脑发育和早期语言学习

/ 华东师范大学心理与认知科学学院教授

当我们讨论语言能力的时候，通常是指个体听、说、读、写以及与他人交流的能力。语言的认知能力是语言能力的基础，语言能力更高级的阶段是人类的社会文化能力。然而，听、说、读、写这四个方面的能力并不全是与生俱来的。“听”的能力在婴儿于母腹中时便已开始形成，“说”的能力一般在婴儿六个月到一岁前开始发展，这两种能力都是既有先天基础，又是后天习得的。而回望人类演化的历史进程，文字可以说是人类的一大发明，有了图形和文字，文明才得以流传，我们才得以进行阅读。因此，相较于前两种能力，“读”和“写”主要是通过后天习得的。一般而言，儿童要到五六岁才对两者进行系统的学习。

乔姆斯基（Noam Chomsky）是近代最具影响力的现代语言学学者之一，他最广为人知的观点是儿童具有先天的普遍性学习功能，并称之为“语言习得装置”。他与福柯（Michel Foucault）进行辩论时曾经说过：“我们能不能从生物，甚至是物理的层面上来解释（语言的）这种习得知识并进一步将它运用的属性呢？ 我很难相信我们可以做到这一点。” 语言作为人类特有的能力并具有高度的复杂性，是人类最高等及复杂的一种认知能力，它和视觉、听觉、运动等人类和其他物种所共享的底层的神经系统不同，语言的神经机制很难使用侵入性的动物模型等方法进行研究，所以在仍未发展出无损的神经影像学研究方法的时期，科学家很难对语言的脑机制进行系统的研究。近年来随着神经科学、心理学、数学建模等学科的快速进步和积累，我们正面临一个有机会深入了解语言——这种人类独有而复杂的认知能力的生物机制的重要时期。

过去的二十多年中，美洲、欧洲、亚洲等多个国家启动了国家级或国家联盟级别的脑计划，他们各有侧重，但大部分脑计划都包括了以语言和意识等人类最高级认知能力为目标的研究，并使用了脑电、脑磁、功能性磁共振成像、近红外成像等不同方法，应用于不同年龄和人群。这些方法中有一些是基于大脑的脑电信号或者脑磁波的变化，有一些是基于与特定活动相关的大脑血氧信号的变化。它们各有优缺点，有些具有更好的时间分辨率，而另一些具有更好的空间分辨率。这些研究技术的发展，对于推动语言及其发展的神经机制研究起到了重要的作用。

我们知道，人的大脑分为左半球和右半球，其表面包覆的薄薄的一层称为皮层，主要由神经元和胶质细胞等组成，因为它们看起来是深灰色的，所以称作灰质。如果我们把灰质比作一张行政图，上面的每个位置表示不同城市的话，皮层以下的白质就形成了一张立体交通图，决定了不同脑区之间是否以及如何连接。左右半球之间就是由最大的白质——胼胝体连接起来的。上文提到的技术方法主要用于考察大脑灰质中的神经元活动，但同时，我们也需要了解这些脑区之间是如何协调工作的，因此对白质纤维束，或者说脑结构网络的研究也同样重要。也就是说，为了了解大脑是如何工作的，我们不但需要考察大脑的功能和功能网络，还需要了解它们背后的结构和结构网络。

从发展的角度来看，髓鞘化（myelination）的过程对脑发育非常重要。髓鞘是由髓鞘脂形成的，是白质的一部分。那什么是髓鞘化呢？髓鞘化是指髓鞘的发展过程，是新生儿的神经系统发展的必经过程。如果把我们大脑中的神经比作电线的话，髓鞘化就是在导电的铜线外面包上了一层绝缘的电线皮，以保证稳定高效的神经传导。在母亲怀孕早期，婴儿的神经管就开始形成，之后的五个月左右，主要是细胞迁移的过程作用形成了大脑皮层；在出生前的最后两个月一直到儿童十岁左右，持续进行着髓鞘化的过程。一般而言，新生儿刚刚出生时的大脑只有300克左右，髓鞘化还远未完成。到三岁左右，儿童的大脑的重量就达到1.1公斤左右，差不多是一个成人大脑80%的重量，而一般成年人大脑的重量大概是1.4至1.5公斤。在这个发展过程中，大脑的体积和重量并不是线性增长的。在早期胚胎的形成过程中，脑的生长速度惊人；而出生后，随着儿童的成长，脑发育过程仍在继续，但速度减缓，并以不同的形式呈现。在出生的早期，我们不但看到大脑体积的增长，皮层的折叠形态也发生变化，在出生前的三个月左右，我们的大脑表面看起来还是相当平滑的，但到出生前的最后几周直到出生后的首两个月内，大脑的皮层折叠形态就发生了显著变化，形成了和成人大脑相似的褶皱，与此同时，大脑灰质和白质的成熟度都在出生前几周到出生后几个月内快速地提升。在大脑的不同区域中，前额叶被认为是大脑的司令官，与认知控制、语言等在内的很多高级认知功能有关。在发展过程中，儿童的脑体积增长，前额叶灰质体积也在增长并发展成熟，除此以外，它们和大脑其他区域的联系也变得更加紧密，从出生到十二岁左右，这种发展尤为迅速。这些近年来的研究成果得益于近年来基于神经影像学方法。特别是磁共振成像和功能性磁共振成像的快速发展，大大丰富了我们对于脑发育过程的了解。

脑的早期功能发展和脑结构的发展息息相关。从母亲怀孕七个月左右到儿童十岁左右，髓鞘化过程一直在进行，与此伴随的是大脑的不同功能，包括语言能力的发展。出生并不是语言能力形成的开始点。婴儿在出生前两三个月时已具有基本的视觉和听觉能力。婴幼儿脑发育和语言与相关认知能力发展的研究显示，在早期听觉能力的基础上，婴儿形成了对语音的识别能力，并逐渐形成语言及与其相关的认知能力。言语理解的过程涉及对连续的语音进行不同层次加工的过程，包括切分和辨别词汇、对词汇语义进行提取并整合多个词汇的意义，并与已有的知识结合进行理解的过程。在对于其机制的讨论中，常常被提到的一个问题就是语言学习的关键期。我认为语言能力形成并不具有单一的关键期，因为语言和视觉、触觉等不同，它不是一个底层的能力。语言能力不是一种单一的能力，而是涉及很多不同的过程，包含一系列成分和一系列运算，必然会涉及很多不同的脑区和脑网络。不同过程和子能力的发展阶段也是非常不一样的。

研究发现，早期经验在语言能力的形成过程中具有重要的作用。出生几天的婴儿对于他们在胎儿期听到的音乐、故事或者母亲声音等都会表现出偏爱。母亲声音有两层意思，一层是婴儿可以听出来这是我妈妈，或者是听起来很像我妈妈的女性，另一层是她讲的是母语，也就是说婴儿已经基本具有分辨出母语和其他语言的能力。对30周早产儿（早产10周）的研究发现，他们左侧的前额叶可以区分不同的音节（如ba和pa），不管是谁说的；而右边的大脑既区分音节，也会区分是谁在说。过去几十年的很多临床研究，包括著名的“裂脑人”研究指出，对大部分人来说，左脑对语言加工更为重要。但是近年研究显示左脑和右脑在语言加工中各有各的作用，其机制远比我们想象的更为复杂。回到早期发展来看，Patricia Kuhl等人的研究表明，任何一个婴儿在很小的时候，特别是在6～8个月之前，都是“世界公民”。所谓世界公民，指的是他们具有辨别任何语言中的不同的音的能力，而不像成人通常只有辨别母语中不同音的能力。例如“qi”和”xi”这两个音，在6个月左右大的不同母语的婴儿都觉得这两个音有明显的差别，到了10个月左右，英语环境的婴儿就认为这两个音没有区别，而汉语环境的婴儿会非常清楚地分辨。从六七个月到九十个月，短短两三个月的时间，婴儿对母语产生了基于统计规律的更有效学习，或者说通过过度学习对母语语音进行了归类，但同时也降低了辨别其他语言中语音差异的能力。值得一提的是，在这个阶段进行一些小小的改变就可以影响这种能力的形成。Kuhl的一项研究中邀请了一个台湾母语的女性，给6～10个月之间的婴儿上12次课，让他们接触汉语环境。结果发现，这些短暂的课程使在这一月龄段接触了汉语环境的美国母语的婴儿，在10个月大时，保留了对于“qi”和”xi”这两个音的分辨能力，而这一月龄段没有接触汉语环境的婴儿则没有。所以说，在发展早期接触不同语言环境对于婴儿语言学习的灵活性是有益的，给半岁左右的婴儿“磨耳朵”是有理论根据的。需要注意的是，研究也表明，在早期语言环境对语言能力的影响中，人的互动是相当重要的，光看电视可能无法达到同样的效果。

近年的一些脑科学研究指出，大约2岁半的幼儿已经具有和成人类似的言语理解能力和机制。研究人员怎样来研究这类问题呢？以脑电为例，研究人员常常用“违背”范式来研究语义加工。例如，让幼儿听“老师正在给同学们上课”（正常）和“老师正在给苹果们上课”（语义违背），虽然语法上没错，但幼儿立刻发现后一句语义是不对的。同样的方法也可以用于研究语法，例如让幼儿听“我马上就去吃过了饭”或者“老师正在给跑步们上课”这样的句子，这样幼儿不需要主动做任何任务，我们就可以通过脑电来侦测他们对于语义、语法的加工。用类似的方法，我们现在了解到，两岁半的幼儿已具有和成人类似的言语理解的加工能力，并逐渐形成越来越完善的言语表达能力。

那么，大脑的哪些区域负责语言加工呢？近年，借助临床研究和脑成像研究，我们对此有了一定的了解。前人研究发现，言语产生主要涉及左半球的额、颞、顶网络。从语言的不同功能来说，比如在言语听觉方面，Hikkok和Poeppel将言语听觉加工系统分为两条通路，分别是与声音、运动有关的背侧通路和与声音、语义有关的腹侧通路；而在阅读方面，具有代表性的区域为位于左梭状回中部的视觉词形区（visual word form area， VWFA），主要参与对词汇视觉形状的加工。此外， 读写时也会不同程度地涉及语音、语义、语法加工以及手部运动等脑区。

与听、说不同，读、写的习得是语言能力发展的一个新阶段。阅读习得的过程首先是进行视觉和听觉信息整合的过程。五六岁左右，儿童能够将新习得的词形（视觉）和他已有的知识，包括语音（听觉），继而语义和语法进行连结，形成新的功能网络。近年研究发现，在任何一种语言中，视觉和听觉的语言加工（听和阅读）都涉及类似的共同脑活动。虽然有一些学者认为汉语的独特性使它在生物机制上与其他语言（如英语等）有所差异，但在视听整合、神经环路等整体层面上，不同语言和书写系统都具有较高的一致性和共通性。文盲学习阅读的研究指出，言语和阅读加工之间是相互影响的。如果两者的连结过程中产生了缺陷，就可能给儿童的阅读习得带来困难，最典型的例子是阅读障碍。阅读障碍常常与早期语音形成上的缺陷有关，这种缺陷进而在儿童学习阅读时进一步影响整合词形和语音的过程。然而，阅读障碍也不只是因为视听整合的缺陷所造成的，其发生常常涉及很多其他相关问题，例如早期形成的词汇量，或是非语言独有但与语言发展所相关的认知能力，包括统计学习（statistical learning）和序列加工（sequential processing）能力等等。根据不同的研究统计，在汉语环境中有6%～12%的儿童存在阅读障碍，被视作为高发障碍。从脑科学的角度探究其背后的生物机制，一方面有助我们了解语言及其发展的神经机制，另一方面也将帮助家长、教师及早发现和干预障碍儿童，并使其有机会获得更好的个人发展。

总之，随着脑科学研究技术的发展，我们得以更加深入地了解语言的发展过程及其背后的生物机制，并借此与教育、临床和人工智能等领域的研究者和实践者进行合作，切实地推进这一领域的理论进步和应用发展。