晚期的加工过程存在大量重叠和交互。为了厘清单字母识别究竟是以离散阶段还是连续级联的方式展开，研究人员利用脑电图的高时间分辨率，结合先进的多变量模式分析技术，试图捕捉大脑在处理字母和视觉上相似但无意义的假字时，其神经活动演变的完整图景。这项研究对于揭示阅读习得和阅读障碍的神经基础具有重要意义，其成果已发表在神经科学领域知名期刊《NeuroImage》上。
为开展此项研究，研究人员招募了35名母语为葡萄牙语的成年熟练阅读者。实验中，参与者需要完成一项针对单字符的一-back重复检测任务，刺激材料包括12个大写字母和12个在视觉复杂度上与之匹配的假字。脑电图数据被连续记录，并经过严格的预处理，包括滤波、分段、伪迹剔除和独立成分分析去除眼电等。核心分析手段包括传统的事件相关电位分析和多变量模式分析。ERP分析聚焦于P1、N1、P2和P3等经典成分的时间窗口。MVPA则进一步采用了时间解码、时间泛化和时空搜索灯分析等多种方法，以考察字母与假字分类的神经模式在时间和空间上的演化规律，从而深入探究字母处理的时序动态。
3.1. 行为结果
行为数据显示，参与者对字母的辨别能力显著优于假字，具体表现在更高的辨别力指数d'和击中率上，而反应时在两种刺激间无显著差异。这表明成年阅读者对字母具有明显的加工优势，反映了其长期阅读经验形成的正字法专业知识。
3.2. ERP结果
事件相关电位分析揭示了字母与假字加工在多个时间窗口上的差异。在N1成分时段，假字诱发了比字母更大的负波；在随后的P2和P3成分时段，假字则诱发了比字母更大的正波。这些差异在经过对任务难度和刺激低水平空间特性等潜在混淆因素的控制后依然稳健，表明它们确实反映了与正字法专业知识相关的神经活动。
3.3. MVPA结果
3.3.1. 时间解码
多变量模式分析显示，分类器在刺激出现后约32毫秒就能开始有效区分字母和假字，解码准确率在刺激后约247毫秒达到峰值，并在此后直至600毫秒的时间内持续高于随机水平。这表明区分字母和假字的神经信息很早就出现并持续存在。
3.3.2. 时间泛化
时间泛化分析发现，在140毫秒至600毫秒的时间窗内，在某一时间点训练的分类器能够成功解码其他多个时间点的神经活动。这种广泛的跨时间泛化能力强有力地支持了字母加工是一个连续、级联的过程，而非严格的离散阶段。早期形成的神经表征在后续加工阶段得以维持和再利用。
3.3.3. 搜索灯分析
时空搜索灯分析进一步刻画了支持分类的神经模式在头皮上的分布变化。虽然存在时间泛化，但分类器在原始训练时间窗和泛化测试时间窗所依赖的脑电通道拓扑模式存在显著差异。例如，在N1时间窗训练的分类器，当其应用于P2或P3时间窗时，其发挥作用的脑区分布发生了改变。这提示我们，神经表征在时间进程中并非简单重复，而是在保持某种连续性的同时，其内在的神经基础发生了动态演变。
本研究通过结合ERP和MVPA，清晰地描绘了单字母识别的时间动力学特征。结果一致表明，字母加工并非由几个孤立的阶段构成，而是一个从早期感知到晚期更抽象表征的连续级联过程。早期在N1成分附近出现的字母特异性神经活动，不仅标志着正字法加工的启动，而且其表征会持续存在并参与到后续更高级的加工阶段中，同时其自身的神经基础也在不断演化。这一发现挑战了传统的离散阶段模型，为交互式、层级化的字母及词汇识别计算模型提供了坚实的神经证据。它强调了在阅读的早期视觉正字法加工中，不同时间点的神经活动之间存在高度的交互和连续性，早期感知信息会持续影响并融入后期的加工过程。理解这一动态过程对于揭示阅读的神经机制，以及探索阅读发展异常（如阅读障碍）的根源具有深远意义。
