科学网—我们不知道答案的125个科学问题(86)语言学习的关键期
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2024-6-18 09:55
| 个人分类: 科学教育 | 系统分类: 科普集锦
86.为什么语言学习存在关键期?
Why are there critical periods for language learning?
题记 ：大量证据表明，成年人学习一门新语言比儿童更难，而且学习语言的能力随着年龄的增长而下降，因此科学家们提出语言学习存在一个“关键期”和“敏感期” (critical and sensitive periods) ，这就是所谓的语言学习的 关键期假设 (C ritical Period Hypothesis, CPH ) 。然而，是否存在 CPH 以及这一时期的长度及其潜在原因仍不清楚。
1. 关键期假设 的共识
在大多数情况下，那些从小开始学习一门语言的人最终会比那些晚一点开始学习的人更能精通一门语言。 2018 年麻省理工学院的大脑与认知科学家发表于《认知》杂志( Cognition )的一篇论文似乎证实了语言学习的确存在一个“ 关键时期 ”，而这个关键时期的节点是 10 岁。研究数据显示 10 岁之前开始学习一门语言的水平完全可以达到与母语人士相同的水平，也就是说 10 岁以后语言学习的能力开始下降，尽管 10-18 岁之间学习一门新语言的能力依然很强，但由于 10 岁之后语言学习能力下降的时间窗口(敏感期)较短，学习者最终的语言水平将无法达到母语人士的熟练程度。研究揭示儿童学习新语言能力的 敏感期 比以往预期的要长，能达到 17 岁或 18 岁(青春期结束)，所以在 10-18 岁之间学习语言虽然达不到母语的熟练程度，但依然可以获得熟练的语言使用能力。然而不幸的是 18 岁之后，人们获得长期语言学习的能力会很快消失，也就是 18 岁以后即便如何努力地学习一门新语言也无法达到同母语人士一样的水平(可以非常清晰地辨别为非母语人士，特征是有母语口音、不流利、有语法问题或不地道等)。这一发现是基于对近 67 万人参加语法测试的分析(具体为 669,498 人，数据已经公开： Data: A Critical Period for Second Language Acquisition: Evidence from 2/3 Million English Speakers )，这是迄今为止人们为研究语言学习能力而收集的最大的数据集。
然而目前并不清楚是什么原因导致语言学习的关键期在 18 岁左右结束。研究人员认为可能是文化因素，也可能是大脑可塑性的生理变化，也许更直接的原因是与人记忆能力下降所导致的智力水平在 18 岁以后开始下降。其实，对于语言的学习， 记忆 是基础，描述性的语言是由 语言单元 (单词或字词)按照一定的逻辑关系构成的序列，儿童时期学习语言的能力主要是 基于记忆 ，所以这个时期规范语言单元之间排列关系的 语法 其实并不重要，而成年以后的语言学习则更注重于 逻辑 之上的因素，所以成年人短期的语言学习能力往往强于儿童，但长期对语言的掌握或熟练程度最终还是低于儿童的学习结果。但为什么存在语言学习的关键期，而语言学习能力为什么会在青春期结束后迅速下降？这当然应该决定于脑功能发育的特征，如果没有生理的内在原因，存在语言关键期的结论应该是个伪命题。
所以在大脑神经元连接变得更加固化和稳定之前，关键时期的特征应该是大脑具有高度 可塑性 的时期，但当抑制神经递质 GABA (γ-aminobutyric acid) 的突触成熟时，语言学习的关键时期往往会结束。与关键时期相反，语言 敏感时期 (也被称为“弱关键时期”)应该发生在大脑对影响行为的外部因素比平时更敏感的时期，但此时大脑的可塑性没有关键时期高，但是由于大脑具有几乎无穷的可塑性潜力使得敏感期持续的时间始终没有一个确切的结论。
2. 大脑的可塑性原因
显然语言 CPH 的存在和 大脑的可塑性 有重要联系。大脑可塑性或神经可塑性(见图 1 )通常是指大脑受损后重组和适应的能力，是大脑重组其结构和功能的生物、化学及物理能力，涉及神经元创造新的连接和通路的能力。大脑拥有非凡的自我重组能力，从单个神经元通路建立新连接的局域调整，到大脑皮层重新建立映射的系统性调整，以及大脑创伤后将功能从受损区域转移到未受损相关区域的能力等等。当脑发生 损伤 后，神经元可以通过重组和形成新的连接来适应和补偿以帮助恢复失去的脑功能， 也可以将现有的不活跃区域或用于其他功能的神经通路接管并执行因受伤而失去的脑功能 。 1977 年沃尔还注意到大脑中含有“休眠突触”，也就是一些没有功能的神经连接，当脑损伤发生时，这些突触会被激活，打开与大脑活动区域的连接，接管因损伤而丧失的神经功能。
神经可塑性也可以由学习、经历和记忆的形成而产生，学习和新经历会使新的神经通路加强，而不经常使用的神经通路则会变弱并最终消亡，这个过程也被称为 突触修剪 。虽然传统上认为大脑可塑性与儿童时期的脑部发育有关，但最近的研究表明，成熟的大脑由于学习能继续表现出很强的可塑性。在人类进化中，神经可塑性不仅在处理创伤方面为人的生存提供了保护作用，比如大脑可塑性能更好地应对中风后由血液供应不足造成的脑损伤及其所产生的功能影响，而且学习音乐或第二语言等行为同样可以增强神经的可塑性，这为生物神经系统重新调整自己以适应变化，从而提高生物在不可预测的环境中的适应和生存能力。
图1 大脑的可塑性及可塑性分类
2000 年 Maguire 等人的研究证明了大脑的可塑性，通过对伦敦出租车司机的大脑核磁共振扫描显示， 开车的时间 越长的司机其大脑海马体后部的灰质体积越大。因为海马体与短期记忆和空间导航有关，所以对记忆的要求越大，海马体的神经元就会越多； 2004 年 Mechelli 等人的研究发现学习第二语言会增加左侧顶叶下皮层灰质的密度，该区域的结构重组程度受到获得语言学习的流利程度和学习第二语言的年龄的影响。随着年龄的增长，虽然神经可塑性会下降，但是人通过训练可以改善大脑的可塑性，从而延缓认知的衰退。 2008 年 Boyke 发现，即使在 60 岁以上学习一项新技能(杂耍)也会增加视觉皮层的神经生长； 2014 年 Kuhn 发现，每天玩 30 分钟以上的电子游戏会导致皮质、海马体和小脑的脑物质增加，大脑控制空间导航、决策等的部位会形成新的突触连接；甚至 对僧侣的 研究发现冥想训练可以提高 γ 脑电波水平增加大脑的可塑性，让大脑产生永久性的结构变化； 1998 年 Kempermann 发现， 生活在笼子里的老鼠放入 复杂环境中它们大脑神经元数量会增加，而 与记忆和空间导航有关 海马体的变化则尤其明显。
图2 神经元放电过程示意图(来自网络)
大脑损伤的可塑性可以通过一个被称为轴突发芽的过程发生，在这个过程中，未受损的轴突生长出新的神经末梢来重新连接因损伤而断开的神经元。未受损的轴突也可以长出神经末梢，并与其他未受损的神经细胞连接，从而形成新的连接和新的神经通路，以完成受损功能。虽然大脑每个半球的功能不同，但如果一个大脑半球受损，另一个大脑半球有时可以接管受损大脑半球的一些功能，使得大脑另一侧的等效区域变得活跃，比如如果大脑右侧某区域受损，它将移动到左侧相关区域，反之亦然。 对经历过脑损伤并因此失去某些脑功能的中风患者的案例研究表明，大脑会重新建立连接使未受损的大脑部位接管受损大脑部位的功能。然而 大脑将一个模块移到另一边来取代损伤区的一些功能时，会导致这两种功能由于 相互影响 变而产生障碍。例如对一个患有右顶叶损伤的年轻人的研究发现，他的左顶叶接管了右侧顶叶的一些功能，但他在完成通常发生在左脑的任务时出现困难，因为一些右脑反射占据了左脑资源。 另外，当大脑使用一个通常处理某种感觉信息(如视觉)的区域来处理另一种感觉信息(如声音)时，就会发生跨区域功能重新分配。比如一个人因为失明，大脑视觉区域可能会被重新用于另一种感觉，比如触觉，这种可塑性可以让盲人能用手指“看到”盲文；一些盲人能学会使用他们的视觉中心来听声音，能够通过“回声定位”进行位置导航。而且大脑的某个区域如果被经常使用，那么这个区域会扩展，这与身体某些肌肉得到更多的锻炼而变得粗壮是相似的。当一个人经常参与某一项活动或发生某种经历时，会使相关的脑区域功能扩大。 当然以上的这些功能损伤性神经可塑性在儿童大脑中比在成人大脑中更容易发生，这说明儿童大脑的损伤可塑性要远远高于成年人。
图3 大脑学习过程的神经元可塑性链接
同样学习、经历或行为练习也可以改变大脑的物理结构，包括重塑单个神经元(神经细胞)，让 神经元相互之间形成新的连接 。在婴儿时期，大脑突触连接的数量会快速增长。当每个神经元成熟时，它会发出多个分支，这增加了神经元间突触接触的数量。出生时，大脑皮层的每个神经元大约有 2500 个突触。到孩子三岁时，突触的数量大约是 15000 个。随着人的成熟，大脑中没有被使用的连接会被删除，而经常使用的连接会被加强，这就是著名的 神经修剪 。这个过程虽然可以贯穿一生，但在早期的“ 关键时期 ”尤为重要，因为这个时期大脑的可塑性使感官、语言和其他技能得以最有效地发展，所以孩子语言能力的发展更多地揭示了语言学习与神经可塑性之间的关系，一个人的某些神经细胞被编程为语法模块，为了使这些功能正常运行，大脑必须在关键时期通过学习来加强语言区的神经关联，这种神经可塑性使大脑能够快速处理语言响应。
神经元是通过发送或接收来自大脑中其他神经元的电化学信号来工作的，所有神经元相互连接的方式控制着信号的发送方式。 神经元可以通过连接方式调节神经信号的水平或强度 ，当每个神经元相互连接时，就会形成细胞簇( 连接在一起 而一起放电的细胞 )。细胞族的连接形成神经束，然后覆盖更大范围的大脑皮层。由于学习反复放电的突触连接会变得更加有效，突触连接越频繁，效率就越高。神经元连续放电产生了一种因果关系，使神经系统能够为语言学习建立基础性的结构链接。然而一旦神经元成长的关键阶段结束，语言学习能力将由于神经元可塑性下降而只能造成神经元链接的强度改变，从而表现为语言学习能力的退化。
图4 大脑神经网络系统的放电过程(来自网络)
3. 最后的争议
虽然神经可塑性可以解释关于大脑结构和功能的广泛事实，但这个概念确实具有一定的局限性。虽然神经可塑性随着年龄的增长而逐渐下降，但大脑的可塑性究竟有多大的潜力或限制却没有定论，也就是成熟的大脑 究竟 是否可以通过后天学习重塑语言能力到达母语的程度，并没有达成共识，这就是有些人反对语言存在关键期的重要理由。而且有研究也表明：在成年语言学习者中，学习语言的起始年龄和最终成就之间没有明显的相关性。但大脑重塑性存在限制这却是一个事实，比如盲人利用视觉中心对触觉或声音的反应能力只能用于特定类型的损伤，天生失明的是无法将他们的颜色检测脑细胞用于触觉感知的，即使在健康个体中，神经可塑性必然会随着年龄的增长而下降，表现在老年人变得更加保守和思维固化，学习新语言的能力明显比年轻人更为低下和缓慢。
另一方面科学家们仍然不确定大脑可塑性背后的分子机制，虽然语言学习存在关键期，但是否不仅仅是语言能力，其他的学习如音乐、舞蹈、体育等也存在关键期，这就说明是否语言学习能力所对应的大脑语言中枢神经元的可塑性存在一个确切的时间，然而这个时间窗口的上界和下界依然是模糊的，所以语言学家对于关键期的定义并没有被普遍接受，一些争议也是由于不同的研究者使用不同的定义而引起。
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