腦發育和早期語言學習

/ 華東師范大學心理與認知科學學院教授

當我們討論語言能力的時候，通常是指個體聽、說、讀、寫以及與他人交流的能力。語言的認知能力是語言能力的基礎，語言能力更高級的階段是人類的社會文化能力。然而，聽、說、讀、寫這四個方面的能力并不全是與生俱來的?！奥牎钡哪芰υ趮雰河谀父怪袝r便已開始形成，“說”的能力一般在嬰兒六個月到一歲前開始發展，這兩種能力都是既有先天基礎，又是后天習得的。而回望人類演化的歷史進程，文字可以說是人類的一大發明，有了圖形和文字，文明才得以流傳，我們才得以進行閱讀。因此，相較于前兩種能力，“讀”和“寫”主要是通過后天習得的。一般而言，兒童要到五六歲才對兩者進行系統的學習。

喬姆斯基（Noam Chomsky）是近代最具影響力的現代語言學學者之一，他最廣為人知的觀點是兒童具有先天的普遍性學習功能，并稱之為“語言習得裝置”。他與?？拢∕ichel Foucault）進行辯論時曾經說過：“我們能不能從生物，甚至是物理的層面上來解釋（語言的）這種習得知識并進一步將它運用的屬性呢？ 我很難相信我們可以做到這一點。” 語言作為人類特有的能力并具有高度的復雜性，是人類最高等及復雜的一種認知能力，它和視覺、聽覺、運動等人類和其他物種所共享的底層的神經系統不同，語言的神經機制很難使用侵入性的動物模型等方法進行研究，所以在仍未發展出無損的神經影像學研究方法的時期，科學家很難對語言的腦機制進行系統的研究。近年來隨著神經科學、心理學、數學建模等學科的快速進步和積累，我們正面臨一個有機會深入了解語言——這種人類獨有而復雜的認知能力的生物機制的重要時期。

過去的二十多年中，美洲、歐洲、亞洲等多個國家啟動了國家級或國家聯盟級別的腦計劃，他們各有側重，但大部分腦計劃都包括了以語言和意識等人類最高級認知能力為目標的研究，并使用了腦電、腦磁、功能性磁共振成像、近紅外成像等不同方法，應用于不同年齡和人群。這些方法中有一些是基于大腦的腦電信號或者腦磁波的變化，有一些是基于與特定活動相關的大腦血氧信號的變化。它們各有優缺點，有些具有更好的時間分辨率，而另一些具有更好的空間分辨率。這些研究技術的發展，對于推動語言及其發展的神經機制研究起到了重要的作用。

我們知道，人的大腦分為左半球和右半球，其表面包覆的薄薄的一層稱為皮層，主要由神經元和膠質細胞等組成，因為它們看起來是深灰色的，所以稱作灰質。如果我們把灰質比作一張行政圖，上面的每個位置表示不同城市的話，皮層以下的白質就形成了一張立體交通圖，決定了不同腦區之間是否以及如何連接。左右半球之間就是由最大的白質——胼胝體連接起來的。上文提到的技術方法主要用于考察大腦灰質中的神經元活動，但同時，我們也需要了解這些腦區之間是如何協調工作的，因此對白質纖維束，或者說腦結構網絡的研究也同樣重要。也就是說，為了了解大腦是如何工作的，我們不但需要考察大腦的功能和功能網絡，還需要了解它們背后的結構和結構網絡。

從發展的角度來看，髓鞘化（myelination）的過程對腦發育非常重要。髓鞘是由髓鞘脂形成的，是白質的一部分。那什么是髓鞘化呢？髓鞘化是指髓鞘的發展過程，是新生兒的神經系統發展的必經過程。如果把我們大腦中的神經比作電線的話，髓鞘化就是在導電的銅線外面包上了一層絕緣的電線皮，以保證穩定高效的神經傳導。在母親懷孕早期，嬰兒的神經管就開始形成，之后的五個月左右，主要是細胞遷移的過程作用形成了大腦皮層；在出生前的最后兩個月一直到兒童十歲左右，持續進行著髓鞘化的過程。一般而言，新生兒剛剛出生時的大腦只有300克左右，髓鞘化還遠未完成。到三歲左右，兒童的大腦的重量就達到1.1公斤左右，差不多是一個成人大腦80%的重量，而一般成年人大腦的重量大概是1.4至1.5公斤。在這個發展過程中，大腦的體積和重量并不是線性增長的。在早期胚胎的形成過程中，腦的生長速度驚人；而出生后，隨著兒童的成長，腦發育過程仍在繼續，但速度減緩，并以不同的形式呈現。在出生的早期，我們不但看到大腦體積的增長，皮層的折疊形態也發生變化，在出生前的三個月左右，我們的大腦表面看起來還是相當平滑的，但到出生前的最后幾周直到出生后的首兩個月內，大腦的皮層折疊形態就發生了顯著變化，形成了和成人大腦相似的褶皺，與此同時，大腦灰質和白質的成熟度都在出生前幾周到出生后幾個月內快速地提升。在大腦的不同區域中，前額葉被認為是大腦的司令官，與認知控制、語言等在內的很多高級認知功能有關。在發展過程中，兒童的腦體積增長，前額葉灰質體積也在增長并發展成熟，除此以外，它們和大腦其他區域的聯系也變得更加緊密，從出生到十二歲左右，這種發展尤為迅速。這些近年來的研究成果得益于近年來基于神經影像學方法。特別是磁共振成像和功能性磁共振成像的快速發展，大大豐富了我們對于腦發育過程的了解。

腦的早期功能發展和腦結構的發展息息相關。從母親懷孕七個月左右到兒童十歲左右，髓鞘化過程一直在進行，與此伴隨的是大腦的不同功能，包括語言能力的發展。出生并不是語言能力形成的開始點。嬰兒在出生前兩三個月時已具有基本的視覺和聽覺能力。嬰幼兒腦發育和語言與相關認知能力發展的研究顯示，在早期聽覺能力的基礎上，嬰兒形成了對語音的識別能力，并逐漸形成語言及與其相關的認知能力。言語理解的過程涉及對連續的語音進行不同層次加工的過程，包括切分和辨別詞匯、對詞匯語義進行提取并整合多個詞匯的意義，并與已有的知識結合進行理解的過程。在對于其機制的討論中，常常被提到的一個問題就是語言學習的關鍵期。我認為語言能力形成并不具有單一的關鍵期，因為語言和視覺、觸覺等不同，它不是一個底層的能力。語言能力不是一種單一的能力，而是涉及很多不同的過程，包含一系列成分和一系列運算，必然會涉及很多不同的腦區和腦網絡。不同過程和子能力的發展階段也是非常不一樣的。

研究發現，早期經驗在語言能力的形成過程中具有重要的作用。出生幾天的嬰兒對于他們在胎兒期聽到的音樂、故事或者母親聲音等都會表現出偏愛。母親聲音有兩層意思，一層是嬰兒可以聽出來這是我媽媽，或者是聽起來很像我媽媽的女性，另一層是她講的是母語，也就是說嬰兒已經基本具有分辨出母語和其他語言的能力。對30周早產兒（早產10周）的研究發現，他們左側的前額葉可以區分不同的音節（如ba和pa），不管是誰說的；而右邊的大腦既區分音節，也會區分是誰在說。過去幾十年的很多臨床研究，包括著名的“裂腦人”研究指出，對大部分人來說，左腦對語言加工更為重要。但是近年研究顯示左腦和右腦在語言加工中各有各的作用，其機制遠比我們想象的更為復雜?；氐皆缙诎l展來看，Patricia Kuhl等人的研究表明，任何一個嬰兒在很小的時候，特別是在6～8個月之前，都是“世界公民”。所謂世界公民，指的是他們具有辨別任何語言中的不同的音的能力，而不像成人通常只有辨別母語中不同音的能力。例如“qi”和”xi”這兩個音，在6個月左右大的不同母語的嬰兒都覺得這兩個音有明顯的差別，到了10個月左右，英語環境的嬰兒就認為這兩個音沒有區別，而漢語環境的嬰兒會非常清楚地分辨。從六七個月到九十個月，短短兩三個月的時間，嬰兒對母語產生了基于統計規律的更有效學習，或者說通過過度學習對母語語音進行了歸類，但同時也降低了辨別其他語言中語音差異的能力。值得一提的是，在這個階段進行一些小小的改變就可以影響這種能力的形成。Kuhl的一項研究中邀請了一個臺灣母語的女性，給6～10個月之間的嬰兒上12次課，讓他們接觸漢語環境。結果發現，這些短暫的課程使在這一月齡段接觸了漢語環境的美國母語的嬰兒，在10個月大時，保留了對于“qi”和”xi”這兩個音的分辨能力，而這一月齡段沒有接觸漢語環境的嬰兒則沒有。所以說，在發展早期接觸不同語言環境對于嬰兒語言學習的靈活性是有益的，給半歲左右的嬰兒“磨耳朵”是有理論根據的。需要注意的是，研究也表明，在早期語言環境對語言能力的影響中，人的互動是相當重要的，光看電視可能無法達到同樣的效果。

近年的一些腦科學研究指出，大約2歲半的幼兒已經具有和成人類似的言語理解能力和機制。研究人員怎樣來研究這類問題呢？以腦電為例，研究人員常常用“違背”范式來研究語義加工。例如，讓幼兒聽“老師正在給同學們上課”（正常）和“老師正在給蘋果們上課”（語義違背），雖然語法上沒錯，但幼兒立刻發現后一句語義是不對的。同樣的方法也可以用于研究語法，例如讓幼兒聽“我馬上就去吃過了飯”或者“老師正在給跑步們上課”這樣的句子，這樣幼兒不需要主動做任何任務，我們就可以通過腦電來偵測他們對于語義、語法的加工。用類似的方法，我們現在了解到，兩歲半的幼兒已具有和成人類似的言語理解的加工能力，并逐漸形成越來越完善的言語表達能力。

那么，大腦的哪些區域負責語言加工呢？近年，借助臨床研究和腦成像研究，我們對此有了一定的了解。前人研究發現，言語產生主要涉及左半球的額、顳、頂網絡。從語言的不同功能來說，比如在言語聽覺方面，Hikkok和Poeppel將言語聽覺加工系統分為兩條通路，分別是與聲音、運動有關的背側通路和與聲音、語義有關的腹側通路；而在閱讀方面，具有代表性的區域為位于左梭狀回中部的視覺詞形區（visual word form area， VWFA），主要參與對詞匯視覺形狀的加工。此外， 讀寫時也會不同程度地涉及語音、語義、語法加工以及手部運動等腦區。

與聽、說不同，讀、寫的習得是語言能力發展的一個新階段。閱讀習得的過程首先是進行視覺和聽覺信息整合的過程。五六歲左右，兒童能夠將新習得的詞形（視覺）和他已有的知識，包括語音（聽覺），繼而語義和語法進行連結，形成新的功能網絡。近年研究發現，在任何一種語言中，視覺和聽覺的語言加工（聽和閱讀）都涉及類似的共同腦活動。雖然有一些學者認為漢語的獨特性使它在生物機制上與其他語言（如英語等）有所差異，但在視聽整合、神經環路等整體層面上，不同語言和書寫系統都具有較高的一致性和共通性。文盲學習閱讀的研究指出，言語和閱讀加工之間是相互影響的。如果兩者的連結過程中產生了缺陷，就可能給兒童的閱讀習得帶來困難，最典型的例子是閱讀障礙。閱讀障礙常常與早期語音形成上的缺陷有關，這種缺陷進而在兒童學習閱讀時進一步影響整合詞形和語音的過程。然而，閱讀障礙也不只是因為視聽整合的缺陷所造成的，其發生常常涉及很多其他相關問題，例如早期形成的詞匯量，或是非語言獨有但與語言發展所相關的認知能力，包括統計學習（statistical learning）和序列加工（sequential processing）能力等等。根據不同的研究統計，在漢語環境中有6%～12%的兒童存在閱讀障礙，被視作為高發障礙。從腦科學的角度探究其背后的生物機制，一方面有助我們了解語言及其發展的神經機制，另一方面也將幫助家長、教師及早發現和干預障礙兒童，并使其有機會獲得更好的個人發展。

總之，隨著腦科學研究技術的發展，我們得以更加深入地了解語言的發展過程及其背后的生物機制，并借此與教育、臨床和人工智能等領域的研究者和實踐者進行合作，切實地推進這一領域的理論進步和應用發展。