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閱讀障礙與注意力缺失是哪裡卡關?──觀察腦電波解析大腦處理語言的奧秘!

研之有物│中央研究院_96
・2021/10/11 ・5704字 ・閱讀時間約 11 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|陳毓豪
  • 美術設計|林洵安

每個孩子都是父母心中的寶貝,但對於閱讀障礙與過動孩童而言,成績低落、學習不專注是常有的事。大腦研究可以幫助我們釐清背後的成因嗎?「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學習及認知發展呢?來聽聽李佳穎怎麼說!

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,但我們究竟是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,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,一般不是直接把探針插在大腦神經元做侵入式量測,而是讓受試者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,只要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

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,新生兒不需要有行為反應,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(Mismatch negativity,不匹配負向波)。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。

那麼,MMN 可以發揮什麼關鍵功能呢?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,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,直到五年級後,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

研究團隊再針對閱讀障礙的孩子進行量測。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

孩子是注意力不足還是閱讀障礙?腦波會說話!

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

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。

從語言學角度,建議讓孩子提早學習雙語嗎?

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;日語母語者則是無法區分 r、l;而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,但不管是母語或第二語言,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。

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 Android 和 iOS 雙平台提供下載。

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/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,該怎麼協助。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,所以決定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。

延伸閱讀

  1. 「語言使用」和「大腦」的關係是…? 專訪李佳穎
  2. 中研院語言學研究所──大腦與語言實驗室
  3. Cheour, M., Ceponiene, R., Lehtokoski, A., Luuk, A., Allik, J., Alho, K., & Näätänen, R. (1998). Development of language-specific phoneme representations in the infant brainNature Neuroscience1(5), 351–353.
  4. Lee, C. Y., Yen, H. L., Yeh, P. W., Lin, W. H., Cheng, Y. Y., Tzeng, Y. L., & Wu, H. C. (2012). Mismatch responses to lexical tone, initial consonant, and vowel in Mandarin-speaking preschoolers. Neuropsychologia50(14), 3228–3239. 
  5. Sams, M. (1983). Sequential effects on the ERP in discriminating two stimuliBiological Psychology17(1), 41–58. 
  6. Yang, M. T., Hsu, C. H., Yeh, P. W., Lee, W. T., Liang, J. S., Fu, W. M., & Lee, C. Y. (2015). Attention deficits revealed by passive auditory change detection for pure tones and lexical tones in ADHD children. Frontiers in Human Neuroscience9.

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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook


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母體的免疫特區:為什麼子宮不會排斥胎兒?——《我們為什麼還沒有死掉?》

麥田出版_96
・2021/10/22 ・2258字 ・閱讀時間約 4 分鐘

• 作者/伊丹.班—巴拉克
• 譯者/傅賀

說來奇怪,人們早在十七世紀就開始嘗試輸血了。當然,最初人們並不瞭解血型或關於血液的其他基本事實,但他們已經開始把血液從一個人的身體輸到另一個人的身體裡,事實上,這無疑等於謀殺(現在眾所周知的 ABO 血型劃分是從一九○○年開始的)。

人們嘗試了各種類型的實驗和手段:把一隻動物的血輸進另一隻動物,把動物的血輸進人體,把一個人的血輸進另一個人體內,等等。

說得客氣一點,結果有好有壞,不過,在出現了一、兩例死亡事件之後,法國立法禁止了輸血。在接下來的一個半世紀裡,輸血幾乎銷聲匿跡。到了十九世紀,這項操作又重新引起了人們的興趣。時至今日,只要確保血型匹配,輸血就是安全的。

時至今日,只要確保血型匹配,輸血就是安全的。圖/Pixabay

這就是血液的情況。相對來說,輸血比較簡單,但是要在人與人之間移植其他細胞或組織,就困難多了。隨著移植技術的進步,人們可以從供體那裡接受心臟、腎臟、肝臟,以及其他器官,但是受體會出現排斥。受體的免疫系統會馬上識別出一大塊外來物質進入了身體,並試圖反抗。即使移植的器官來自最匹配的供體,受體患者也需要接受免疫抑制藥物治療,來緩解它們對「入侵器官」的免疫排斥。通常來說,人體並不會輕易接納外來物質——在上一章裡,我描述了人體不接納它們的一些方式。

但是,即便我們知道了這些事實,直到一九五三年,才有人試著來認真思考懷孕這件事:在十月懷胎的過程中,孕婦可以跟肚子裡的孩子和平相處,似乎沒有什麼負面效應。顯然,孩子並不是母親的簡單複製品,他們的免疫組成也不盡相同——因為胎兒有一半的基因來自父親,因此遺傳重組之後產生了一個明顯不同的新個體。

所以,問題是,母親如何容忍了體內的另一個生命呢

我們的生殖策略(即「用一個人來孵育另一個人」)裡有許多未解之謎,這不過是其中一個較不明顯並且格外難解的問題而已。事實上,即使在今天,我們也不清楚孕婦容忍胎兒的生理機制。我們知道,母親依然會對所有其他的外來物質產生免疫反應,我們也知道胎兒並沒有與母親的免疫系統在生理上完全隔離,受到特殊庇護。貌似孕婦與胎兒的關係裡有一些特殊而且非常複雜的事情。

孕婦與胎兒的關係裡有一些特殊而且非常複雜的事情。圖/Pexels

這可能早在受精之初就開始了。從那時起,母親的身體就開始逐漸習慣父親的基因。在懷孕的早期,發育中的胚胎就與母親的子宮開啟了複雜的對話。胚胎不僅躲在胎盤背後來逃避母親的免疫反應,而且還分泌一些分子用來針對性地防禦母親的免疫細胞,因為後者更危險。母親的自然殺手細胞和 T 細胞在胎盤外盤旋,但是它們並不是為了殺死胚胎細胞,而是轉入調控模式,開始釋放出抑制免疫反應的訊號,並確保胚胎安全進入子宮(同時促進胚胎的血管生長,這對胎兒來說是好事)。同時,胚胎細胞也不會表達第一型主要組織相容性複合體分子,以逃避免疫監視(有些感染病毒也使用這種策略來逃避免疫監視和攻擊)。此外,母親的免疫系統接觸胎兒的蛋白質並開始學著容忍它們。

除此之外,母親的免疫系統也會受到廣泛且微妙的抑制——但不嚴重,因為孕婦仍然能夠抵禦感染。整個免疫系統會下調一級。這也是為什麼有些女性的自體免疫疾病在懷孕期間會有所緩解。

目前我們的理解是這樣的:在不同類型的細胞和訊號的作用下,子宮成了免疫系統的特區(其他免疫特區還包括大腦、眼睛和睪丸),更少發生發炎。胚胎與母親的免疫細胞會進行活躍的對話,它們能在整個孕期和平相處。

在不同類型的細胞和訊號的作用下,子宮成了免疫系統的特區,更少發生發炎。圖/Pexels

當然,這個過程可能會出錯,而且偶爾也的確會出錯。當出現問題的時候,母親就會對胎兒發生免疫反應。在極端的情況下,這可能會導致女性不孕。在懷孕的早期,它可能會引起自然流產;在懷孕後期,這可能會引起一種叫作「子癇前症」的發炎反應,對母子都非常危險。

最後,說一件有點詭異的事情:胚胎細胞有辦法從胎盤中游離出去,進入母親的血液系統。

之前有理論認為,這也許是為了下調母親的整個免疫系統,使它對胎兒的出現做足準備,這可能也是母嬰對話的一部分。但是,最近幾年,研究者發現事情可能沒有那麼簡單:有些胚胎細胞即使在分娩之後仍然在母親的血液裡逗留——事實上,可以在分娩之後存活數年,從免疫學的角度看,這真說不通。研究者發現,它們會出現在母親的許多組織裡——包括肝臟、心臟,甚至大腦——它們可以發育成熟,變成正常的肝臟、心臟或是腦細胞,留在母親體內。讓我再說一遍:由於我妻子生了我的孩子,她體內和大腦裡的一些細胞現在也有我的基因了。這被稱為母胎微嵌合。目前沒人知道為什麼會這樣。

——本文摘自《我們為什麼還沒有死掉?》,2020 年 9 月,麥田出版

麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。
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