孩子越早学习双语越好?中研院的脑波研究发现:别急着背单字,口语词汇才是关键

从脑电波看语言学习与注意力

 

每个孩子都是父母心中的宝贝,但在学校里,阅读障碍孩童与过动儿可能出现成绩低落、学习不专注,大脑研究可以帮助我们厘清背後的成因吗?答案是肯定的,「研之有物」专访中研院语言研究所李佳颖研究员,她的专长为神经语言学,透过脑造影技术探讨大脑与语言处理的关系。脑波研究如何帮助我们,了解语言处理历程以及其与认知发展的关系呢?听听李佳颖怎麽说!

 

解锁大脑处理语言的奥秘

语言,是人类沟通、学习和知识传承的基础,但我们如何从牙牙学语到熟悉多种语言呢?英文有子音、母音,中文也有不同声调,大脑怎麽区别不同语音?

 

这些是「神经语言学」的内容,也是中研院「大脑与语言实验室」的研究重心。李佳颖研究团队透过大脑的脑波反应,试图解锁大脑与语言处理的奥秘关系,希望进一步找出影响孩童阅读发展与注意力障碍的关键机制。

 

「脑波的研究已经一百多年。」李佳颖将脑波原理娓娓道来,「大脑由很多神经元组成,这些神经元透过神经传导物质及电的作用,相互沟通讯息。」想要研究大脑如何处理语言,一般不能直接把探针插在人的神经元做侵入式量测。受试者会戴上多个电极的帽子,从头皮上以非侵入式、不影响大脑运作的方式量测。

 

脑波观测就像量测心电图一样,至少有两个电极放在大脑头皮上,便能量测到随着时间的电位变化,也就是脑波图(EEG, Electroencephalogram,以下简称脑波)。人类在专注、放松、睡眠等不同的状态下,脑波会呈现出不同的频率组合。
 

量测脑电波时,受试者需要戴上多个电极的帽子,以非侵入的方式量测头皮电位。
图│iStock

 

在研究与临床上,脑波图也常被用来计算「事件相关电位」(Event related potential, ERP),了解特定事件(例如认知、语音知觉或阅读等)是否能诱发出特定的脑波型态。

 

例如,「新生儿听力筛检」就是常见的听觉事件 ERP 临床应用。透过量测新生儿接收声音刺激後 10 毫秒内的脑波反应,就可以知道宝宝大脑的听觉反应是否正常,有无听损。检查的过程中,小婴孩不需要有行为反应,睡觉也没关系。

 

脑波不仅可用来解答语言或认知历程的基本问题,也可应用在临床或教育上。

检测婴幼儿语音知觉的脑波:MMN

从量测到的事件诱发电位,科学家只要知道电位振幅强度、波峰发生时间点以及在头皮上分布的状态这三个重要资讯,就可以像气象局预估地震震央一样,透过数学模型推估神经元活化的起源(generator),解答语言与认知历程的问题。

 

李佳颖团队解开阅读障碍与注意力缺损之间的关系,即是使用:听觉事件相关的脑波 MMN(不匹配负向波,Mismatch negativity)。MMN 是什麽呢?它是大脑侦测到听觉刺激改变时,会自动产生的电位变化。

 

试着想像,当你听到高昂尖叫、低频狂吼,是不是会有不同感觉?脑波反应也是。当大脑侦测到不同频率的声音变化,频率差异越大,引发的 MMN 负向振幅就会越大,电位变化的时间点也越早。

 

MMN 可以发挥什麽关键功能?MMN 振幅大小和发生时间点,能反应出人类对听觉差异的自动感知区辨能力。此外,纪录 MMN 脑波资料时,受测者只需要被动地聆听,不须对听觉刺激进行任何行为判断,因此这个脑波指标很适合用来测试无法配合指令要求的族群,像是婴幼儿、特殊疾病的族群。

 

目前, MMN 被广泛用在婴幼儿语音知觉发展的研究,而且研究已发现,从婴幼儿的语音发展及语音知觉表现,可以有效预测这些孩子日後的阅读能力!

 

时间一天一天走,语言敏感度一点一点消失

芬兰曾有一项知名研究,研究者想知道:不同母语的婴儿,语音区辨力有什麽不同?

 

研究者以芬兰与爱沙尼亚的婴儿来做比较,观测他们听到不同语音时的 MMN 脑波振幅,判断婴儿对爱沙尼亚语特有母音 [õ] 的辨别能力。结果发现,芬兰婴儿在 6 个月大时,虽然生活中不会听到这个母音 [õ],仍对它有很好的辨别力。但到了 12 个月大,芬兰婴儿对於非母语 [õ] 的辨别敏感度就显着降低了!这项研究显示:

 

即使不是母语会出现的音素,孩子都有与生俱来的辨识力,但这种天赋会逐渐「关上门」。

 

随着语言学习的过程,我们对母语中不存在的音素会渐渐失去敏感度。

 

中文阅读障碍孩童的关键:对声调变化较不敏感

每种语言具有不同的语音特徵,因此李佳颖实验室近年也运用 MMN ,探讨中文母语者的语音知觉发展,以及检验语音改变时的 MMN 与中文阅读能力的关系。

 

以中文声调为例,幼童或初学中文做第二语言的外国人,常常分不清楚二、三声。这是因为二、三声调的物理属性(不论是起始频率或随时间变化的基频),比一、三声的差异来得小。研究团队也以一三声、二三声的 MMN ,观测不同受试对象的脑波反应。

 

李佳颖首先以大学生做实验。比起一、三声调变化,成年受试者在二、三声差异变化时引发的 MMN 振幅较小,发生时间也比较晚,表示成人大脑能顺利区辨这些声调。

 

不过,对於小学一年级和二年级的孩子,一、三声调 MMN 负向振幅很大,二、三声调的 MMN 却是一个正波,显示他们对二、三声还没有自动区辨能力,一直要到五年级後才稳定下来。此外,识字量越高的孩子,所测得二、三声调的 MMN 振幅越负──代表识字量越高,对声调的敏感度越高。
 

低年级的孩子,一、三声调 MMN 负向振幅很大,但二、三声调的 MMN 却是正波,显示他们还没有自动区辨能力,一直要到五年级以上才会稳定下来,接近成人。
图│研之有物、iStock(资料来源│李佳颖)

 

研究团队再针对阅读障碍的孩子做量测。结果发现,阅读障碍孩子的 MMN 反应和低年级孩子类似,对二、三声的 MMN 反应不敏感。这和过去认为,他们是因为看文字、视觉区辨有困难而产生阅读障碍,有些不同!

 

阅读障碍孩子对声调的敏感度较弱,若用语音来学习文字可能容易卡关。

 

实验结果找出了阅读障碍的学习关键,有助於未来监别或帮助阅读有困难的学童。

 

李佳颖表示,从这些研究发现可知,MMN 能反映大脑对语音的敏感度,并且与阅读发展息息相关。未来,若能建立区辨中文语音的 MMN 发展资料库,就可做为早期监别语言与阅读障碍的神经生理指标。
 

两者在一、三声调的 MNN 差别不大。但对於二、三声就有差别,阅读障碍儿童的振幅在 200 毫秒之前几乎是正波,这显示他们的声调敏感度较不好。
资料来源│李佳颖

 

孩子是注意力不足?阅读障碍?大脑模式会说话!

学习障碍的孩子里,除了阅读障碍、语言障碍,另一个常见的状况是:注意力缺失。

 

许多过动症(attention deficit hyperactivity disorder, ADHD)的孩子,因为注意力不足,常常会伴随着学习困难;但阅读障碍儿童跟不上进度,往往也难专注。因此,老师或家长在两者评估上经常遇到困难。

 

不过李佳颖发现,注意力缺失与阅读障碍的孩子,在侦测声音刺激变化的脑波反应不太一样。

 

侦测声音变化时所引发的 MMN ,是一个反应大脑自动侦测听觉讯号差异的脑波成分,这个阶段的反应,并不需要注意力的介入控制,也就是发生在前注意力阶段(pre-attentive stage)。即使在婴儿睡觉、孩童看巧虎的时候进行测量,大脑也会自动侦测声音声调的变化。

 

MMN 的脑波振幅出现得比较早,在 MMN 的波形发生後,通常还有另一个脑波成分叫做 P3a, 这是一个在「差异音」出现 300~600 毫秒後所引发的事件诱发电位。P3a 振幅会受到注意力资源分配(例如差异音出现的比例)影响。因此,P3a 反映的是不自主的注意力导引能力。

 

李佳颖研究发现,在一、二、三声差异音比例为 0.1:0.1:0.8 的情况下,阅读障碍的孩子 MMN 指标即出现问题──阅读障碍孩子「前注意阶段」的语音敏感度比较差。但如果是过动儿,MMN 指标跟一般孩子并无差异,主要是 P3a 出现问题──过动儿在「不自主的注意力引导阶段」反应较差。

 

比起一般孩子,过动儿一、三声的 P300 反应明显较弱,这也显示 ADHD 孩子大脑处理注意力的历程,与正常孩子有所不同。研究也发现,P3a 的振幅与注意力行为评估量表的分数有显着相关。

 

不同脑波成分,会反应不同的大脑机制。与音调敏感度有关的 MMN , ADHD 儿童和一般孩子差不多;但与注意力有关的 P300, ADHD 孩子反应明显较差。
资料来源│李佳颖

 

总结来说,阅读障碍的孩童在 MMN 脑波反应,也就是前注意力阶段的语音敏感度出现问题。过动孩童的 MMN 反应和一般孩子差不多,但是 P300 反应较弱,也就是处理注意力的历程比较差。

 

从 MMN、P300 两个不同的脑电波成份(component)研究显示,脑波能反应出大脑内在语言、认知处理历程。MMN 反应的是声音敏感度,P300 反应注意力的历程,对於未来在孩童学习障碍的临床监定上,将提供重要的帮助。

 

李佳颖希望能持续蒐集更多个案的常模,协助做出注意力不足过动症、阅读障碍的监别诊断,也能进一步做更多不同范畴的临床应用。
 

研之有物:从语言学研究,建议让孩子越早学双语越好吗?

 

李佳颖:全世界的子音和母音有 600 多个,可是每一个语言大约只用到 30 到 50 个语音。我们的大脑神经元在出生後会不断蓬勃发展,神经元之间的连结也会随着经验连结,持续开辟出新道路;但同时,没有经验或不需要的神经元也会被修剪掉。

 

前面提到的芬兰研究,婴儿一开始对任何语音差异都能区辨或侦测,但是透过神经网络(neural network)的学习後,反而逐渐丧失这种能力。这种例子很常见,就像许多讲台语的长辈分不出国语的「发生」和「花生」,因为台语没有ㄈ、ㄏ;日语母语者无法区分 r、l;我们学英文也有极限。

 

这些例子,都是因为大脑将用不到的神经连结修剪掉,也就是大脑可塑性。

 

因此可以提早让孩童在自然环境中接触语言,累积经验值。口语词汇是阅读能力的根基,不管第一或第二语言,都不用急着让孩童学习文字。

 

还没上学之前,家长可以透过讲故事,累积孩童的语音敏感度与词汇量,作为未来阅读发展的根基。如果要强调第二语言,也可以在游戏、自然互动中建立语感,不用一开始就教闪卡、背单字、写字,因为书写涉及视、知觉和动作的协调,也与小肌肉发展有关,不必过早介入教导。

 

要不要让孩子从小学习双语,甚至多语?是许多父母纠结的难题。从大脑可塑性的角度,可以让孩子自然地在口语环境中接触多元语言,维持大脑对语言的敏感度,但不需要刻意从书写、阅读开始学习。
图│iStock

 

研之有物:对阅读障碍孩童的家长,有什麽建议?

 

李佳颖:语言的传递有听、说、读和写。文字的发展,让讯息有不同的沟通模式,也加速了知识传承。但对阅读障碍的孩子来说,以文字做为获取知识的媒介是较困难的。

 

知识不一定只能透过文字传播。如果孩子在文字形式的吸收有困难,也可以采用有声或多媒体等方式来学习或评量,建立信心。他们阅读能力的发展斜率或许比一般孩子缓慢,但还是会进步。如果因为经常失败而扼杀了兴趣和动机,反而更不利於小孩的学习发展。

 

上学不只是为了学习文字、阅读能力,而是帮助孩子获取知识。阅读障碍不代表不能学习,更不代表人生是黑白的!许多优秀的人都有阅读障碍,例如知名歌手萧敬腾、新加坡前总统李光耀,都是好例子。

 

我们语言与大脑实验室也做了好几组游戏,希望透过不同的形式,帮助学习困难的孩子,从互动游戏来累积语言经验。像是 「注音冒险王」,已经上架 Google 和 iOS 平台提供下载。

 

李佳颖团队结合神经语言学,为台湾学童开发多款识字教学游戏。目前的三款 APP(每日脑点心、注音冒险王、收割季节),都可免费下载,在疫情期间也提供双北特教老师使用,作为学习障碍学童的线上课程,老师还可以从後台了解学习状况。
图│取自大脑与语言实验室网页

 

研之有物:为什麽会从语言学研究,发展到教育应用?

 

李佳颖:我原本研究非常基础的脑神经科学,最大的研究动力是为了满足学术上的好奇心,原先没想过会投入临床或教育方面的应用。

 

过去,我找了一些阅读学习困难的孩子当受试者,家长报名很踊跃,因为他们很想知道:孩子究竟怎麽了?我该怎麽帮他?每次实验後,父母都很关心能为孩子做些什麽。但我发现:我根本没办法帮助他们,他们只是来帮我做实验!

 

这让我慢慢思考,只提供施测并不够,应该想办法回馈这些孩子和家长。

 

一开始,我没办法直接帮到孩子,就先做出中文的字词资料库,提供资源让特教老师设计学习单。後来我开始四处演讲,分享语言学习、阅读学习的历程,渐渐有特教机构和监定机构找我协助,也因此跟教育现场的老师有更多互动,更了解不同学习障碍类型的需求及监定上的困难。

 

特教老师很忙,从「知道理论」到「可以使用」也仍有一段距离,所以我们开始进一步规划辅助教学应用软体。通常,第一版原型由实验室自己研发设计,之後再和专业工程师讨论,一步步发展。很幸运有长期支持的团队,让我们不只做基础研究,还可以设计免费学习 APP 回馈社会。我也期待有更多生力军加入大脑与语言实验室,一起为台湾的脑科学与教育应用努力。

延伸阅读:学数学不要只会计算和背公式!数理教育家:培养数感、能解答生活中的大小事更重要延伸阅读

  1. 「语言使用」和「大脑」的关系是…? 专访李佳颖
  2. 中研院语言学研究所──大脑与语言实验室
  3. Cheour, M., Ceponiene, R., Lehtokoski, A., Luuk, A., Allik, J., Alho, K., & Näätänen, R. (1998). Development of language-specific phoneme representations in the infant brain. Nature Neuroscience1(5), 351–353.
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