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1、心理科学进展 2007，15（3） ：409415 Advances in Psychological Science 409 言语学习引起的脑功能和结构变化* 李妍妍 丁国盛(北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室，北京 100875) 摘 要 文章系统介绍了言语学习引起的脑功能和结构可塑性变化研究的最新进展，例如：第二语言的词汇语义学习引起的脑功能变化主要受熟练程度的影响，而句法学习引起的脑功能变化主要受获得年龄的影响；实验室言语训练可以引起语言加工相关区域激活增强或减弱，以及出现新的激活区域；第二语言学习导致了左侧顶下皮层灰质密度增加。此外，文章还总结了言语学习的脑成像研究中常用的
2、实验范式，并提出了有待于进一步解决的关键问题。 关键词 言语学习，功能变化，结构变化，脑成像研究。 分类号 B842 近 20 年来，认知脑成像研究取得了令人瞩目的成就。已有的研究表明，多数认知功能都与特定的脑结构有关，如人类的语言功能与布洛卡区、威尔尼克区等脑区有关， 注意功能与扣带回、 前额叶、顶叶等脑区有关。随着研究的进一步深入，认知功能和脑结构的映射关系将日益明确1。然而，这种映射关系却掩饰了神经系统不断变化的本质。身体的发育、学习、经验等，都可以引起神经系统的改变。这种改变可以发生在神经系统的多种水平上，包括分子、突触水平，皮层、神经网络水平等等2。因此，近几年研究者们开始关注由学习
3、所引起的脑变化。学习包括很多类型，如知觉学习、动作学习、言语学习等，它们都可以引起大脑在多个水平上的变化。而本文主要关注言语学习所引起的脑功能和结构变化。 1 言语加工的脑皮层定位 研究者们通过大量的脑损伤病人研究、功能成像研究，在言语加工的脑皮层定位问题上已经得到了比较一致的结论。这些研究确定了左脑外侧裂皮层内的经典语言区对语言加工的重要作用，这些脑区包括布洛卡区、威尔尼克区、角回等；除该区域外，与语言活动相关的激活也发生在颞中回、颞下回、颞极、舌回、梭状回、前额中部区域（背外侧前额叶） ，以及脑岛等脑区3,4。在执行大多数语言收稿日期：2006-06-20 * 国家自然科学基金（项目号：3
4、0400133）资助。 通讯作者：丁国盛，E-mail: 任务时，右脑相对应区域也发生激活。这些脑区通常有具体分工，专门负责加工语言中的特异性成分，如词汇的语义加工等5,6。 那么，这些与言语加工相关的脑皮层是怎样组织的呢？已有研究表明，这些脑皮层是按照语言学系统特征进行组织的，即言语加工的皮层表征系统可以进一步划分为语音系统、词汇语义系统和句法系统，而不是听、说、读、写等表达系统7。与语音系统相关的脑区包括左侧颞上回、额下回、缘上回等区域8；与词汇语义系统相关的脑区包括颞叶、额叶等大脑的广泛区域9；与句法系统有关的脑区包括布洛卡区等外侧裂周区以及一些子成分10。 2 言语学习引起的脑功能变
5、化 言语加工的脑皮层定位研究勾画出的是一幅静态的画面。而脑功能及结构具有随经验和学习不断发生变化的可塑性特征。探讨言语学习所引起的脑功能及结构的改变，可以更加全面地揭示脑神经系统的认知功能及其结构的关系，并深化对脑可塑性特征的认识。鉴于技术上的原因，直接考察婴幼儿言语学习中的脑神经功能变化存在很多困难，因此大量的研究主要使用成人被试。这些研究集中考察了以下两种过程引起的脑功能变化：第二语言学习和实验室条件下的言语训练。 2.1 第二语言学习所引起的脑功能变化 随着国际交流日趋频繁和经济全球化，越来越多的人开始学习一门或多门外语。研究外语（第二-410- 心理科学进展 2007 年 语言）学习的
6、脑神经基础，揭示在第二语言学习进程中大脑语言功能的动态变化过程，是探讨学习与脑可塑性的一个重要突破口。 Paradis(1987)指出第二语言研究要回答两个方面的问题： （1）第二语言学习是否也引起语言的优势半球即左半球的功能变化； （2）如果第二语言也引起左半球功能变化，那么它改变的脑区是否与母语相同11。 早期关于第二语言学习的研究，主要集中在失语症病人研究。也有一些研究者利用阿米妥注射麻醉的方法使双语者产生短暂失语现象。多数研究表明：第二语言学习与母语一样，主要引起左半球功能改变；两种语言的恢复模式不同，因此认为第二语言学习引起的功能改变区域与母语并不相同12,13。而另一些研究并不支持
7、这一结论，Ojemann和 Whitaker 使用电刺激方法研究双语损伤者， 结果表明两种语言学习都引起左脑功能改变，这种变化既发生在一些相同区域，也有一些区域只有一种语言能够激活。因此，研究者们认为第二语言表征相对于第一语言有更广泛的皮层功能区，而母语有更“紧密”的组织14。 近年来，随着正电子断层扫描（PET） 、功能性核磁共振（fMRI） 、事件相关电位（ERP） 、脑磁图（MEG）等非损伤性成像技术的发展，使研究者们可以采用这些技术研究健康被试第二语言学习所引起的脑功能改变，这使第二语言学习研究得到了迅速发展。随着研究的不断深入，针对第二语言加工问题，形成了不同的理论假设。它们分别是区
8、分假 设 （ differential hypothesis ）、 集 中 假 设（convergence hypothesis） 、特殊计算需求假设(specific computational demands hypothesis)。 Ullman（2001）指出晚期获得双语者，第二语言加工的认知机制和皮层结构与母语不同，即区分假设。他认为晚期获得者的第二语言语法知识是外显的，母语语法知识是内隐的；而词汇知识在母语和第二语言中都是外显的。因为内隐知识和外显知识受不同神经系统调节（内隐知识是由左侧额叶基底核通路负责；外显知识是由左侧颞叶语言区负责） ，所以他认为成人期获得的第二语言所引起的脑
9、功能变化与母语不同15。Kim 等（1997）的研究支持了这一假设。研究发现晚期获得双语者在加工母语与第二语言时，布洛卡区出现分离现象，而早期双语者在加工两种语言时，这一区域的激活模式相同16。 Green（2003）提出了集中假设。他认为随着熟练程度增加，母语和第二语言任何性质上的差异都将消失。第二语言学习所引起的脑功能变化发生在已经指定或部分指定的系统，随着第二语言熟练程度的增加，它所引起的功能改变区域将逐渐紧缩，最终获得与母语相同的功能区17。 这两种理论分别从获得年龄、熟练程度的角度解释了第二语言学习所引起的脑功能变化问题。但是不同子系统中，这两种因素的影响程度不同 18，除此之外，还
10、可能受到第二语言学习方式、接触两种语言的程度等因素的影响19。 对于句法加工而言，有研究显示：早期获得的熟练双语者进行句法任务时，两种语言引起的脑功能区改变没有差异；而对于晚期获得熟练双语者和不熟练双语者，与母语相比，第二语言的句法加工引起了额下和顶部区域额外激活，且两类被试之间无差异18。这表明第二语言句法加工所引起的脑功能区改变主要受到获得年龄这一因素的影响18,20。 对于词汇语义加工而言，研究表明：第二语言熟练程度与母语相同的双语者，在执行语义任务时，其引起的脑激活模式与母语相同21,22，激活模式与两种语言在正字法、语音、句法等方面的差异无关21。相对地，第二语言熟练程度较低双语者进
11、行该项加工时，在前额区域产生额外激活18,2326。而获得年龄对词汇语义加工影响相对较小19。 此外，一些关于汉语母语者加工第二语言（英语）的研究表明，进行语音加工、词汇语义加工时，两种语言的激活模式一致2729。 所以，Daniela 等（2005）提出了特殊计算需求假设。他们认为第二语言学习所引起的脑激活区域与母语激活区域相同。无论第二语言性质如何，语音、句法、词汇语义方面的加工任务引起相同脑激活模式，第二语言加工与母语加工所引起的神经表征只涉及到不同的计算要求。第二语言加工需要更多计算要求，所以在特定区域有更强或更大范围的功能激活。这一特定激活模式受到熟练程度、获得年龄、接触程度等影响，
12、第二语言加工的神经基础是动态的19。 2.2 实验室言语学习和训练所引起的脑功能变化 由于第二语言学习所引起的脑功能变化受多种因素影响，而这些因素之间又存在着相关，这导致在实验中很难将这些影响因素完全区分开来30。第 15 卷第 3 期 言语学习引起的脑功能和结构变化 -411- 为了解决这个问题，研究者们开始采用实验室言语学习和训练的方法研究言语学习所引起的脑功能变化。目前，大多数研究采用的范式是：在进行新语言学习前，要求被试完成一项言语任务，并记录其引起的脑激活图像；之后让被试进行为期数周或数月的新语言学习，学习后被试再次完成该项言语任务，同样记录其引起的脑激活图像。同时，在学习前后设置基
13、线任务。分析、比较两种任务条件下前后两次扫描得到的图像，从而得出由学习所引起的脑功能变化。这一范式可以很好地控制影响言语学习的各个因素。 实验室言语学习和训练的相关研究得出：新语言加工与母语加工相比，原有语言相关脑区激活面积扩大或出现新功能区8。探讨实验室言语学习和训练所引起的脑功能改变，也是从语音学习、词汇语义学习、句法学习这三个子系统展开。 在实验室语音学习和训练的脑成像研究中，有一些脑区经常被报告，它们分别是左侧额下回8,3134、左侧颞上回8, 35,3133、左侧角回36,37、左侧颞中叶8,35等。但这些研究结果并不完全一致，可能是以下几个方面的原因导致的：（1）任务分解不充分；（
14、2）考察语音加工的不同方面；（3）用成像技术研究采用认知相减方法的局限。特别是，一些研究减去不同类型的基线任务而获得激活映射图。刺激呈现方式的细微变化、语言刺激不可控的自动加工等，也可能导致结果不一致38。此外，Callan 等（2005）还提出，形音转换的难易程度与阅读中语音加工结果不一致有关37。以后的研究应该尽量避免这些干扰因素的影响，从而找出负责形音转化、简单语音加工的区域。 实验室句法学习，主要采用的方法是人工句法学习39,40。多数研究表明语法学习可引起布洛卡区激活增强10,3940，这表明布洛卡区对于句法加工起着十分重要的作用。 对于实验室语义学习，目前研究相对较少。在这些研究中
15、，几乎都发现左侧顶下皮层激活4143。而在一些研究中，则出现更多脑区激活41，这可能是由于研究中使用材料不同而引起的。 针对言语学习所引起的脑功能变化，已有研究得到了初步一致的结果，但还有许多问题需要我们注意，如研究中的学习任务、刺激材料、学习方式等干扰因素的控制问题。 3 言语学习引起的脑结构变化 成人大脑的结构会因为学习和经验而发生变化吗44,45？传统观点认为：除了在老化和病理条件下，大脑的解剖结构不会发生变化。但近几年，这种观点受到了挑战。一些研究表明：成人的经验和学习也可以引起大脑结构的改变。 Mechelli等（2004）的研究表明，双语者与单语者相比，左侧顶下皮层灰质密度增加；而且早期双语者相对于晚期双语者，灰质密度增加更显著；熟练程度、获得年龄对该区域灰质密度有影响第二语言越熟练、获得年龄越低，该区域灰质密度越大46。关于人类其他方面学习的研究也表明：学习和训练可以引起大脑结构改变45,47，然而这种动态结构变化的基础目前仍然不清楚。 动物研究在这方面已经取得了很大进展，可以给我们一些有益的启示。基于动物的研究确认学习和训练可以引起脑结构变化，但对变化原因的解释却存在着分歧。目前主要有三种观点。第一种观点认为神经细胞具有可塑性，即突
