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從腦電波看語言學習與注意力
解鎖大腦處理語言的奧秘
語言，是人類溝通、學習和知識傳承的基礎，但我們如何從牙牙學語到熟悉多種語言呢？英文有子音、母音，中文也有不同聲調，大腦怎麼區別不同語音？
這些是「神經語言學」的內容，也是中研院「大腦與語言實驗室」的研究重心。李佳穎研究團隊透過大腦的腦波反應，試圖解鎖大腦與語言處理的奧秘關係，希望進一步找出影響孩童閱讀發展與注意力障礙的關鍵機制。
「腦波的研究已經一百多年。」李佳穎將腦波原理娓娓道來，「大腦由很多神經元組成，這些神經元透過神經傳導物質及電的作用，相互溝通訊息。」想要研究大腦如何處理語言，一般不能直接把探針插在人的神經元做侵入式量測。受試者會戴上多個電極的帽子，從頭皮上以非侵入式、不影響大腦運作的方式量測。
腦波觀測就像量測心電圖一樣，至少有兩個電極放在大腦頭皮上，便能量測到隨著時間的電位變化，也就是腦波圖（EEG, Electroencephalogram，以下簡稱腦波）。人類在專注、放鬆、睡眠等不同的狀態下，腦波會呈現出不同的頻率組合。
圖│iStock
在研究與臨床上，腦波圖也常被用來計算「事件相關電位」（Event related potential, ERP），了解特定事件（例如認知、語音知覺或閱讀等）是否能誘發出特定的腦波型態。
例如，「新生兒聽力篩檢」就是常見的聽覺事件 ERP 臨床應用。透過量測新生兒接收聲音刺激後 10 毫秒內的腦波反應，就可以知道寶寶大腦的聽覺反應是否正常，有無聽損。檢查的過程中，小嬰孩不需要有行為反應，睡覺也沒關係。
腦波不僅可用來解答語言或認知歷程的基本問題，也可應用在臨床或教育上。
檢測嬰幼兒語音知覺的腦波：MMN
從量測到的事件誘發電位，科學家只要知道電位振幅強度、波峰發生時間點以及在頭皮上分布的狀態這三個重要資訊，就可以像氣象局預估地震震央一樣，透過數學模型推估神經元活化的起源（generator），解答語言與認知歷程的問題。
李佳穎團隊解開閱讀障礙與注意力缺損之間的關係，即是使用：聽覺事件相關的腦波 MMN（不匹配負向波，Mismatch negativity）。MMN 是什麼呢？它是大腦偵測到聽覺刺激改變時，會自動產生的電位變化。
試著想像，當你聽到高昂尖叫、低頻狂吼，是不是會有不同感覺？腦波反應也是。當大腦偵測到不同頻率的聲音變化，頻率差異越大，引發的 MMN 負向振幅就會越大，電位變化的時間點也越早。
MMN 可以發揮什麼關鍵功能？MMN 振幅大小和發生時間點，能反應出人類對聽覺差異的自動感知區辨能力。此外，紀錄 MMN 腦波資料時，受測者只需要被動地聆聽，不須對聽覺刺激進行任何行為判斷，因此這個腦波指標很適合用來測試無法配合指令要求的族群，像是嬰幼兒、特殊疾病的族群。
目前， MMN 被廣泛用在嬰幼兒語音知覺發展的研究，而且研究已發現，從嬰幼兒的語音發展及語音知覺表現，可以有效預測這些孩子日後的閱讀能力！
時間一天一天走，語言敏感度一點一點消失
芬蘭曾有一項知名研究，研究者想知道：不同母語的嬰兒，語音區辨力有什麼不同？
研究者以芬蘭與愛沙尼亞的嬰兒來做比較，觀測他們聽到不同語音時的 MMN 腦波振幅，判斷嬰兒對愛沙尼亞語特有母音 [õ] 的辨別能力。結果發現，芬蘭嬰兒在 6 個月大時，雖然生活中不會聽到這個母音 [õ]，仍對它有很好的辨別力。但到了 12 個月大，芬蘭嬰兒對於非母語 [õ] 的辨別敏感度就顯著降低了！這項研究顯示：
即使不是母語會出現的音素，孩子都有與生俱來的辨識力，但這種天賦會逐漸「關上門」。
隨著語言學習的過程，我們對母語中不存在的音素會漸漸失去敏感度。
中文閱讀障礙孩童的關鍵：對聲調變化較不敏感
每種語言具有不同的語音特徵，因此李佳穎實驗室近年也運用 MMN ，探討中文母語者的語音知覺發展，以及檢驗語音改變時的 MMN 與中文閱讀能力的關係。
以中文聲調為例，幼童或初學中文做第二語言的外國人，常常分不清楚二、三聲。這是因為二、三聲調的物理屬性（不論是起始頻率或隨時間變化的基頻），比一、三聲的差異來得小。研究團隊也以一三聲、二三聲的 MMN ，觀測不同受試對象的腦波反應。
李佳穎首先以大學生做實驗。比起一、三聲調變化，成年受試者在二、三聲差異變化時引發的 MMN 振幅較小，發生時間也比較晚，表示成人大腦能順利區辨這些聲調。
不過，對於小學一年級和二年級的孩子，一、三聲調 MMN 負向振幅很大，二、三聲調的 MMN 卻是一個正波，顯示他們對二、三聲還沒有自動區辨能力，一直要到五年級後才穩定下來。此外，識字量越高的孩子，所測得二、三聲調的 MMN 振幅越負──代表識字量越高，對聲調的敏感度越高。
圖│研之有物、iStock(資料來源│李佳穎)
研究團隊再針對閱讀障礙的孩子做量測。結果發現，閱讀障礙孩子的 MMN 反應和低年級孩子類似，對二、三聲的 MMN 反應不敏感。這和過去認為，他們是因為看文字、視覺區辨有困難而產生閱讀障礙，有些不同！
閱讀障礙孩子對聲調的敏感度較弱，若用語音來學習文字可能容易卡關。
實驗結果找出了閱讀障礙的學習關鍵，有助於未來鑑別或幫助閱讀有困難的學童。
李佳穎表示，從這些研究發現可知，MMN 能反映大腦對語音的敏感度，並且與閱讀發展息息相關。未來，若能建立區辨中文語音的 MMN 發展資料庫，就可做為早期鑑別語言與閱讀障礙的神經生理指標。
兩者在一、三聲調的 MNN 差別不大。但對於二、三聲就有差別，閱讀障礙兒童的振幅在 200 毫秒之前幾乎是正波，這顯示他們的聲調敏感度較不好。
資料來源│李佳穎
孩子是注意力不足？閱讀障礙？大腦模式會說話！
學習障礙的孩子裡，除了閱讀障礙、語言障礙，另一個常見的狀況是：注意力缺失。
許多過動症（attention deficit hyperactivity disorder, ADHD）的孩子，因為注意力不足，常常會伴隨著學習困難；但閱讀障礙兒童跟不上進度，往往也難專注。因此，老師或家長在兩者評估上經常遇到困難。
不過李佳穎發現，注意力缺失與閱讀障礙的孩子，在偵測聲音刺激變化的腦波反應不太一樣。
偵測聲音變化時所引發的 MMN ，是一個反應大腦自動偵測聽覺訊號差異的腦波成分，這個階段的反應，並不需要注意力的介入控制，也就是發生在前注意力階段（pre-attentive stage）。即使在嬰兒睡覺、孩童看巧虎的時候進行測量，大腦也會自動偵測聲音聲調的變化。
MMN 的腦波振幅出現得比較早，在 MMN 的波形發生後，通常還有另一個腦波成分叫做 P3a， 這是一個在「差異音」出現 300～600 毫秒後所引發的事件誘發電位。P3a 振幅會受到注意力資源分配（例如差異音出現的比例）影響。因此，P3a 反映的是不自主的注意力導引能力。
李佳穎研究發現，在一、二、三聲差異音比例為 0.1：0.1：0.8 的情況下，閱讀障礙的孩子 MMN 指標即出現問題──閱讀障礙孩子「前注意階段」的語音敏感度比較差。但如果是過動兒，MMN 指標跟一般孩子並無差異，主要是 P3a 出現問題──過動兒在「不自主的注意力引導階段」反應較差。
比起一般孩子，過動兒一、三聲的 P300 反應明顯較弱，這也顯示 ADHD 孩子大腦處理注意力的歷程，與正常孩子有所不同。研究也發現，P3a 的振幅與注意力行為評估量表的分數有顯著相關。
資料來源│李佳穎
總結來說，閱讀障礙的孩童在 MMN 腦波反應，也就是前注意力階段的語音敏感度出現問題。過動孩童的 MMN 反應和一般孩子差不多，但是 P300 反應較弱，也就是處理注意力的歷程比較差。
從 MMN、P300 兩個不同的腦電波成份（component）研究顯示，腦波能反應出大腦內在語言、認知處理歷程。MMN 反應的是聲音敏感度，P300 反應注意力的歷程，對於未來在孩童學習障礙的臨床鑑定上，將提供重要的幫助。
李佳穎希望能持續蒐集更多個案的常模，協助做出注意力不足過動症、閱讀障礙的鑑別診斷，也能進一步做更多不同範疇的臨床應用。
研之有物：從語言學研究，建議讓孩子越早學雙語越好嗎？
李佳穎：全世界的子音和母音有 600 多個，可是每一個語言大約只用到 30 到 50 個語音。我們的大腦神經元在出生後會不斷蓬勃發展，神經元之間的連結也會隨著經驗連結，持續開闢出新道路；但同時，沒有經驗或不需要的神經元也會被修剪掉。
前面提到的芬蘭研究，嬰兒一開始對任何語音差異都能區辨或偵測，但是透過神經網絡（neural network）的學習後，反而逐漸喪失這種能力。這種例子很常見，就像許多講台語的長輩分不出國語的「發生」和「花生」，因為台語沒有ㄈ、ㄏ；日語母語者無法區分 r、l；我們學英文也有極限。
這些例子，都是因為大腦將用不到的神經連結修剪掉，也就是大腦可塑性。
因此可以提早讓孩童在自然環境中接觸語言，累積經驗值。口語詞彙是閱讀能力的根基，不管第一或第二語言，都不用急著讓孩童學習文字。
還沒上學之前，家長可以透過講故事，累積孩童的語音敏感度與詞彙量，作為未來閱讀發展的根基。如果要強調第二語言，也可以在遊戲、自然互動中建立語感，不用一開始就教閃卡、背單字、寫字，因為書寫涉及視、知覺和動作的協調，也與小肌肉發展有關，不必過早介入教導。
圖│iStock
研之有物：對閱讀障礙孩童的家長，有什麼建議？
李佳穎：語言的傳遞有聽、說、讀和寫。文字的發展，讓訊息有不同的溝通模式，也加速了知識傳承。但對閱讀障礙的孩子來說，以文字做為獲取知識的媒介是較困難的。
知識不一定只能透過文字傳播。如果孩子在文字形式的吸收有困難，也可以採用有聲或多媒體等方式來學習或評量，建立信心。他們閱讀能力的發展斜率或許比一般孩子緩慢，但還是會進步。如果因為經常失敗而扼殺了興趣和動機，反而更不利於小孩的學習發展。
上學不只是為了學習文字、閱讀能力，而是幫助孩子獲取知識。閱讀障礙不代表不能學習，更不代表人生是黑白的！許多優秀的人都有閱讀障礙，例如知名歌手蕭敬騰、新加坡前總統李光耀，都是好例子。
我們語言與大腦實驗室也做了好幾組遊戲，希望透過不同的形式，幫助學習困難的孩子，從互動遊戲來累積語言經驗。像是 「注音冒險王」，已經上架 Google 和 iOS 平台提供下載。
圖│取自大腦與語言實驗室網頁
研之有物：為什麼會從語言學研究，發展到教育應用？
李佳穎：我原本研究非常基礎的腦神經科學，最大的研究動力是為了滿足學術上的好奇心，原先沒想過會投入臨床或教育方面的應用。
過去，我找了一些閱讀學習困難的孩子當受試者，家長報名很踴躍，因為他們很想知道：孩子究竟怎麼了？我該怎麼幫他？每次實驗後，父母都很關心能為孩子做些什麼。但我發現：我根本沒辦法幫助他們，他們只是來幫我做實驗！
這讓我慢慢思考，只提供施測並不夠，應該想辦法回饋這些孩子和家長。
一開始，我沒辦法直接幫到孩子，就先做出中文的字詞資料庫，提供資源讓特教老師設計學習單。後來我開始四處演講，分享語言學習、閱讀學習的歷程，漸漸有特教機構和鑑定機構找我協助，也因此跟教育現場的老師有更多互動，更了解不同學習障礙類型的需求及鑑定上的困難。
特教老師很忙，從「知道理論」到「可以使用」也仍有一段距離，所以我們開始進一步規劃輔助教學應用軟體。通常，第一版原型由實驗室自己研發設計，之後再和專業工程師討論，一步步發展。很幸運有長期支持的團隊，讓我們不只做基礎研究，還可以設計免費學習 APP 回饋社會。我也期待有更多生力軍加入大腦與語言實驗室，一起為臺灣的腦科學與教育應用努力。
延伸閱讀
- 「語言使用」和「大腦」的關係是…？ 專訪李佳穎
- 中研院語言學研究所──大腦與語言實驗室
- 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 Neuroscience, 1(5), 351–353.
- Lee, C. Y., Yen, H. L., Yeh, P. W., Lin, W. H., Cheng, Y. Y., Tzeng, Y. L., & Wu, H. C. (2012). Mismatch responses to lexical tone, initial consonant, and vowel in Mandarin-speaking preschoolers. Neuropsychologia, 50(14), 3228–3239.
- Sams, M. (1983). Sequential effects on the ERP in discriminating two stimuli. Biological Psychology, 17(1), 41–58.
- Yang, M. T., Hsu, C. H., Yeh, P. W., Lee, W. T., Liang, J. S., Fu, W. M., & Lee, C. Y. (2015). Attention deficits revealed by passive auditory change detection for pure tones and lexical tones in ADHD children. Frontiers in Human Neuroscience, 9.
