儿童语言系统大脑表征的发展及教育启示

卢英俊 施 莹

【摘要】功能性脑成像技术使得人类探索语言发展过程的脑机制成为可能。当前, 发展认知神经科学家正试图描绘语言系统的基本因素——语音、词汇—语义及语法在大脑皮层中表征的典型发展进程。脑损伤、脑发育、第二语言习得、个体老龄化及特殊语言训练都会导致语言大脑表征的可塑性变化。儿童语言大脑表征发展的研究对于我们理解儿童语言发展的深层脑机制并科学地制订“基于脑”的儿童语言教育方案具有重要的指导意义。

【关键词】儿童语言发展;大脑表征;神经可塑性;发展认知神经科学

【中图分类号】G610 【文献标识码】A 【文章编号】1004-4604(2009)10-0040-06

在语言习得期间,大脑不仅存储语言信息,而且其结构和功能本身也会在语言经验的作用下产生适应性的发展变化。目前,研究者应用功能性脑成像技术在系统水平上对语言发展进行分析,并试图解释语言发展中深层次的神经机制问题。如:语言习得的终态在成熟大脑中如何表征?不同语言能力的习得是否对应于大脑的不同区域?大脑皮层的可塑性对于语言习得有何意义?在第二语言习得期间,某些特定脑区的激活是否发生了变化……本文试图在发展认知神经科学的视野下简述语音、词汇—语义以及语法这些基本语言因素在成熟大脑中的表征,并介绍这些基本语言因素的皮层表征伴随着人类发育而发展的典型进程。儿童语言大脑表征的发展认知神经科学研究,对于制订“基于脑”的儿童语言教育方案具有重要的启示意义。

一、语音在大脑皮层中表征的发展

最新的研究指出,大脑皮层是按照语言学系统特征来组织的,即言语加工的皮层表征系统可以进一步划分为语音系统、词汇—语义系统和句法系统,而不是听、说、读、写等表达系统。目前,对成人的功能磁共振成像(fMRI)与正电子发射断层扫描(PET)研究发现,听觉上的语音处理与颞上回后部(STG)的激活密切相关。而发展认知神经科学家正试图发现语音辨别能力与构音发声能力是如何在儿童脑发育的过程中逐渐发展起来的。

1.音素区分能力发展的神经机制

新生儿就已能够区分所有人类语言的语音对比(speech contrasts),且他们对语音的分类方式具有普遍性,如日语家庭的婴儿和西班牙语家庭的婴儿对音素的分类边界是一致的。婴儿区分母语与非母语语音对比的能力在出生后第一年的后期才开始发展。听觉事件相关电位(ERP)是研究婴儿何时对声音刺激敏感、对哪些方面敏感以及哪些脑区具有明显的语音区分能力的一种新型的重要研究工具。Rivera-Gaxiola等(2005)利用ERP的失匹配负波(MMN)成分,发现婴儿在7～11个月大时辨别母语辅音变化的神经电生理指标显著升高,而对非母语的反应指标却降低了。类似的变化也发生在婴儿6～12个月大时对母语和非母语元音的反应上。〔1〕

然而,ERP检测仍无法具体说明大脑是如何实际地完成这些转变的,为此Nakisa和Plunkett尝试建立了一种早期语音发展的神经网络模型:基于神经元的发育规律,对语音产生特定反应的神经网络在选择性压力下大量生成并不断繁衍,这种适应性也使得神经网络对同一音素尽量近似表征,对不同音素尽量区分表征。〔2〕

2.构音能力发展的神经基础

婴儿最早的咿呀学语从6个月大时就已开始,音素记忆痕迹的电生理指标继而出现,婴儿复述他人口语词汇的能力开始发展。咿呀学语对个体构音能力的发展影响深远。婴儿早期的咿呀学语似乎是由位于下额叶皮层区域的神经元活动造成的。发声产生声音,并激活了包括上颞叶区域在内的听觉系统神经元。下额叶和上颞叶区域之间的纤维束为构音能力的获得提供了物质基础。由于大脑左半球神经元对输入的声音中的语音特征更敏感,所以大脑的语音系统是单侧化的。这个单侧化的神经元系统能够记忆单词的构音模式,这对于婴儿复述他人口语词汇具有重要意义。〔3〕总之,咿呀学语对于建立语言特异性神经表征至关重要,这些构建好的感觉—运动联结对儿童复述口语词汇能力的发展是必不可少的。

二、词汇—语义在大脑中表征的发展

儿童词汇识别能力的发展有赖于大脑对序列结构与韵律结构的辨别能力以及从语音流中提取统计学特征以识别单词的能力的发展。词汇构音发声能力的发展则与Broca区、小脑及胼胝体的成熟相关。

1.词汇识别能力的发展及其脑内表征

(1)对序列结构与韵律结构的识别

婴儿在出生后的第一年不仅逐渐适应了母语的对比音位,还学会了区分单词和其他语言单位。Jusczyk和Aslin使用熟悉—偏爱注视范式证明了7个半月大的婴儿已具有辨别流利会话中的单词的能力。Jusczyk等研究发现,9个月大的美国婴儿和荷兰婴儿都喜欢听符合他们母语音位结构的单词序列;而6个月大的美国婴儿对这两种语言的单词序列都尚未表现出偏爱。还有证据显示,婴儿敏感于母语词汇的韵律结构,如处于前语言期的英语家庭婴儿能够辨认出英语双音节单词具有的扬抑格(强—弱)重音模式。Newsome和Jusczyk指出,7个半月大的婴儿已能从主要的语音流中切分出双音节单词。〔4〕

(2)提取统计学特征以识别单词

Saffran等对低龄儿童通过统计线索获得语言结构的能力进行了研究。他们指出,多音节单词的统计学特征对于婴儿切分单词可能非常有用。在一段话语语音素材中存在某种可测量的规律,婴儿可以把构成单词的反复出现的语音序列与跨单词的偶然出现的语音序列区分开来。8个月大的婴儿能够内隐地执行“统计数据计算”,在听取一段长达2分钟的人工合成的话语流后,他们表现出已经提取并记住了熟悉词汇的序列信息,将“单词”(反复出现的语音片段)从音节串中区分出来。〔5〕

(3)词汇—语义的大脑表征

大脑词库也称心理词典,是词汇信息在大脑中的存储。神经语言学家认为,大脑词库不是一个虚拟出来的词库,而是一个客观存在于人脑中的复杂系统。〔6〕脑成像技术的发展使得窥探大脑词库的实际脑内空间分布成为可能。Price总结的大脑语义系统分布在左下额叶、左下颞叶和后下顶叶。无论语义任务的内容与操作方式(写、看或听)有何不同,上述脑区都会出现激活。Cabeza和Nyberg则发现,语义任务往往会引起大脑左半球前额叶、颞叶、扣带前回和小脑的激活,这表明这些结构之间存在密切的功能—结构联系。〔7〕

在国内,金花等(2005)采用典型的语义提取任务及fMRI技术发现,与语义知识提取相关的激活区分布较为广泛,包括左半球额叶、枕叶、顶叶及右半球枕叶等脑区。不同类型语义知识的脑激活模式无论是在范围还是在强度上都存在很大的相似性,且汉语和表音文字相比在语义皮层表征上存在一定的差异。因此,儿童脑内词汇—语义表征的发展与额叶、枕叶、顶叶、颞叶及扣带前回等广泛脑区的成熟密切相关,同时受其语言习得的特殊经验影响。

2.词汇构音发声的神经基础

语言能力的发展根植于大脑听觉通路及对时间序列表征进行加工的通路的发展。大多数婴儿第一次说话发生在12~15个月之间并非巧合,因为这段时间在言语的运动成分中起重要作用的Broca区的左口面,部分树突激增;同时,由于小脑齿状核树突的广泛生长,小脑容量也得以增大。还有研究者认为,基于“表征物体的知觉图式存储于大脑右半球而词汇结构表征位于左半球”的假设,胼胝体的功能性成熟将大大提高左右半球的信息传输效率,使大脑能够将知觉图式与词汇表征相整合,从而帮助儿童在看见物体时能正确地构音发声。〔8〕

三、语法在大脑皮层中表征的发展

语言的使用者不但要掌握语言的基本单位,还需要具备根据这些基本单位来理解和构成更大的语言结构的能力。

认知语言学认为,正是这种结构构成了人的系统性语言知识,且这种知识不是静态的,而是动态的。句法是语言系统最核心的部分,因此,我们需要进一步探究与语句理解和句法加工相对应的脑部活动。

1.语句理解的大脑表征

语言理解任务的PET研究表明,听故事任务引起了左颞叶的激活,包括整个颞上回、颞极和颞中回的后部;颞叶激活往上延伸至Broca区,往下延伸至颞下回的前半部分,与枕颞沟重合。在右半球,激活主要发生在颞上回,最大激活出现在与枕叶皮层的联结处,一直往前延伸至右上颞极。在小脑中测得两个激活中心,都位于半月小叶,其中右侧激活更大。〔9〕

然而,听故事任务包含许多其他层次的语言任务,如语音通达和语义通达。如何排除其他更基本的语言认知活动的干扰,以精确定位与语句理解相对应的脑区呢?有研究者通过将参与语句理解和参与词汇判定任务的皮层激活进行直接比较,发现在视觉和听觉输入条件下,语篇水平都选择性地激活了左侧额下回脑区(IFG)从三角部(F3t)一直延伸到眶部 (F3O)的区域。此外,还有研究发现,左侧F3t/F3O和左侧中央前沟之间的功能性联结在语句任务期间显著增强,而在词汇—语义任务中却无此变化。〔10〕由此,我们可以推测左侧F3t/F3O脑区是一个区别于简单的词汇—语义处理而对应于选择和整合语义信息的功能区。

2.句法加工的大脑表征

有越来越多的证据显示,大脑左侧IFG中的岛盖部(F3op)和三角部(F3t)以及左侧前运动区皮层与语法处理相关。通过直接比较口头短时记忆任务和句法判断任务中的脑区激活,研究者发现左背侧IFG (F3op/F3t的一部分)和左侧前运动区皮层都存在对于句法的选择性激活,且这些区域的激活与句法结构分析过程相关。因此,Kuniyoshi指出人类左前额叶已被特异化,成为句法分析的区域,即所谓“语法中心”。

有研究者使用颅磁刺激(TMS)技术与最小配对的研究范式,发现TMS脉冲在左侧F3op/F3t部位选择性地缩短了外显句法判断任务的反应时,而对外显语义判断任务没有影响。〔11〕上述实验显示,大脑左侧F3op/F3t区域在个体语句加工过程中扮演了一个不可或缺的角色。

3.儿童“语法爆发”的神经机制

由上述对语句理解和句法加工的脑成像研究可知,儿童语法能力的发展极大地依赖于大脑左侧额下回区域与左侧前运动区皮层的结构和功能性成熟。Bates等(1992)指出,儿童的语法能力在16~24个月时出现的突然“爆发”,是基于许多相关皮层区域突触密度的急剧增大。综合前述脑成像研究结果,我们可以推测出正是由于大脑左侧额下回与左侧前运动区皮层内突触的大量增加,使得回路逐渐发育成熟,从而令处于“语法爆发期”的儿童的语法加工能力得到突飞猛进的发展。大多数正常儿童到4岁时已习得母语的基本形态与句法结构,达到“语法爆发”的终点。Bates等认为,语言的这种“稳定化”与大脑整体的新陈代谢率及突触密度的下降趋势相一致。

四、语言脑区表征的可塑性

人类大脑受经验的深刻影响,其语言相关脑区的表征具有很强的可塑性。研究表明,脑损伤、脑发育、第二语言习得、个体老龄化与特殊语言训练都能给语言的大脑表征带来显著影响。

1.脑损伤对语言脑区偏侧化的影响

言语加工的单侧化是人类脑半球特异化的标志性特征,大多数成年人的大脑左半球在语言能力方面起着更为重要的作用。然而目前发现,大脑半球的语言功能偏侧化存在一定的可塑性。如,有研究报告成年人在进行了胼胝体切开手术数年后大脑右半球发展出了语言功能;另一项ERP研究则记录了由中风引起的失语症病人在恢复过程中发生了语言功能的偏侧化转移。由不同原因引起的失语症也表现出了不同的恢复模式:典型的威尼卡失语症患者显示出语言功能持久向右半球转移的特征,而Broca失语症患者则表现为瞬时向右半球转移,继而又回复到左半球。〔12〕以上研究均表明大脑语言区具有相当长时程的神经可塑性。

2.脑发育过程中语言表征的可塑性

语言能力发展过程中一个有趣的现象是,大脑左、右半球对语言处理的贡献在个体毕生的发展中会有所变化。例如,在早期语言习得中,婴儿极大地依赖右半球所处理的韵律信息,因此可以推测右半球对早期语言习得至关重要。〔13〕此外,两岁之前大脑右半球损伤将比左半球损伤导致更大的语言习得缺陷,这一发现也支持了早期语言习得中右半球起主导作用的观点。

另一个可塑性的例证是,无论受损部位是脑的左前部还是左颞叶,5~8岁儿童都表现出非流利性的Broca失语症特征。从对成人的研究中我们知道,高度自动句法程序是由Broca区等额下脑区所支持的。因此,左颞叶受损而左侧额下脑区完好的成人会表现出流利性Broca失语症,而高度自动句法程序尚未形成的儿童却表现为非流利性Broca失语症。〔14〕这表明在个体毕生发展过程中,不同的语言功能相关脑区对语言处理的贡献会相对发生变化。

3.第二语言习得与皮层表征的可塑性

第二语言习得的经验同样能对大脑的语言表征产生显著影响。目前,有关双语大脑皮层表征的理论主要有共同表征理论与多重表征理论。前者认为母语与第二语言的皮层表征重叠;后者认为母语与第二语言的皮层表征分离。事实上,更深入细致的研究表明,母语与第二语言的皮层表征并非简单的重叠或分离,而是受多种因素的影响。第二语言的习得时间、两种语言的流利程度、语言获得方式和策略以及语言的性质等,都会显著影响双语的皮层表征。〔15〕如Kim等(1977)发现,晚期习得双语者的第二语言表征在额叶语言敏感区(Broca区)的空间分布上与母语分离;而早期习得双语者的第二语言表征则与母语在额叶皮层的表征趋于一致。此外,脑成像实验还发现晚期习得双语者更多地使用右脑来进行语言加工。〔16〕

最新的研究还发现,双语学习的经验甚至可以引起大脑解剖结构的改变。如Mechelli等人的实验表明,与单语者相比,双语者左侧顶下皮层灰质密度较大;而早期习得双语者相对于晚期习得双语者,灰质密度的增大更为显著;第二语言运用越熟练、习得年龄越小,该区域的灰质密度越大。〔17〕

4.个体老龄化与特殊语言训练导致的可塑性

不同语言子系统之间的作用及协调也会随个体老龄化而发生改变。如,对正常成年人的ERP研究显示,早期句法处理(即一重语法分析)引起的大脑反应与年龄无关,而结构再分析和修整的相关处理则会随着年龄而减缓。〔18〕特殊语言训练也能引起语言脑区表征的可塑性变化。如Temple等对阅读障碍儿童进行了改善快速听觉加工能力的特殊语言训练,继后的fMRI测试显示,儿童的左侧前额叶皮质激活明显较前增多。对阅读障碍儿童的ERP实验研究也证实,在言语知觉训练后MMN的反应幅度有所增加。〔19〕由此可见,训练可以导致儿童大脑的功能重组,而这种经验诱导的神经可塑性为矫治阅读障碍及其他语言障碍带来了曙光。

五、语言的大脑表征发展研究的教育启示

皮亚杰认为语言学习在本质上是一个建构性的过程。对语言大脑表征的发展及其可塑性的研究在皮亚杰的发展阶段理论与对脑发育过程的认识之间搭建了桥梁,其结论可为语言教学提供指导。〔20〕随着发展认知神经科学研究手段的进一步发展,我们将更深入地理解个体语言—大脑关系的发展过程,并为制订“基于脑”的儿童语言教育方案提供科学依据。

1.儿童语言学习应遵循大脑发育的轨迹

由前所述,儿童语言系统的基本因素(包括语音、词汇—语义及语法)在大脑皮层中表征的发展受到脑发育进程的约束。如ERP研究发现,儿童在6～12个月期间发展出分辨母语音素的能力,对语音流中序列结构与韵律结构的识别始于7～8个月大时,第一次开始说话的时间通常在12~15个月期间,在16~24个月期间出现所谓的“语法爆发”现象,直到4岁习得母语的基本形态与句法结构。这些语音、词汇、语义和语法能力的发展都有赖于其对应的特异性神经网络的成熟,具有鲜明的时限性。如果令尚未进入“语法爆发期”的儿童进行语法性质的语言学习,必导致事倍功半;而若在2～4岁语法关键期内对儿童进行潜移默化的语法或句法训练,则会事半功倍。因此,在0～4岁期间,在听觉通道上为儿童提供丰富多彩的标准母语环境的浸润,对其习得母语的音素、词汇和语法具有重要意义。

2.对儿童双语学习的启示

首先,双语学习不宜太早。6个月大的婴儿开始学习音位规则,而音位结构信息却是因语种而异的。如,在英语中单词可以由一个初始的“s”与其右边其他辅音构成(如sphere,、strategy),而在西班牙语中初始字母s加辅音的组合是违反规律的。太早开始双语学习的婴儿必须通过学习不同语言的音位结构来习得每种语言的词汇,可能会造成互相干扰。

其次,双语学习也不宜太晚。第二语言习得同样具有关键期。如,Wartenburger等(2003)运用fMRI技术研究习得年龄和熟练程度对意—德双语者加工语法和语义信息的影响。研究结果显示:(1)早习得、高熟练被试在语法判断任务中母语和第二语言的皮层表征区域几乎完全重叠;而晚习得、高熟练和晚习得、低熟练被试第二语言皮层表征区域比母语皮层表征区域更多。(2)第二语言熟练程度对语义的习得具有重要影响。这表明,不同语言学成分的习得机制存在差异,语法比语义更易受习得年龄的影响。而对于第二语言语音的习得,年龄因素的影响更为重大。Thompson等以第二语言习得年龄在4～42岁间的成人为被试,发现习得年龄是预测第二语言最终能达到的口音等级的最重要的指标。这表明浸入第二语言环境的年龄越小,最终对第二语言形成与母语近似发音的可能性越大。

因此,在儿童较好掌握母语的基础上,可以通过多角度地营造浸入式的第二语言语音环境,以适应儿童心理发展特征的方式让儿童从4～6岁开始学习第二语言。

3.设计特殊语言障碍儿童的矫治方案

利用儿童神经系统可塑性强的特点,对阅读障碍高危儿童进行早期干预,可以大大降低其学习困难的发生率。目前,国内外学者正研究如何使用行为学方法及ERP检测技术,对3~6岁儿童进行阅读障碍高危情况的早期筛查。〔21〕对具有阅读障碍高危倾向的儿童进行相应的特殊语言训练,可达到较好的矫治效果。

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Development and Plasticity of Cortical Representation of Child Language System

Lu Yingjun

(Hangzhou College for Kindergarten Teachers, Zhejiang Normal University, Hangzhou, 310012)

Shi Ying

(Jiangdong Experimental Kindergarten, Ningbo, 315040)

【Abstract】Recent advances in functional neuro-imaging have made it possible to explore the underlying brain mechanisms for human linguistic cognitive development. At present developmental cognitive neuroscientists are trying to describe how the linguistic factors of human languages,such as phonology, lexico-semantics and grammar,are typically represented in the cortical regions at various developmental stages. On the other hand, brain injury, brain development, second language acquisition, aging and special language training will result in plasticity of language cortical representation. Research on language cortical representation development can facilitate the understanding of brain mechanisms for language development and help scientifically establish brain-based child language teaching strategies.

【Keywords】child language development; cortical representation; neuro-plasticity; developmental cognitive neuroscience