《Behavioural Brain Research》：Adaptation and anticipation mechanisms under unpredictable auditory perturbations: the role of perturbation type, stimulus complexity and cerebellar impairment.
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摘要
引言
动作与外部节律的对齐依赖于时间适应与预期，这两种机制可由适应与预期模型（ADaptation and Anticipation Model, ADAM）联合刻画。既往研究表明，小脑病变会在渐进性速度变化过程中破坏这些机制，但其在不可预测节律结
摘要
引言
动作与外部节律的对齐依赖于时间适应与预期，这两种机制可由适应与预期模型（ADaptation and Anticipation Model, ADAM）联合刻画。既往研究表明，小脑病变会在渐进性速度变化过程中破坏这些机制，但其在不可预测节律结构下同步过程中的作用仍不清楚。
方法
61名参与者（16名小脑受损者，45名对照者）完成了100拍/分钟的手指敲击任务，任务中设置了相位偏移（phase-shifts，±90°）或周期变化（period-changes，±10%）。研究通过量化不同步性（asynchrony）的均值与变异性评估同步表现，并使用ADAM估计适应成分（相位校正、周期校正）、预期成分（时间预测、预期性误差校正）以及噪声成分（timekeeper噪声、motor噪声）。采用混合效应方差分析（ANOVA）评估组别、刺激类型与扰动类型的效应，并通过回归分析识别同步变异性的预测因子。
结果
患者表现出更高的不同步性变异。两组从基线到扰动条件下的相位校正和周期校正均增加（p<0.001），且周期扰动引发的变化强于相位扰动（p<0.006）。对照组对节拍器刺激的校正更强，而患者在音乐条件下显著动用了周期校正（p=0.009）。在扰动条件下，时间预测依赖于对先前间隔的加权平均（p=0.008），这种现象在音乐条件下更明显，且在患者中尤为突出（p=0.0095）。预期性误差校正在节拍器条件下高于音乐条件（p=0.045），在周期变化条件下高于相位变化条件（p<0.0001），且刺激类型效应仅限于对照组。timekeeper噪声与motor噪声在扰动条件下均升高（p<0.0001），并且能够强烈预测同步变异性。
结论
周期变化比相位偏移更强地动员了适应机制，音乐比节拍器诱发了更大的校正反应。患者表现为对节拍器的相位校正降低、对音乐更依赖周期校正，以及更高的timekeeper噪声。研究结果表明，小脑参与了适应与预期的多个组成成分，并为设计靶向康复策略提供了启示。
本文发表于《Behavioural Brain Research》，聚焦于不可预测性听觉扰动条件下感觉运动同步（sensorimotor synchronization）的核心机制，重点讨论时间适应与时间预期如何共同支持个体将动作精确对齐于外部节律，并进一步检验小脑损伤在这一过程中的作用。感觉运动同步是人类与环境节律性交互的基础能力，广泛涉及言语、音乐、步行与康复训练等行为场景。既往研究通常将误差校正与预测加工分开考察，但真实同步行为依赖二者协同：一方面，个体需要根据外部节律偏差进行在线修正；另一方面，还需要依据先前时序信息形成对后续事件的时间预测。已有证据表明，小脑在时间加工、内部模型构建和误差校正中具有关键作用。尤其在节律逐渐变化时，小脑病变患者常表现出同步稳定性下降、变异性增大及部分预测参数受损。然而，在节律结构不可预测、且同时包含不同扰动类型与不同刺激复杂性的情境下，小脑对适应与预期各成分的贡献仍未被充分阐明。正因如此，研究人员采用适应与预期模型（ADaptation and Anticipation Model, ADAM）对该问题进行统一建模，以揭示小脑损伤如何影响相位校正、周期校正、时间预测、预期性误差校正以及中枢与外周噪声等多个过程成分。
研究人员开展了一项基于既有行为数据的二次分析，将健康对照与小脑损伤患者在手指敲击同步任务中的表现纳入同一计算框架。研究的基本思路是：通过在100拍/分钟节律下引入两类不可预测性听觉扰动，即相位偏移（phase-shifts）与周期变化（period-changes），并分别使用音乐与节拍器作为刺激材料，比较不同组别在同步精度、同步变异性及ADAM参数估计上的差异。研究最终表明，不可预测周期变化较相位偏移更强烈地调动适应机制；音乐刺激整体上可诱发更大的校正反应；小脑损伤患者虽然并非出现普遍性的同步丧失，但表现出特异性机制异常，包括节拍器条件下相位校正减弱、音乐条件下更依赖周期校正，以及更高的timekeeper噪声。上述发现说明，小脑不仅参与传统意义上的误差修正，也参与多层次的预测与时序整合过程，对理解小脑性共济失调相关节律障碍及制定更具针对性的康复方案具有重要意义。
就关键技术方法而言，研究纳入了来自既往相同实验范式的数据，共分析14名小脑损伤者与42名健康对照的手指敲击行为数据；任务要求参与者在100拍/分钟条件下与音乐或节拍器同步敲击，并经历±90°相位偏移或±10%周期变化。行为层面通过平均不同步性与不同步性标准差评估同步水平；模型层面使用ADAM分别估计相位校正、周期校正、时间预测、预期性误差校正、timekeeper噪声与motor噪声；统计层面采用混合效应方差分析（ANOVA）检验组别、刺激类型与扰动类型效应，并通过回归分析识别同步变异性的模型预测因子。
研究结果部分首先围绕同步行为总体表现展开。结果显示，小脑损伤患者的不同步性变异显著高于健康对照，提示其同步稳定性较差。这一结果与既往关于小脑病变导致时序控制精度下降的观点一致，也为后续从模型参数层面解释行为变异奠定基础。值得注意的是，文章强调患者的缺陷并非简单地表现为无法同步，而是主要体现在同步一致性与机制配置的改变。
在关于适应机制的结果中，研究保留了相位校正与周期校正两个核心构件。结果表明，两组参与者从基线到扰动条件下均显著提高了相位校正和周期校正，说明面对不可预测扰动时，个体会系统性增强误差修正。进一步比较发现，这种增强在周期变化条件下强于相位偏移条件，说明当外部节律周期本身发生改变时，仅靠瞬时相位修正并不足以维持同步，因此需要更强地更新内部时间基准。该结果直接支持了周期变化比相位偏移更能驱动适应加工的结论。从组间与刺激交互看，健康对照对节拍器刺激表现出更强校正，而小脑损伤患者在音乐条件下则显著启用周期校正，提示刺激复杂性会重塑适应策略，且小脑受损后这种策略分配发生改变。
在关于预期机制的结果中，研究聚焦时间预测与预期性误差校正两个部分。结果显示，在扰动条件下，时间预测更多依赖于对前序间隔的加权平均，而不是单纯依据即时事件进行反应。该效应在音乐条件下更明显，并且在患者中尤为突出，提示在复杂听觉结构和小脑受损背景下，参与者更倾向于利用既往节律信息进行持续追踪式预测。这一发现表明，小脑损伤并未消除预测加工，而是改变了预测所依赖的信息整合方式。与此同时，预期性误差校正在节拍器条件下高于音乐条件，在周期变化条件下高于相位变化条件，且刺激类型差异仅出现在健康对照中。这意味着较为规则、离散的节拍器刺激可能更利于内部计划与外部事件之间的比较与补偿，而音乐由于结构更复杂，可能削弱这种预先整合与快速校正过程；在患者群体中，该刺激调节效应减弱，也提示小脑在内外时序信息权衡中的作用。
在关于噪声成分的结果中，研究人员通过ADAM区分了timekeeper噪声与motor噪声。结果显示，两类噪声在扰动条件下均显著升高，并且都能强烈预测同步变异性。其中，患者尤其表现出更高的timekeeper噪声，说明其核心问题之一可能位于中枢时间维持与更新系统，而非仅仅是外周运动执行不稳。这一结果与小脑参与内部时钟、时序表征及内部模型构建的理论一致，也解释了为何患者在不同刺激和扰动类型下常出现更大的行为波动。
讨论部分总结指出，本研究通过将适应与预期纳入同一计算框架，揭示了不可预测性听觉扰动下感觉运动同步并非由单一误差修正机制驱动，而是多个相互作用过程共同决定。首先，周期变化比相位偏移更能引发强适应反应，说明当节律的周期结构本身被改变时，参与者必须对内部时间维持器进行更深层次重设。其次，刺激复杂性并非只是任务材料差异，而会显著改变校正与预测的资源配置；音乐可诱发更大的校正幅度，而节拍器更有利于预期性误差校正。再次，小脑损伤患者呈现出机制特异性异常，而不是所有同步成分一概受损。患者在节拍器条件下相位校正减弱、在音乐条件下更依赖周期校正，并伴有升高的timekeeper噪声，提示小脑参与从低层级时序修正到高层级时间预测的多个环节。这些发现对于康复具有现实意义，即不同声音材料和不同扰动方式可能有助于定向训练患者的特定时间控制成分。
研究结论部分可概括翻译如下：总体而言，对小脑损伤个体和健康对照的行为性感觉运动同步进行建模显示，听觉节律序列中的周期变化比相位偏移诱发了更强的适应反应。这体现在当速度发生渐进性漂移时，参与者在相位与周期两个层面都做出了比突发性偏移更大的校正。刺激复杂性进一步塑造了这些反应，音乐诱发了比节拍器更大的相位校正和周期校正。患者则表现出对节拍器较低的相位校正、对音乐更强的周期校正依赖以及升高的timekeeper噪声。整体结果表明，小脑参与适应与预期的多个组成部分，这些认识可为靶向性康复干预的设计提供依据。
