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新生儿大脑感知的语音音节特征及神经机制,人体生理学论文摘 要： 语言能力是人类区别于动物最本质的能力之一。华而不实，语音加工是语言认知的核心功能，语音加工的脑机制是语言学及认知心理学关注和研究的重要课题。该领域已有的大部分研究主要关注成人、儿童青少年或婴儿怎样加工和处理语音，当前我们对新生儿人类出生28天内的大脑是怎样感悟语音的尚不清楚。随着神经科学技术的发展，非侵入式的大脑活动测量技术被越来越多的用于考察新生儿的脑机制。研究发现，人类在新生儿时期就已经存在相对完善的语音加工神经系统。例如，感悟超音段特征的关键脑区为右侧颞上回，检测音节序列构造的关键脑区为左侧额下回Broca区。本文分别从新生儿对音段和超音段特征的感悟、对音节序列构造包括序列边缘、重复构造、构造分割的感悟，以及对母语和外语感悟的差异这三个方面，介绍新生儿对不同语音特征感悟的大脑机制，并就此领域的研究发展方向做出了几点讨论。 本文关键词语： 新生儿; 语音感悟; 失匹配反响; 颞上回; 额下回; Abstract： Language is a unique human trait and a vital means for communication. However, it is unclear how the newborn s brain perceives language and speech sound. It is of great significance to confirm the typical brain mechanism of speech sound perception in neonates. Language with sound carrier is called speech sound, which is produced by human vocal organs. Since newborns are not able to recognize words, neonatal processing of language is generally referred to the processing of speech. With the development of neuroscience, non-invasive neuromeasurement techniques have been increasingly applied to study the brain mechanisms of speech processing in infants and even newborns. This article introduced the brain mechanisms of mother tongue and foreign languages speech perception in newborns from four aspects, i.e., the processing of phonetic structures, phonetic physical attributes, phonetic units and phonetic categories. For the processing of phonetic structures, a number of studies have found that humans are born with the fundamental mechanisms for encoding the order and structure of syllables in speech sequences. It has been shown that newborns have better encodings for the syllables at the edges of sequences than those in the middle. They are able to detect the repetition structures and their positions in syllable sequences. Besides, the statistical learning ability for linguistic sequences is already present at birth. With regard to the processing of physical attributes of speech, significant MMR(mismatch response) are found in response to the change of phonetic physical attributes at the frontal lobe and temporal lobe of newborns. The MMR is the infant equivalent of the mismatch negativity(MMN) in the adult brain. For the processing of phonetic units, the neonatal brain can also elicit the MMR in response to the change of phonetic units. With respect to the processing of phonetic categories, humans are born with a left hemisphere superiority in processing their mother tongue, whereas the right hemisphere is more sensitive to non-native languages. In conclusion, human beings have relatively complete speech processing mechanisms in the neonatal period, which mainly involves temporal lobe and the Broca s area of inferior frontal gyrus. The left inferior frontal gyrus plays an important role in detecting speech structure, while the right superior temporal gyrus is responsible for distinguishing the prosody of the speech.According to the existing research reviewed above, three questions needing further research and explorations are proposed. Firstly, the polarity of MMR evoked by novel auditory materials needs to be further studied. Longitudinal experiments are suggested to be conducted in the future to reveal the key developmental stage of polarity change of MMR in infants. Secondly, we also suggest that meta-analysis of speech processing effects in different brain regions should be carried out to further reveal the brain mechanism of speech perception in neonates and infants. Lastly, most of the existing studies on the brain mechanism of neonatal speech processing are single time node studies, and do not investigate the obvious changes of the brain stimulated by speech stimulation in the environment of neonatal dependence after birth. In the follow-up study, high spatial resolution technique(fMRI/fNIRS) can be used to further explore the key brain regions of neonatal speech learning. Keyword： neonate; speech sound perception; mismatch response; superior temporal gyrus; inferior frontal gyrus; 1 、引言 语言language是人类最重要的交际工具，是人们进行沟通的主要表示出方式。语言是一套音义结合的符号系统，它以语音speech sound作为物质载体。语音由人的发音器官发出，负载着一定的语义。先前已有大量研究讨论了成人和儿童青少年语音感悟的脑机制。但关于新生儿1语音感悟的脑机制尚不清楚，人类能否在出生时即具有感悟语音的能力？假如有,新生儿感悟语音的关键脑区在哪里？ 针对这些问题，本文对新生儿的语音加工机制进行了讨论。听觉是人类最早发展的感觉之一。人类的听觉系统在胚胎早期基本构成，到妊娠晚期时已相当发达Ferronato,Domell?f, R?nnqvist,2020;Moore Linthicum,2007。行为研究发现刚出生的新生儿即能分辨母语与非母语，表现出对母语的偏好。例如：当新生儿听母语时，他们的吮吸频率更高层次。随着新的研究工具，包括功能性核磁共振成像functional magnetic resonance imaging,fMRI、脑电图electroencephalography,EEG及事件相关电位event-related potential technology,ERP、脑磁图magnetoencephalogram,MEG、功能近红外光谱成像技术functional near-infrared spectroscopy,f NIRS等神经科学技术的发展，研究者能够超越行为学指标，直接考察处于语言学习最初阶段的新生儿的大脑能否以及怎样感悟语音。下文分别介绍新生儿大脑感悟语音音节特征、音节序列构造特征以及处理母语和外语的神经机制。 2 、对音节特征的感悟 语音的物理属性主要包括音高、音强、音长、音色，这也是语音的四要素。音节是构成语音的构造单元,音节包含两个语音成分：音段成分segmental unit,如元音和辅音和超音段成分supra-segmental unit,如声调和重音。因而，语音感悟能够分为对音段特征的感悟和对超音段特征的感悟Wenrich,Davidson, Uchanski,2021。 2.1 、音段特征 音段特征包括元音、辅音等Wenrich et al.,2021。音段特征感悟能够粗略地看作是对 讲话内容 的感悟。成年人听觉研究中常用的指标为失匹配负波mismatch negativity,MMN，该ERP成分是由重复听觉刺激序列中的新异刺激诱发出来的，代表了大脑对新旧两种声音之间差异的辨别Marklund,Lacerda, Schwarz,2021;Saarikivi,Putkinen,Tervaniemi, Huotilainen,2021。 有研究在新生儿音段感悟经过中发现了类似于成人MMN的ERP成分的存在。一项MEG研究发现，当在频繁播放的元音/a:/中偶然播放元音/i:/时，新生儿大脑出现了与MMN相对应的脑磁成分MMNm，表示清楚新生儿能够检测到语音中元音的变化Kujalaet al.,2004。Mahmoudzadeh等人2020在一项f NIRS研究中发现，29周胎龄的新生儿就能够感悟辅音的变化：在实验中，偏差刺激既有辅音的改变/ba/vs./ga/，又有音色的改变男vs.女，而左侧额叶只在辅音改变时激活。在Mahmoudzadeh等人2021的一项后续的ERP研究中，研究者采用4个一样音节组成标准刺激如/babababa/，改变第4个音节改变辅音构成偏差刺激如/bababaga/，发现此变化在新生儿大脑中会诱发失匹配反响mismatch response,MMR1，其ERP成分由额叶的负波和颞叶的正波组成，且左侧额-颞叶的失匹配反响比右侧的潜伏期更早Mahmoudzadeh,Wallois,Kongolo,Goudjil, Dehaene-Lambertz,2021。除此之外，Partanen等人2020发现元音的改变例如/ti:/vs./tu:/和辅音的改变例如/pu:/vs./tu:/都诱发了显着的MMR，该MMR在额区和区幅度最大。 综上所述，新生儿能够对音段特征的元音、辅音进行感悟，检测到它们的变化，并产生类似于成人MMN的MMR。由于已有的对音段特征加工的研究多用EEG作为测量技术，当前对此经过牵涉的脑区的了解还不够，从当前仅有的几项研究以为左侧额叶-颞叶在音段感悟中起到关键作用。 2.2 、超音段特征 超音段特征指语音中的音高、音长和音强等方面的变化，这些变化构成长短音、声调、语调、韵律、轻重音等超音段特征的要素Wenrich et al.,2021。 一些研究在新生儿的超音段特征感悟经过中发现了类似于成人MMN的ERP成分。Kujala等人2004使用MEG技术在新生儿中测量了大脑对超音段特征的反响。在稳定音高的元音/a:/中忽然出现音高上升的/a:/，诱发了与MMN相对应的脑磁成分MMNm，表示清楚新生儿能够检测到元音音高的变化。结合EEG和f NIRS技术，Telkemeyer等人2018在2-6日龄的新生儿中发现，右半球主要加工慢速声学变化，如韵律、音高等，右半球颞叶对这种变化尤其敏感。一项EEG研究发现辅音强度和元音持续时间的改变均可产生显着的MMR(Partanen et al.,2020。Zhang等人2022使用f NIRS考察04日龄的新生儿区分语音中情绪韵律的能力，发现相较于中性韵律，情绪韵律高兴、愤怒、恐惧加强了右侧颞上回的神经活动。除此之外，研究者在一项ERP实验中发现，情绪韵律音节dada可在右侧大脑诱发比中性韵律更大的MMR(Cheng,Lee,Chen,Wang, Decety,2020。这些结果与右侧颞上回负责区分情绪和中性韵律的结论一致Zhang,Zhou,Hou,Cui, Zhou,2021。 上述研究结果表示清楚，新生儿能够对语音的超音段特征进行加工，检测到它们的变化，产生类似于成人MMN的MMR。由于此方向的研究多以MMR作为指标，我们当前对新生儿语音超音段加工的脑区了解得不多，已有研究提示右侧颞叶尤其是颞上回在超音段特征感悟中具有关键作用。 3 、对音节序列构造的感悟 3.1 、序列位置效应 对边缘构造的检测是音节序列构造检测中最重要的能力之一。边缘效应又称为序列位置效应，即与序列中的其他音节相比，人们对序列开场和结束位置的音节记忆成绩会更好Hurlstone,Hitch, Baddeley,2020。一项f NIRS研究发如今新生儿阶段就已存在语音加工的边缘效应：在熟悉一个六音节的序列后，交换最开场和最后一个音节，此时额叶尤其是前额叶和颞叶的血流动力学响应显着大于交换两个非边缘的内部音节的脑响应，这表示清楚新生儿对边缘音节的编码比对内部音节的编码更准确Ferry et al.,2021。由于额叶主要介入新异刺激的检测Kafkas Montaldi,2020;Mahmoudzadeh et al.,2020，我们猜想新生儿在这里经过中将交换了边缘音节的音节序列辨别成了新的不熟悉的音节序列，因而激活了额叶尤其是前额叶。 上述研究表示清楚新生儿的大脑能够较准确的编码音节序列中边缘位置的音节，因而人类在出生时即具有了编码音节序列的基本神经机制Ferry et al.,2021。 3.2、 重复构造 Gervain等人2008采用f NIRS研究检测了新生儿学习简单重复音节序列构造的能力，结果发现，当听到重复序列ABB:例如/mubaba/时，新生儿的双侧颞叶和左侧额叶尤其是额下回的激活显着加强，表示清楚新生儿的大脑能够检测到重复构造。但当新生儿听愈加复杂的重复序列非相邻重复序列：ABA时，上述脑区的激活与非重复序列ABC无显着差异。这讲明新生儿仅能辨别最简单的重复序列。在上述结果中，左半球区分重复和非重复构造的敏感性更强，这符合语言加工的左半球优势理论。而与非重复构造相比，新生儿左侧额叶尤其是额下回对重复构造有更大的反响，这与Broca区负责序列学习以及短语、句子整合的结论相符Alamia et al.,2021;Udd n,Ingvar,Hagoort, Petersson,2021。 Gervain等人2020在另一项研究中还发现，新生儿不仅能检测到重复构造，还能检测到音节重复的位置。让新生儿听交替条件AAB和ABB交替呈现和非交替条件AAB和ABB在不同的block中呈现的音节序列，结果发现非交替条件下的双侧颞叶、左侧额下回激活更强注：交替/非交替设计常用于研究小婴儿对不同种类刺激的区分能力。结果表示清楚，新生儿能够区分AAB和ABB构造，在非交替条件的脑反响更强表示清楚他们能够提取出重复音节的位置，找出音节构造的规律。 这些发现表示清楚新生儿对语音的构造具有较高的敏感性，这种感悟能力有助于出生后的语言发展，也证明语言习得的神经基础是从出生时就具备的。 3.3、 音节切分 日常用于沟通的语言通常是以词组或句子的形式呈现的，在新生儿和婴儿开场学习语言的时候，他们需要从连续的语音流中分离出单词进而习得语义、语法等规则。利用统计信息分割连续语言流的能力是开启语言学习最重要的基础能力之一Frost,Monaghan, Tatsumi,2021。成人纯音切分的ERP研究发现，在三纯音单元的首音处，额叶区域出现N400。N400被以为能够反映成人对听觉刺激分割的统计学习经过Mandikal Vasuki,Sharma,Ibrahim, Arciuli,2021。已有研究表示清楚，不但8月龄的婴儿能够从连续的语句中切分出单词Saffran,Aslin, Newport,1996，新生儿也能够关注到语言中音节的统计学规律并用以切分音节。例如，Teinonen等2018记录了新生儿在听见合成音节序列时的ERP反响，其结果与成人类似，在首音节处脑电中检测到了更大的负波，证明对语言序列的统计学习能力在出生时就已经具备了。 通过对上述几种音节序列构造检测的研究可知，新生儿能够检测语音序列的构造，并对特定构造具有一定的敏感性，主要牵涉的脑区为额叶尤其是左侧额下回Broca区。 4 、对母语和外语感悟的差异 很多研究表示清楚，与非母语和非语言相比，成人和婴儿均对母语更敏感，并且大脑左半球在加工母语时具有明显的优势。Paquette等人2021的一项f NIRS研究发现，儿童、青少年和成人在使用母语进行表示出时，左半球的血流动力学反响均显着大于右半球，主要激活的脑区为Broca区。MinagawaKawai等人2018使用f NIRS研究发现，4月龄的婴儿收听母语时左侧颞叶激活显着，而右侧颞叶则无显着激活。类似地，在一项EEG研究中，Pe?a等人2018发现，婴儿包括早产儿和足月儿大脑在母语条件下西班牙语表现出更强的gama频段能量。 同样地，很多研究证明了新生儿也具有母语的左半球效应。在一项f NIRS研究中，Pe?a等人2003发如今新生儿的大脑中，母语引起的左侧颞叶的激活明显大于右侧颞叶。使用f NIRS考察1-2日龄的新生儿发现，他们在听母语时左侧大脑显着激活，右侧则没有明显反响Kotilahti et al.,2018。Sato等人2020发现，相比英语，日本新生儿在听到日语时大脑左侧颞叶有更大的激活。May等人2021的研究发现新生儿在加工母语时双侧颞叶前部显着激活，但左侧激活程度更大。近期一项对新生儿的f NIRS研究结果发现，新生儿在听到母语时左侧颞叶显着激活而右侧未发现有明显神经反响Vannasing et al.,2021。以上研究表示清楚新生儿已具有对母语的神经偏好，这可能是由于人类在胎儿时期就不可避免的听到宫外的母语并进行了初步的编码、学习和记忆。 当新生儿收听非母语即外语时，左侧优势效应不再显现，大脑由听母语时的左侧激活变成了双侧激活。May等人2021的研究结果表示清楚，新生儿在加工外语时双侧颞叶前部显着激活。Sato等人2020发如今日本新生儿中，英语刺激引起了双侧颞叶的激活。甚至，一项f NIRS研究表示清楚，对于外语刺激，新生儿大脑右半球的含氧血红蛋白浓度变化显着高于左半球Vannasing et al.,2021。还有两项研究，固然使用母语材料，却将语音材料经过了低通滤波，去除了语音中的高频信息，仅保存了韵律和节拍，这两项研究均未发现母语的左侧优势效应，而是观察到了大脑的双侧激活Perani et al.,2018;May,Byers-Heinlein,Gervain, Werker,2018。这些研究表示清楚新生儿对从未接触过的没有产前经历体验语言的韵律和语调形式进行加工时需要调用负责加工超音段特征的右侧颞上回，这与新生儿研究中发现的右侧颞叶负责韵律加工的结论一致Vannasing et al.,2021;Zhang et al.,2022。 5 、总结和瞻望 通过对新生儿大脑在音节、音节序列构造、母语和外语三个方面已有研究结果的总结，当前已把握的新生儿语音感悟的脑机制包含下面内容：人类在新生儿时期就已经存在相对完善的语音加工神经系统，能够检测到语音中元音、辅音及超音段特征音高、情绪韵律等的改变，这些特征改变会诱发出类似于成人MMN的MMR脑电成分。新生儿大脑能够对音节序列构造进行加工，例如能检测出重复音节构造，对边缘位置音节的编码比对内部音节的编码更准确。新生儿加工语音的脑区主要为颞叶尤其是右侧颞上回、额叶尤其是左侧额下回，华而不实左侧额下回Broca区在检测语音构造中扮演重要角色，而右侧颞上回在感悟超音段特征中发挥关键作用。新生儿能分辨母语与非母语，表现出对母语的偏好。在听母语时，新生儿大脑的左半球激活，即在母语加工中存在左侧优势；而新生儿在听非母语时，大脑双侧的额叶和颞叶激活，这符合大脑右侧主要负责加工韵律、声调的结论。在新生儿语音加工的脑机制领域，仍有一些科学问题需要澄清或进一步探寻求索。 第一，新异听觉材料诱发的MMR的极性以及极性发生转变时的关键期。当前大多数婴儿实验发现的MMR成分极性与成人相反，为持续时间较长的正波。导致这种现象的主要原因是新生儿大脑神经元和神经胶质细胞不成熟以及由此导致的知觉加工减慢Partanen et al.,2020。在将来的研究中能够采用追踪设计进行纵向研究，观察波形和极性随着新生儿的成熟产生的变化，揭示MMR极性改变的关键发育阶段，并对这一关键期的语音加工脑机制进行研究。 第二，我们当前已经知道母语的左侧优势以及左侧额下回和右侧颞上回主要负责构造检测和声调区分。但已有研究并未严格操控语言种类能否母语和任务构造检测、声调加工等的不同水平，例如母语的构造检测中，到底是左侧优势还是构造检测的关键脑区在起作用，亦或是两者共同作用，当前尚不清楚。除了严格操控实验变量外，我们还建议对不同脑区进行语音加工效应量的元分析，进一步揭示新生儿和婴儿语音加工的脑机制。 第三，已有的新生儿语音加工脑机制的研究大多为单一时间节点的研究，并未考察新生儿出生后依靠环境中的语音刺激其大脑发生的明显改变。当前唯一的一项 语音学习 的研究考察了新生儿经过2.5-5个小时的语音学习前后，大脑对所学习音节的MMR差异，提示即便是短暂的语音暴露也会引起新生儿脑功能的显着改变Cheour et al.,2002。后续研究能够采用高空间分辨率技术f MRI/f NIRS进一步讨论新生儿语音学习的关键脑区。 以下为参考文献 Alamia,A.,Solopchuk,O.,D Ausilio,A.,Van Bever,V.,Fadiga,L.,Olivier,E., Z non,A.(2021).Disruption of Broca s area alters higher-order chunking processing during perceptual sequence learning.Journal of Cognitive Neuroscience,28(3),402-417. Cheour,M.,Martynova,O.,N?t?nen,R.,Erkkola,R.,Sillanp?,M.,Kero,P.,et al.(2002).Speech sounds learned by sleeping newborns.Nature,415(6872),599-600. Cheng,Y.,Lee,S.Y.,Chen,H.Y.,Wang,P.Y., Decety,J.(2020).Voice and emotion processing in the human neonatal brain.Journal of Cognitive Neuroscience,24(6),1411-1419. Ferronato,P.A.,Domell?f,E., R?nnqvist,L.(2020).Early influence of auditory stimuli on upper-limb movements in young human infants:An overview.Frontiers in Psychology,5,1043. Ferry,A.L.,Fl ,A.,Brusini,P.,Cattarossi,L.,Macagno,F., Nespor,M.(2021).On the edge of language acquisition:Inherent constraints on encoding multisyllabic sequences in the neonate brain.Developmental Science,19(3),488-503. Frost,R.L.,Monaghan,P., Tatsumi,T.(2021).Domain-General Mechanisms for speech segmentation:The role of duration information in language learning.Journal of Experimental Psychology:Human Perception and Performance,43(3),466-476. Gervain,J.,Macagno,F.,Cogoi,S.,Pen,M., Mehler,J.(2008).The neonate brain detects speech structure.Proceedings of the National Academy of Sciences,105(37),14222-14227. Gervain,J.,Berent,I., Werker,J.F.(2020).Binding at birth:The newborn brain detects identity relations and sequential position in speech.Journal of Cognitive Neuroscience,24(3),564-574. Hurlstone,M.J.,Hitch,G.J., Baddeley,A.D.(2020).Memory for serial order across domains:An overview of the literature and directions for future research.Psychological Bulletin,140(2),339-373. Kafkas,A., Montaldi,D.(2020).Two separate,but interacting,neural systems for familiarity and novelty detection:A dual-route mechanism.Hippocampus,24(5),516-527. Kujala,A.,Huotilainen,M.,Hotakainen,M.,Lennes,M.,Parkkonen,L.,Fellman,V.,et al.(2004).Speech-sound discrimination in neonates as measured with MEG.Neuroreport,15(13),2089-2092. Kotilahti,K.,Nissila,I.,Nasi,T.,Lipiainen,L.,Noponen,T.,Merilainen,P.,et al.(2018).Hemodynamic responses to speech and music in newborn infants.Human Brain Mapping,31(4),595-603. Moore,J.K., Linthicum,F.H.(2007).The human auditory system:A time line of development.International Journal of Audiology,46(9),460-478. Mahmoudzadeh,M.,Dehaene-Lambertz,G.,Fournier,M.,Kongolo,G.,Goudjil,S.,Dubois,J.,et al.(2020).Syllabic discrimination in premature human infants prior to complete formation of cortical layers.Proceedings of the National Academy of Sciences,110(12),4846-4851. Mahmoudzadeh,M.,Wallois,F.,Kongolo,G.,Goudjil,S., Dehaene-Lambertz,G.(2021).Functional maps at the onset of auditory inputs in very early preterm human neonates.Cerebral Cortex,27(4),2500-2512. Mandikal Vasuki,P.R.,Sharma,M.,Ibrahim,R.K., Arciuli,J.(2021).Musicians online performance during auditory and visual statistical learning tasks.Frontiers in Human Neuroscience,11,114. Marklund,E.,Lacerda,F., Schwarz,I.C.(2021).Using rotated speech to approximate the acoustic mismatch negativity response to speech.Brain and Language,176,26-35. Minagawa-Kawai,Y.,Lely,H.,Ramus,F.,Sato,Y.,Mazuka,R., Dupoux,E.(2018).Optical brain imaging reveals general auditory and language-specific processing in early infant development.Cerebral Cortex,21(2),254-261. May,L.,Byers-Heinlein,K.,Gervain,J., Werker,J.F.(2018).Language and the newborn brain:does prenatal language experience shape the neonate neural response to speech?Frontiers in Psychology,2,222. May,L.,Gervain,J.,Carreiras,M., Werker,J.F.(2021).The specificity of the neural response to speech at birth.Developmental Science,21(3),e12564. Partanen,E.,Pakarinen,S.,Kujala,T., Huotilainen,M.(2020).Infants brain responses for speech sound changes in fast multifeature MMN paradigm.Clinical Neurophysiology,124(8),1578-1585. Paquette,N.,Vannasing,P.,Tremblay,J.,Lefebvre,F.,Roy,M.S.,McKerral,M.,et al.(2021).Early electrophysiological markers of atypical language processing in prematurely born infants.Neuropsychologia,79,21-32. Pe?a,M.,Maki,A.,Kovacic,D.,Dehaene-