从脑电波看语言学习与注意力
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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- 「语言使用」和「大脑」的关系是…？ 专访李佳颖
- 中研院语言学研究所──大脑与语言实验室
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