科研实践

张丹丹教授研究进展：新生儿对音素的快速学习

 

近日，我院张丹丹教授的研究论文被《Nature Human Behaviour》接收，该杂志为Nature出版集团在人类研究领域的重要子刊（2021年IF = 16.1）。文章的第一作者为宁波大学外国语学院的吴燕京教授和北京大学第一医院儿科的侯新琳教授，通讯作者为深圳大学心理学院的张丹丹教授。研究主要发现，出生当天的新生儿大脑的额下、颞上、顶下皮层仅在五小时的元音播放环境中就发生了具有语音特异性的神经可塑性改变，表明人类刚出生即可利用语言的感知-运动神经系统快速习得作为语音核心要素的元音。该发现挑战了当今发展语言学的主流观点，即人类对语音的感知和分辨能力是与生俱来的。该研究受到了发展语言学泰斗、美国科学院、艺术与科学院双院院士Patricia K. Kuhl教授的高度评价，并推荐论文优先发表。

 

研究背景                                                      

人类新生儿对语言具有高度的敏感性，刚出生的新生儿可以加工各种复杂的语音刺激。例如，新生儿更偏好语音而不是非言语声音，更喜欢妈妈的声音而不是其他女性的声音。音素包括元音和辅音，音素是语音中能分辨出的最小单元，“音素辨别(phonetic discrimination)”是语言能力发展的基石，也是发展语言学领域在人类新生儿阶段主要关注的语言能力。

 

目前发展语言学界较公认的观点是，刚出生的新生儿可以分辨绝大多数语言中的音素，接着它们在生后的数月内逐渐对母语中的各种音素类别更加敏感，即发生语音感知的特异性转变(Cheour et al., 1998; Kuhl, 2010; Werker et al., 2012)。不但如此，如果将观察窗提前至胎儿时期，由于听觉系统从胎龄24周起即开始运作，大脑对语音的听觉表征及神经可塑性改变在子宫内就开始形成了。这种主流观点的代表性人物为Patricia Kuhl教授，她是“音素发展(phonetic development)”领域的泰斗。在Kuhl课题组的一项经典的行为学研究中，新生儿被分别暴露在母语和非母语的元音环境中，结果发现新生儿吸奶嘴的频率在母语和非母语条件间，以及非母语的典型元音和非典型元音条件间出现了差异(Moon et al., 2013)，这表明新生儿大脑不但对两种语言都敏感，而且子宫内的学习经验已经影响了新生儿对不同语种元音的感知。更重要的是，该研究还提示，宫内学习效应似乎不会受到生后语音暴露时间的影响，因为不论是生后7小时还是生后75小时的新生儿，它们在上述不同语音条件中的元音感知表现并没有差异。尽管75小时的“出生后学习(postnatal learning)”时间比较短，Moon等(2013)的发现表明，新生儿的语音感知系统在出生时已达到了相当程度的成熟和特异化。

   

研究方法

 

纳入出生当天的健康、足月新生儿75名，随机均分为三组：实验组(experimental group)、主动控制组(active control group)、被动控制组(passive control group)。实验过程如图1A所示。音素学习前测试新生儿大脑对元音材料A的反应。基线测试(baseline, T0)结束后，实验组和主动控制组的新生儿分别暴露在元音材料A和元音材料B的环境中5小时，进行音素的被动学习；被动控制组保持5小时的环境静默。音素学习后即刻，测试新生儿大脑对元音材料A的反应(Test 1, T1)。之后让所有新生儿在安静环境中自然睡眠，持续2小时（注：新生儿一个完整的睡眠周期约1.5小时）。睡眠2小时后，测试新生儿大脑对元音材料A的反应(Test 2, T2)。三次音素测试的材料相同、程序相同，均采用近红外成像设备记录全脑的血氧浓度变化（图1B）。

 

图1 研究方法。A实验过程 B实验中的新生儿

 

主要发现及讨论

研究首先发现，含氧血红蛋白浓度的幅值在双侧颞上(superior temporal, ST)、缘上(supramarginal, SM)和左侧顶下皮层(inferior parietal, IP)升高，但该神经改变是在语音学习后经过两小时的睡眠巩固才出现的（图2A）。成人的ST皮层和左侧IP皮层是言语理解的重要脑区，SM皮层（Wernicke区的组成部分）在词语和言语片段的语音和语义加工中扮演着重要角色。SM皮层的损伤会引起感觉性失语症，患者无法将口语和书写语言联系起来，不能理解言语的意义，不少研究者认为这可能是因为SM脑区负责的内隐发音（默读）功能受损造成的(Nakai et al., 2017; Stoeckel et al., 2009)。本研究双侧SM和左侧IP皮层的结果表明，收听元音可能会触发新生儿脑内尚处于萌芽阶段的模仿网络(imitation network)工作，该网络是婴幼儿语言学习的核心系统——语音感知-生成环路(perception-production loop)的雏形。

 

同时研究发现，含氧血红蛋白浓度在双侧额下脑区(inferior frontal, IF)发生了峰值的潜伏期的提前（图2B）。成人的额下回是背侧听觉通路的重要组成部分（Broca区），负责语言加工特别是言语生成、言语理解、语音监控。本研究在IF脑区的发现表明，语音学习提高了新生儿元音感知的神经效率（因为潜伏期变短了）。

图2 血红蛋白浓度的改变

 

A双侧颞上(superior temporal)、缘上(supramarginal)和左侧顶下皮层的含氧血红蛋白浓度变化：实验组被试在睡眠巩固后，含氧血红蛋白浓度上升。图示数据来自近红外数据的第7通道(left superior temporal region)。

 

B双侧额下脑区(inferior frontal)含氧血红蛋白浓度变化：实验组被试在语音学习后即刻，含氧血红蛋白浓度的潜伏期缩短。图示数据来自近红外数据的第6通道(left inferior frontal region)。

 

研究结果表明，新生儿在基线阶段（即宫外语音学习之前）无法区分元音和对照音。该结果与Moon等(2013)的发现不一致。包括Moon等(2013)在内的已有研究往往采用较复杂的语音作为实验材料（例如讲故事的声音），这些材料或多或少含有韵律(prosodic)信息。可能正是因为韵律信息的存在，已有研究得到的结论是：新生儿出生时即具有音素辨别等语音感知能力(Peña et al., 2003; Sato et al., 2012)。新生儿出生时可以分辨出语音中的部分韵律信息，这说明胎儿时期语音刺激经过子宫等组织的滤波，部分韵律信息仍被保留下来传入宫内。但本研究中，元音材料几乎没有韵律变化(prosodic variation)，而且采用逆时序播放的元音作为对照音，这导致进行对比的两种声音的物理属性差异非常小。这种细小的语音差异几乎不可能在子宫等组织对声音的滤波和衰减中保存下来，无法传递给胎儿，因此本研究发现新生儿在基线阶段无法区分这两种声音。但值得注意的是，仅仅经过了五小时的语音学习（在此阶段新生儿收听随机播放的元音和对照声），新生儿的大脑就对我们的实验材料具有了音素辨别能力。

 

本研究表明，人类在出生时即具备了语音学习能力：短时间的元音学习导致了神经可塑性改变，但这种学习效应没有在对照声（非语音）条件观察到。更重要的是，我们发现的语音学习效应主要发生在大脑的双侧IF/ST/SM以及左侧IP皮层，这些区域恰好对应成人的镜像神经网络（包含Broca区、ST以及左侧IP皮层）。这些脑区在识别和模仿他人言语相关的动作中起到了重要作用，而言语模仿是语言学习过程中连接语音感知和语音生成的最重要的桥梁。不少学者认为，以Broca区为代表的镜像表征系统在语音感知和语音生成的模仿学习中起到了关键作用(Rizzolatti & Arbib, 1998)。

 

研究的静息态脑功能连接结果进一步证实了上述脑区对语音学习的重要性：与对照组相比，实验组新生儿的大脑在元音学习后出现了更多的神经同步性改变，主要表现为IF（对应成人的Broca区）、ST、IP脑区（对应成人的Wernicke区）之间的功能连接增强（图3）。因此，脑功能连接结果再次印证了语音的感知-生成环路(sensory-motor loop)在语言发展中的重要作用。该环路对新生儿收听到的语音刺激进行从语音感知表征到（阈下）语音生成的过程，一旦婴儿的语言运动系统发展成熟，该环路就能帮助婴儿进行模仿发声，这就是婴儿的咿呀学语，也称为语言学习的babbling阶段。发声模仿(vocal imitation)对婴儿的语言学习非常重要，因为该过程可促使语言相关的感知脑区和运动脑区之间形成突触投射，所以又称为感知-运动学习(sensorimotor learning; Kuhl & Meltzoff, 1996)。虽然发声模仿通常在婴儿6月龄时才出现，也有学者在20周龄的婴儿中观察到了这种现象(Kuhl & Meltzoff, 1996)。

图3 脑功能连接在三次音素测试中的改变

 

综上所述，本研究发现，出生第一天的新生儿在经过了五小时的语音学习后，它们的大脑可以检测出元音与对照音间的细微差异，这说明人类出生后可以非常迅速地形成对语言（音素）的高敏感性。研究首次揭示了出生后音素感知能力快速发展的神经机制，提出新生儿大脑中以IF和ST脑区为核心的网络，是日后婴儿发声模仿阶段所依赖的语音感知-生成环路的雏形。婴儿期的语言模仿学习（包括较早期的咕咕学语(cooing)以及较晚期的咿呀学语(babbling)）迟滞是一系列神经发育性障碍的典型症状，涉及自闭症谱系障碍、注意缺陷多动障碍、瑞特综合症、脆性X染色体综合征。通过测量初生新生儿在语音学习中其语音感知-生成环路的变化特征，我们或许可以在新生儿阶段就筛查出神经发育性障碍的高危群体，尽早开始干预和治疗。

 

致谢

 

感谢李宜伟同学、毕蓉同学（深圳大学）、柳昀哲教授（北京师范大学）在论文修改过程中提供的帮助。本研究的近红外成像设备由丹阳慧创提供。

 

论文信息：

 

Yan Jing Wu#, Xinlin Hou#, Cheng Peng, Wenwen Yu, Gary Oppenheim, Guillaume Thierry, Dandan Zhang*. Rapid learning of a phonemic discrimination in the first hours of life. Nature Human Behaviour. In press.