〈研之有物〉雙語越早學越好?閱讀障礙、注意力缺失是哪裡卡關?大腦電波來解答

(圖:研之有物)
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從腦電波看語言學習與注意力

每個孩子都是父母心中的寶貝,但在學校裡,閱讀障礙孩童與過動兒可能出現成績低落、學習不專注,大腦研究可以幫助我們釐清背後的成因嗎?答案是肯定的,「研之有物」專訪中研院語言研究所李佳穎研究員,她的專長為神經語言學,透過腦造影技術探討大腦與語言處理的關係。腦波研究如何幫助我們,了解語言處理歷程以及其與認知發展的關係呢?聽聽李佳穎怎麼說!


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。

量測腦電波時,受試者需要戴上多個電極的帽子,以非侵入的方式量測頭皮電位。 圖│iStock
量測腦電波時,受試者需要戴上多個電極的帽子,以非侵入的方式量測頭皮電位。 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。

低年級的孩子,一、三聲調 MMN 負向振幅很大,但二、三聲調的 MMN 卻是正波,顯示他們還沒有自動區辨能力,一直要到五年級以上才會穩定下來,接近成人。 圖│研之有物、iStock(資料來源│李佳穎)
低年級的孩子,一、三聲調 MMN 負向振幅很大,但二、三聲調的 MMN 卻是正波,顯示他們還沒有自動區辨能力,一直要到五年級以上才會穩定下來,接近成人。 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
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。

不同腦波成分,會反應不同的大腦機制。與音調敏感度有關的 MMN , ADHD 兒童和一般孩子差不多;但與注意力有關的 P300, ADHD 孩子反應明顯較差。 資料來源│李佳穎
不同腦波成分,會反應不同的大腦機制。與音調敏感度有關的 MMN , ADHD 兒童和一般孩子差不多;但與注意力有關的 P300, ADHD 孩子反應明顯較差。 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。

從語言學研究,建議讓孩子越早學雙語越好嗎?

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。

要不要讓孩子從小學習雙語,甚至多語?是許多父母糾結的難題。從大腦可塑性的角度,可以讓孩子自然地在口語環境中接觸多元語言,維持大腦對語言的敏感度,但不需要刻意從書寫、閱讀開始學習。 圖│iStock
要不要讓孩子從小學習雙語,甚至多語?是許多父母糾結的難題。從大腦可塑性的角度,可以讓孩子自然地在口語環境中接觸多元語言,維持大腦對語言的敏感度,但不需要刻意從書寫、閱讀開始學習。 圖│iStock
對閱讀障礙孩童的家長,有什麼建議?

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。

李佳穎團隊結合神經語言學,為台灣學童開發多款識字教學遊戲。目前的三款 APP(每日腦點心、注音冒險王、收割季節),都可免費下載,在疫情期間也提供雙北特教老師使用,作為學習障礙學童的線上課程,老師還可以從後台了解學習狀況。 圖│取自大腦與語言實驗室網頁
李佳穎團隊結合神經語言學,為台灣學童開發多款識字教學遊戲。目前的三款 APP(每日腦點心、注音冒險王、收割季節),都可免費下載,在疫情期間也提供雙北特教老師使用,作為學習障礙學童的線上課程,老師還可以從後台了解學習狀況。 圖│取自大腦與語言實驗室網頁
為什麼會從語言學研究,發展到教育應用?

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。

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雙語越早學越好?閱讀障礙、注意力缺失是哪裡卡關?大腦電波來解答!

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