幼儿汉语口语感知特点及神经机制*

任桂琴 陈烜之 邹晓燕 曲可佳

(1辽宁师范大学心理学院,大连 116029)(2香港中文大学心理学系,香港 999077)

(3辽宁师范大学教育学院,大连 116029)

1 问题提出

幼儿期是语音发展的重要时期,幼儿的语音敏感性对阅读技能发展具有较强的预测作用(Burgess &Lonigan,1998)。口语感知问题是导致儿童日后阅读困难的主要原因之一(Boets et al.,2011),其发展水平直接影响儿童词汇量的增加和语法能力的出现(Fernald,Perfors,&Marchman,2006)。纵观文献发现,以往绝大多数相关研究是以婴儿和成人为被试的,对幼儿的口语加工研究并不多见。幼儿期是言语发展必不可少的一个阶段,目前仍不清楚,幼儿如何辨别口语语音、如何加工口语词汇、以及幼儿口语感知的脑机制存在哪些特点。

口语感知的核心问题是听者如何由话语的声音信息获得语义。口语感知过程可以看作是刺激驱动的自下而上的感知过程与自上而下的依随经验(experimence-dependent)交互作用的过程(Klein, Zatorre,Milner,&Zhao,2001)。该过程是否对所有声音信息进行同等的加工,或是否存在特定的神经回路是口语感知的神经机制需要回答的主要问题(Shtyrov,Kujala,Palva,Ilmoniemi,&Näätänen, 2000)。汉语作为一种声调语言(tone language),在词汇的语音构成上存在独特的特点。汉语词汇的语义信息既负载在音段信息(如元音、辅音)上,也负载在超音段信息(如声调)上,而且音段信息与超音段信息之间只存在很小的共变性。这些特点为检验口语感知的神经机制模型提供了理想的实验材料。此外,汉语的这些特点有别于非声调语言。例如在英语中,重音作为超音段信息一般不具有负载语义的功能,这与声调能够用以区分汉语语义的特点形成了鲜明的对比。以汉语为实验材料的研究将揭示声调语言口语感知的独特特点,为完善已有建立在非声调语言研究基础上的相关理论提供实验依据。

本项目将以汉语语音为实验材料,充分利用汉语不同于非声调语言的特点,围绕口语感知的核心问题,探讨幼儿汉语语音辨别特点、口语词汇识别过程、以及幼儿口语感知的脑机制等问题。

2 相关研究回顾

2.1 儿童语音辨别特点及研究方法

在生命的前几个月里,婴儿既能够辨别发音相似的辅音(如/b/vs./p/),也能辨别发音相似的元音(如/ee/vs./oo/)。这种对语音差别的敏感性不仅存在于母语中,也存在于非母语的语音辨别中,这与成人辨别非母语语音时表现出的困难形成了鲜明对比。婴儿在生命的第一年里,辨别非母语语音的能力逐渐下降,而辨别母语语音的能力不断提高(Kuhl et al.,2006)。音段信息和超音段信息的口语感知重组时间是不同步的,音段信息早于超音段信息(Mattock,Molnar,Polka,&Burnham, 2008)。

用于考察婴儿语音辨别的方法主要有条件性转头程序(conditioned head turn procedure)、习惯/去习惯观看程序(habituation/dishabituation looking procedure)、眼动方法(eye tracking)和ERP技术等。在婴儿条件性转头程序中(Werker,Polka,&Pegg, 1997),当婴儿觉察到背景声音或类别声音发生变化时,将条件性地将头转向声源。正确朝向转头得到的强化是声源处的黑盒子会变亮,并使电动玩具开始运动起来。此外还有转头偏好(head turn preference)、刺激改变偏好(stimulus alternating preference)等程序(Inoue,Nakagawa,Kondou,Koga, &Shionhara,2011)。

以上这些方法可以有效地探测婴儿的语音辨别,但对幼儿的语音辨别并不完全适合。例如,使用眼动方法,Newton,Chiat和Hald(2008)对2～7岁儿童语音辨识进行了研究,没有发现年龄效应和语音辨别的难度效应。尽管作者将实验任务描述为语音辨别任务,但对于该年龄段的儿童而言,可能已经不再是辨别任务,而是词汇识别任务,因为该任务需要儿童准确地感知语音,并与显示器上的图片进行匹配,这一过程很可能已经通达了心理词典中的词条,只是在行为反应上难以体现出来而已。

研究幼儿语音辨别的一种理想方法是ERP技术,其中失匹配负波MMN(Mismatch negativity)是反映声音信号早期加工的一个有力工具,而且适用于所有年龄段被试(Ragó,Honbolygó,Róna, Beke,&Csépe,2014)。Lee等人(2012)对汉语4～6岁儿童辨别汉语声调、元音、和起始辅音进行了研究。结果发现,相同年龄组儿童对这三类音节特征的反应均诱发了MMN和PMMR成分,声调、元音诱发了MMN成分,起始辅音诱发了P-MMR成分。虽然注意过程能够对MMN的波幅产生影响(Grimm&Schröger,2005),但该成分可以在没有实验任务的情况下自动产生(Holeckova et al., 2008)。这一特点体现了使用MMN研究婴幼儿听觉语音辨别的优势,即不需要儿童做出外显的行为反应,依然可以探测到儿童的认知加工过程。在本项目中,我们拟采用ERP技术,关注MMN成分,探讨幼儿在前注意阶段和注意阶段辨别汉语音段、超音段信息的特点。

2.2 儿童口语词汇识别及研究范式

口语词汇识别(spoken word recognition)涉及到的主要问题是听者如何将词汇的声音模式与词汇的意义对应起来,即如何由语音通达词汇的意义。采用跨通道启动范式,Soto-Faraco,Sebastián-Gallés和Cutler(2001)对母语为西班牙语的被试进行的研究发现,听觉词汇识别中音段和超音段信息对语义激活的作用是相同的。Zhou,Qu,Shu, Gaskell和Marslen-Wilson(2004)对汉语词汇声调作用的研究发现,由声调不匹配导致的抑制作用会抵消由音段信息匹配所产生的促进作用,这种抑制作用有赖于声调的不匹配程度。

Quam和Swingley(2010)考察了音高变化对词汇意义理解的影响时发现,尽管母语为英语的2.5岁的婴儿和成人一样,不能将音高的变化与新词的意识匹配起来,但婴儿对音高变化的感知有别于对元音变化的感知。研究(Lee,Tao,&Bond, 2008)表明,母语为汉语的成人被试对声调的识别具有相当的准确性,即便仅保留声调的部分信息,正确率依然很高(高于86%),只是二声声调与三声声调的识别容易发生混淆。

眼动追踪技术是口语词汇识别研究的理想方法,可以在不干扰正常听觉输入的情况下考察语音信息的加工过程。视觉世界范式(visual world paradigm)是使用眼动方法考察口语词汇识别的常见研究范式(Tanenhaus,Spivey-Knowiton,Eberhard, &Sedivy,1995)。在这种范式中,往往要求听者使用鼠标,根据指导语将显示器上物体图片移动到相应位置,同时记录被试的眼运动。呈现的物体图片一般有4个,分别位于显示器的上、下、左、右,并对图片的位置做平衡处理。通过变化目标图与干扰图的语音信息,考察候选词的激活情况。

近年来,这一眼动研究范式已被应用于婴幼儿的口语识别研究。Sekerina和Brooks(2007)对比分析了5～6岁儿童和成人口语词汇识别中的队列效应(cohort effects)。结果发现,虽然不同年龄组被试的眼动模式是不同的,即成人更早地注意到词汇竞争的存在,但该年龄段儿童表现出的队列效应与成人是类似的。在最近的一项研究中, Bergelson和Swingley(2012)采用眼动方法,使用看-听(looking-while-listening)任务对6～9月的婴儿口语词汇识别进行了研究。显示器上成对呈现食物及身体部位的图片,婴儿听到的句子是以每秒4个音节的缓慢速度呈现的。结果发现,6个月的婴儿已经具备了理解口语词汇意义的能力。在该项目中,我们拟采用眼动方法,使用视觉世界范式,探讨音段和超音段信息对3～5岁幼儿汉语口语词汇识别的作用。

2.3 口语感知的脑机制

口语感知涉及到的关键问题是,大脑是否对所有声音进行同等的加工,或者大脑是否具有加工语音的特殊机制(Shtyrov et al.,2000;任桂琴,刘颖,于泽,2012)。与该问题密切相关的一个更为具体的问题是,在口语感知中,大脑两半球功能的不对称是依据哪些线索进行分工合作的？近年来这一问题引起了研究者们的高度关注。

功能假设(functional hypothesis)认为,决定脑功能偏侧化的线索是听觉刺激的功能(Liberman &Whalen,2000)。当语音模式中携带更多的言语信息时,语音的加工偏向大脑的左半球,反之,偏向大脑的右半球。支持功能假设的证据主要来自双耳分听(Wang,Jongman,&Sereno,2001)和fMRI或PET等脑成像研究(Gandour et al.,2002)。声音假设(acoustic hypothesis)认为,听觉刺激的声学结构决定了大脑两半球的功能偏侧化特点(Zatorre,Belin,&Penhune,2002)。体现频谱变化的声音(spectrally variant sounds)主要在大脑的右半球得到加工,而体现时间变化的声音(temporally variant sounds)主要在大脑的左半球得到加工。

近年来研究者们提出了动态理论模型对这些不同的实验发现进行了阐述。Zatorre和Gandour (2008)认为,这种两分的观点可能并不是相互对立的,晚期的言语加工可能来自于早期的声音加工(Zatorre et al.,2002)。最近有研究者提出了两阶段模型(two-stage model),该模型认为,在早期自动加工阶段,口语是作为一般的声音信号被加工的,加工优势位于大脑右半球,但到了注意阶段,是口语的语义表征获得加工,加工优势位于大脑左半球(Luo et al.,2006)。

对于言语功能处于发展阶段的儿童而言,大脑两半球是否也具有类似的分工特点？Wartenburger等人(2007)对这一问题进行了探讨。研究发现,4岁儿童的口语加工也具有半球优势,语音信息的加工偏向于大脑左半球,韵律信息的加工偏向于大脑的右半球。这一特点是否具有年龄效应？即不同年龄儿童在口语感知中是否存在不同的大脑激活模式？若不同,各自存在怎样的特点？这些问题对于理解人类语言加工的发展机制具有重要意义,然而,目前这些问题仍没有得到深入的研究。

3 研究构想

3.1 以往研究的不足

口语感知研究为我们理解言语加工过程、理解大脑功能提供了重要依据。然而,目前该领域的研究在研究对象,研究材料,甚至研究方法等方面仍存在不同程度的局限性。纵观以往研究可以看出：

(1)以往关于口语感知的研究主要以成人和婴儿为研究对象,以幼儿为被试的研究还特别少见。本项目将以3～5岁幼儿为研究对象,探讨幼儿口语感知特点及神经机制。来自幼儿口语加工的研究结果将弥补以往研究的不足,为理解人类言语加工的发展过程及发展机制提供实验依据,毕竟,幼儿期是言语发展必不可少的一个阶段。

(2)已有口语感知的理论模型主要是基于非声调语言的研究建立起来的,对于汉语这样的声调语言并不完全适用。声调和非声调言语的不同主要是通过语音体现出来的,以声调语言为实验材料的口语感知研究将有助于理解人类语言的共性和个性。我们将以汉语为实验材料进行口语感知研究,研究结果不仅有助于深化汉语口语加工的认识,也将为完善已有口语感知模型提供新的实验证据。

(3)以往对口语感知的核心问题,如语音辨别、口语词汇识别以及口语感知脑机制进行研究时,所采用的研究方法及研究范式多种多样,但有的方法并不能有效地探测相应的认知过程。我们将根据具体的研究问题和研究目的,有针对性地选取研究方法及研究范式,以期获得有说服力的实验发现。

图1 幼儿口语感知的研究框架

3.2 幼儿听觉语音辨别研究

本研究结构图如图1所示。

由以往研究可知,ERP技术是研究语音辨别的一种理想方法。MMN成分是反映声音信号早期加工的一个有力工具,而且适用于所有年龄段被试(Cheour,Leppänen,&Kraus,2000)。MMN可由传统的 Oddball范式产生,也可以由新的Oddball范式产生(Näätänen,Pakarinen,Rinne,& Takegata,2004)。虽然注意过程能够对MMN的波幅产生影响(Grimm&Schröger,2005),但该成分可以在没有实验任务的情况下自动产生(Jacobsen et al.,2004)。这一特点体现了使用MMN研究婴幼儿听觉语音辨别的优势,即不需要儿童做出外显的行为反应,依然可以探测到儿童的认知加工过程。

本项目拟采用ERP技术,考察幼儿在前注意阶段和注意阶段辨别汉语音段、超音段信息的特点,探讨幼儿如何辨别元音、辅音、以及汉语的4个声调,尤其是,哪些语音信息是幼儿在前注意加工中能够辨别的,哪些是在注意加工中能够辨别的。对于前注意阶段的加工,我们使用的是被动Odd-ball范式,关注MMN成分。对于注意阶段的加工,我们使用的是主动Odd-ball范式,除了关注MMN成分以外,也关注N1、N2b、P3a等成分的变化。根据以往我们对幼儿的研究(韩玉昌,任桂琴,2006),3岁儿童难以按照要求完成外显的实验任务,而注意阶段的加工需要儿童做出外显反应以完成语音辨别任务,因此,对于前注意阶段的加工,我们选取的是3～5岁的幼儿,对于注意阶段的加工,我们选取的是4～5岁幼儿。

由于汉语普通话的4个声调在声学特征上存在不同的相似程度(如图2所示,Xu,1997),并对被试的前注意加工产生影响(Lee et al.,2012),因此我们将考察幼儿对不同声调的辨别加工,以揭示声调变化对幼儿口语语音辨别的影响。声调辨别的实验中我们将设置不同的Odd-ball刺激序列,选择邻近的声调对比,例如,/tone1/和/tone4/; /tone1/和/tone2/;/tone2/和/tone3/,1个区分度相对较大的声调对比,例如,/tone1/和/tone3/。鉴于幼儿的认知特点,实验程序中我们将设置多个block,以保证幼儿能够得到充分的休息。

图2 汉语普通话中4个声调的声学特征(Xu,1997)

3.3 幼儿口语词汇识别研究

这部分内容我们将综合使用眼动方法和ERP技术,探讨音段和超音段信息在幼儿口语词汇识别中的作用,以及幼儿对汉语词汇语音的敏感性。近年来眼动方法被应用于婴幼儿的口语识别研究。Sekerina和Brooks(2007)对比分析了5～6岁儿童和成人口语词汇识别中的队列效应。结果发现,虽然眼动模式是不同的,即成人更早地注意到词汇竞争的存在,但该年龄段儿童表现出的队列效应与成人是类似的。对于年幼儿童的口语词汇识别,Fernald等(2006)设计了一种适合15～25个月龄儿童的听—看眼动程序(listening-whilelooking procedure)。该程序降低了任务要求,减少了干扰图片的数量。显示器上成对呈现图片,要求儿童在两个物体图片间做选择,并放慢了语速。儿童口语词汇识别的准确性和识别速度是通过注视点的转移及转移的平均潜伏期体现出来的。有趣的是,24个月的婴儿也表现出了词汇竞争的队列效应(Swingley,Pinto,&Fernald,1999)。尽管使用眼动方法考察口语词汇识别的优势已得到了普遍认可,并可以应用于不同年龄段的被试,但目前对幼儿的口语词汇识别研究还特别少见。

本项目拟采用眼动方法,使用Tobii X120型眼动仪,全景式记录幼儿的反应。运用视觉世界范式,探讨音段和超音段信息对幼儿口语词汇识别的作用。视觉世界范式对幼儿正常的认知加工过程不产生干扰,且与幼儿的日常学习情境极为接近,即幼儿听到话语的同时能够在显示器上看到对应的图片。通过分析一系列的眼动指标,揭示音段和超音段信息的作用,即不同语音信息在口语词汇识别中所表现出的队列效应特点,并对不同年龄段幼儿的数据进行对比分析。

来自跨语言的研究表明,母语被试能够辨别母语词汇中声音信息的细微变化,而非母语被试并没有表现出这一特点(Pulvermüller et al.,2001; Jacobsen et al.,2004;Tervaniemi et al.,2006)。通过变化芬兰语词汇的元音和辅音,Pulvermüller等(2001)发现,芬兰被试在加工真词刺激序列时产生的MMN显著高于假词刺激序列的加工情况,而母语为俄语和德语的被试在加工这些刺激时并没有表现出这一特点。被试对母语词汇声音的敏感性也表现在非言语声音的加工过程中(Tervaniemi et al.,2006)。我们感兴趣的是,幼儿是否也具有这种语音敏感性？与成人相比,存在哪些特点？

本项目拟采用ERP方法,使用被动Odd-ball范式,探讨幼儿在前注意加工阶段对汉语词汇语音的敏感性。为了获得更为纯净的MMN成分,采用Odd-ball新范式(Näätänen et al.,2004)呈现实验刺激。研究(Pulvermüller et al.,2001)表明,这种方法能够准确地揭示语音的敏感性。实验结果分析MMN的波幅、潜伏期,并比较不同年龄段幼儿的加工特点。

3.4 幼儿口语感知的脑机制

LORETA (Low-resolution electromagnetic tomography)是一种功能性脑成像的估计方法(Pascual-Marqui,1999)。这是一种解决了EEG相反问题的算法,是通过发现所有与头皮分布一致的可能的求解中最平滑的解来得以实现的(Pascual-Marqui,Michel,&Lehmann,1994),其空间分辨率为7毫米。尽管与fMRI、MEG等脑成像方法相比,LORETA是一种大脑功能定位的粗略估计方法,然而,它能够在ERP获得精确时间信息的同时,获得相应的空间信息。它能够提供大脑在某一时段中的空间信息,为理解口语感知的时间-空间特点提供依据。研究(Ren,Liu,&Han,2009; Ren,Yang,Li,2009;任桂琴,韩玉昌,周永垒,任延涛,2011;Marco-Pallarés,Grau,&Ruffini,2005)表明,LORETA分析技术是进行大脑功能定位的一种有效研究方法。

本项目拟采用ERP方法,结合LORETA源定位技术,探讨幼儿音段和超音段信息加工的大脑偏侧化活动模式,揭示幼儿口语感知中大脑两半球分工合作的特点,并进一步回答幼儿口语加工中是否存在语音特异性等问题。实验关注MMN波幅、潜伏期的变化,并采用LORETA源定位技术分析大脑活动的来源。此外,我们将对比分析3岁、4岁、5岁幼儿对这些材料的加工特点,揭示幼儿期口语感知的发展机制。

对音段和超音段信息加工过程中脑机制的探讨,我们将分别进行元音和辅音对比;元音和声调对比;辅音和声调对比。实验材料为汉语单音节词汇的声音文件,由专业发音人录制。要求被试观看无声动画片,忽视耳机里的声音。研究表明,这种音段与超音段的对比加工有助于揭示口语感知中大脑功能偏侧化的本质原因。Luo等(2006)通过对比成人声调和辅音的加工模式提出了口语感知两阶段模型。本研究中我们通过三个实验对语音信息感知进行两两对比的原因在于：一是根据Hua和Dodd(2000)提出的语音凸显假设(phonological saliency hypothesis),声调、元音、辅音等语音信息的语音凸显性是不同的,而这种语音凸显性是由它们在汉语语音系统中的作用决定的,即它们在汉语语音系统中具有不同的作用;二是目前缺乏关于幼儿自动加工音段和超音段信息的研究。

4 小结

目前仍不清楚,作为言语发展的一个必经阶段,幼儿期不同年龄儿童口语感知存在哪些特点？与成人相比,幼儿口语感知过程中的大脑活动存在哪些独特特点？本项目以3～5岁幼儿为研究对象,综合使用眼动方法和ERP技术,采用多种研究范式,探讨幼儿听觉语音辨别、口语词汇识别、以及口语感知的脑机制。这些探讨对于揭示幼儿的口语感知特点以及理解人类大脑言语功能的发展变化具有重要意义。研究结果将揭示幼儿口语感知的认知模式,深化幼儿言语发展认识,拓展已有以成人和幼儿为被试的研究发现,并为完善以往基于非声调语言建立的口语感知模型提供新的实验证据。

已有口语感知的理论模型主要是基于非声调语言的研究建立起来的,对于汉语这样的声调语言并不完全适用。声调和非声调言语的不同主要是通过语音体现出来的,以声调语言为实验材料的口语感知研究将有助于理解人类语言认知加工的共性和个性。本项目中我们将以汉语为实验材料进行口语感知研究,研究结果不仅有助于深化汉语口语加工的认识,也将为完善已有口语感知模型提供新的实验证据。此外,研究结果对言语损伤儿童、阅读障碍儿童的语音加工诊断和实践训练具有一定的理论指导意义。

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