與經驗依存的大腦神經可塑性

一、大腦神經可塑性(brain neuroplasticity)

大腦具有彈性能夠因應環境刺激而改變，或因為認知需求或者行為的經驗 而產生功能上或生理上的改變，甚或重新設定大腦結構(Li et al., 2014)，這就是 所謂的大腦神經可塑性(neuroplasticity)。這個大腦神經可塑性的觀點獲得多項腦 造影的研究證據支持，在大腦灰質(gray matter)體積，白質(white matter)連結和皮 質厚度(cortical thickness)等結構都看到隨著經驗而改變(experience-dependent)。許 多研究已經證實，即使在過了所謂關鍵期(critical period)的發展成熟期之後，終 其一生，成年人的大腦能夠持續進行功能上和結構上的改變 (Taubert, Draganski, Anwander, Muller, Horstmann, Villrigner & Ragert, 2010; Taubert, Villringer, &

Ragert, 2012)，這項特質是人類神經系統所特有的。大腦神經連結持續的改變，

源自於環境的改變，新奇的經驗，和學習新的技能，這些是我們所熟知的大腦功 能及對應的神經迴路的調節因子(modulators) (Draganski & May, 2008)。從神經解 剖(neuroanatomic)造影的證據驗證了不同的學習和經驗對應形塑不同的認知功能 區域。例如，在著名的倫敦計程車司機的研究中顯示純熟的空間駕馭的技能 (navigational skills)（空間知識與記憶）反應在計程車司機的海馬迴後緣的體積比 較大(posterior hippocampus) (Maguire, Gadian, Johnsrude, Good, Ashburner,

Frackowiak, & Frith, 2000)。

神經工程(neuroengineer)研究者嘗試藉由量測大腦中處理執行監控

(executive control)，記憶( memory)，和動作學習(motor learning)等不同認知作業 功能相關區域的大腦皮質體積的差異，來預測習得複雜認知作業的能力；例如:

以觀察受試者大腦中與認知作業功能相關腦區的神經迴路的大腦皮質體積的大

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小，來預測受試者的複雜即時策略的反應能力（Basak, Voss, Erickson, Boot, &

Kramer, 2011）。或者，以腦磁振造影來視覺化呈現學習後所產生的腦區結構上 的各項改變，以証實大腦神經可塑性；例如，Draganski 等人(2004)推論玩球變 戲法的學習會暫時及選擇性地改變大腦神經迴路中職司處理及儲存複雜視覺動 作的認知作業的腦區。腦造影的資料顯示，比較學習玩球變戲法實驗組受試者與 沒有學習的控制組，實驗組受試者在左右腦兩側的顳中迴區(mid-temporal area)(hMT/V5)，和左腦的頂間溝腦迴後部(posterior intra-parietal sulcus)在學習前 和學習後的活化程度有顯著的差異，但在學習後一段時間後兩組的大腦皮質活化 程度的差異則有減弱的情況，顯示學習玩球變戲法的學習成效與學習者大腦灰質 區域結構暫時性的活化的相關性很高(Draganski, Gaser, Busch, Schulerer,

Bogdahn, & May, 2004)。Kühn 等人 (2011)研究電玩遊戲的大腦神經基礎；發現 玩家(gamers)比起非玩家(non-gamers)在大腦處理酬賞刺激(reward processing)的 腦區的左腹側紋狀體(left ventral striatum)有較多的神經連結及較大的活化程度，

驗證電玩遊戲的長期經驗反映在神經迴路的可塑性(Kühn, Romanowski, Schilling, Lorenz, Mörsen, Seiferth, Banaschewski,... the IMAGEN consortium, 2011)。

Taubert 等人 (2012)的研究讓受試者持續進行六週的平衡練習，過程中進 行四次大腦造影掃瞄，一次在學習前，之後在練習期間每隔二週掃描一次，觀察 學習相對應的大腦灰質及白質的改變和學習成效之間的動態關係。研究證據顯示 大腦灰質與白質隨著學習成效提升產生變化；在前額葉腦區逐漸增加神經連結及 增進神經傳導效能，而頂葉區的灰質活化的差異則由生手到第二週（最高峰）之 後逐漸熟練，活化差異也逐漸減低，同時，連結前額葉和頂區區域的白質變化也 有對應灰質的變化而呈現暫時性的差異。因此，對應於由生手到熟練程度的學習 過程中，灰質與白質結構的動態性差異，驗證了大腦可塑性 (Taubert et al., 2012)。

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由上述的研究實證資料顯示大腦神經可塑性具有功能特定性，預測性，暫 時及選擇性，動態差異性及非線性變化的等等特性。

二、雙語發展是大腦神經迴路的重組 (bilingualism as reorganization of brain

network)

關於個人學習第二語言的經驗如何產生神經可塑性的議題，近年來有許多 跨領域的研究者投入研究，Li 和他的同事回顧與經驗依存(experience-dependent) 而產生的神經解剖上(anatomical)和功能性神經連結(functional connectivity)類型 的改變的相關證據，分別在兒童，成年人和老年人的大腦中，都可以看到第二語 言經驗所引發的大腦神經結構的改變，包括灰質密度和白質的完整度增加。這項 與經驗依存的大腦神經結構及功能性的改變，即使不是經過長期的語言經驗所產 生的差異，也能夠在短期的語言學習或訓練後看到改變，同時，與個別語言的特 性，學習者的年齡，第二語言習得的年齡，語言流暢度和水準，及個體差異都有 相關 (Li et al., 2014)。

為了進一步預測相關語言和閱讀能力的發展及變化，首先需要瞭解大腦這 個一腦多文(one brain for all languages)內在機制如何支持和表徵雙語或多語 (Myers, Vandermosten, Farris, Hancock, Gimenez, Black, Casto, Drahos,Tumber, Hendren, Hulme, & Hoeft, 2014)。自 1990 年代中期開始，拜現代腦造影設備所賜，

研究者使用功能性磁振造影(fMRI)，正子造影(PET)和腦電波(EEG)/事件相關電 位(ERP)，得以揭示學習第二語言時大腦的特定功能類型，及對於關鍵期假說的 預測也得以進行相關的驗證，研究者從行為和腦造影的相關證據來探究，發現即 使在成年時期才進行的第二語言學習，其學習成效也會導致大腦神經結構和連結 產生改變，其改變類型幾乎類似於母語或第一語言所產生的改變類型，包括灰質 (gray matter, GM)密度的增加，大腦皮質厚度(cortical thickness, CT)增加，或增進 白質(white matter, WM)完整性。

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L1 等人 (2014)整理近十年來研究文獻，從認知神經機制的角度去檢視第二 語言學習所導致大腦神經解剖上的變化，以確認因為雙語經驗產生大腦結構改變 的內在機制，也比較語言和非語言訓練在神經結構上的效果，來釐清大腦語言神 經迴路和認知控制迴路間的重疊和互動，同時，也關注到神經結構和行為上的個 體差異問題，進一步呈現從結構到功能到行為(structure-function-behavior)這三個 層次的連結所呈現的整體概念(Li et al., 2014)。

Li 等人(2014)從相關文獻的實驗證據中，比較了具有雙語經驗的雙語者與 和無雙語經驗的單語者，他們的灰質密度和皮質厚度，結果顯示雙語者較單語者 在大腦的前扣帶迴(anterior cingulate cortex, AC)，前顳葉(anterior temporal lobe, aTL)，尾核(caudate nucleus)，小腦(cerebellum)，黑索氏迴(Heschl’s gyrus, HG)，

額下迴(inferior frontal gyrus, IFG)和頂下小葉(inferior parietal lobule, IPL)這些腦 區的灰質密度或皮質厚度較大，並將雙語經驗的諸多變數，例如語言習得年齡，

精熟程度，字彙量，語言切換能力，執行監控能力，程序性記憶提取處理等等，

與上述這些腦區的大腦皮質結構改變之間的關聯，依據腦區分別說明如下：

（1）左腦頂下小葉(LIPL)，包括鄰近區域緣上迴 SMG 和角迴(AG), 參與 語音工作記憶，語音儲存，語意整合，詞彙學習和語意整合的重要區域，

且這個區域大腦皮質的增生是特別與雙語習得和處理大量第二語言有關聯 的，越早學，灰質密度越大(Lee, Devlin, Shakeshaft, Stewart, Brennan,

Glensman, Pitcher, Crinion, Mechelli, Frackowiak, Green, & Price, 2007; Xiang, Dediu, Roberts, van Oort, Norris, & Hagoort ,2012) 。

(2)角迴可能特別參與在事件表徵(event representation)和情結記憶的提取 (episodic memory retrieval)，是語言處理作業中重要的腦區。

(3)左腦額下迴是大腦處理語言的核心區域，包括詞彙提取(Lexical retrieval)，

口說發聲準備(articulatory planning)，和形態句法的交互處理

(morpho-syntactic processing)等。額下迴(Brodmann’s Area or BA47) 和頂葉

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(parietal lobe) 連結活化與快速學習字彙的成績有顯著的相關(Xiang, Dediu, Roberts, van Oort, Norris, & Hagoort ,2012)。此外，左腦前顳葉和頂下迴（ITG）

和頂中迴(MTG)一起，共同掌管許多關於詞義表徵和處理等方面的作業，

因此與看圖唸名的作業表現相關，L2 看圖唸名的作業的成績表現和體積大 小成正向關聯。

(4)黑索氏迴(Heschl’s gyrus)位於大腦主要聽覺皮質區(primary auditory cortex)，職司字音對應的處理，左腦的黑索氏迴的體積大小與語言學習成 效成正比。

(5)小腦是程序性記憶(procedural memory)系統的一部分，參與語義處理和文 法處理的作業，小腦(cerebellum, CB)的皮質厚度則和程序性的記憶成正向 關聯。

(6)前扣帶迴(anterior cingulate cortex)的體積與衝突監控(conflict monitoring) 的作業表現成正向關聯，符合雙語認知優勢假說(cognitive advantage hypothesis)。

(7)尾核是基底核 BG(Basal Ganglia)的一部分，尾核在序列性學習(sequence learning)，程序性記憶(procedural memory)，語音學習和偵測語音異常的作 業上扮演重要角色。在雙語者與單語者的比較上，尾核(caudate nucleus)的 體積大小與語言切換(language switching)的作業表現呈正向關聯。

綜合以上的實證研究資料，Li 等人(2014)描繪上述與雙語經驗有關聯的大 腦的關鍵大腦皮質興趣區(region of interest, ROI)的情況如圖 4 所示。值得注意的 是，受限於 ROI 資料擷取比較的分析方法，呈現相對的差異(雙語者大於單語者)，

而這些差異是大腦神經迴路的整體運作，不單單只是所呈現單一或個別大腦皮質 的體積的改變與功能性的連結而已。

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〈圖 4〉比較雙語者和單語者之間大腦的皮質興趣區 (region of interest, ROI)增大 和改變的差異與雙語經驗的關聯 (修訂自 Li et al., 2014)

三、成年人的雙語學習 (adults for L2 learning)

因為全球化的影響，成年人學習第二語言已經是一種常態的現象。雖然晚 期雙語者相對於早期雙語者，在第二語言腔調及發音等方面要達到類母語 (native-like)人士的水準會比較困難(Flege, 1995; Flege, Yeni-Komshian, & Liu, 1999; Flege, MacKay, & Meador, 1999; Piske, Mackay, & Flege 2001) 但是，第二語 言的聽說讀寫的精熟程度不完全決定於習得的年齡，練習的程度及訓練的方式及 時間長短也會影響學習的成效。

由於大腦具有可塑性，即使過了所謂關鍵期(critical perios)或敏感期

(sensitive phase)的成年人，學習第二語言也會誘發大腦神經功能性活化和結構上 的改變。例如，Schlegel 等人(2012)以擴散張量影像(diffusion tensor imaging, DTI) 掃瞄追蹤研究大學生進行密集的中文學習課程的學習誘發的大腦神經結構的改 變，控制組為相當年齡及教育程度的受試者在該段實驗進行期間則沒有學習中文。

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腦造影的資料顯示實驗組的大學生，的白質(white matter)神經束的連結較緊密完 整。同時，中文學習者的白質連結完整性和他們的學習成效成正比，表示神經連 結愈緊密，學習行為表現愈好(Schlegel, Rudelson, & Tse, 2012)。研究者更進一步 探究白質連結的腦區，發現學習中文者有 5 位他們的白質的增強連結都連結到尾 狀核(caudate nucleus, CN)，反映在語言處理中需要認知控制功能涉入。Zou 等人 (2012) 比較雙語者和單語者的腦造影資料，尾狀核體積大小與語言切換作業有 正相關的證據(Zou, Ding, Abutablebi, Shu, & Peng, 2012)相吻合，故推論成年人學 習雙語具有語言切換的認知控制的優勢。

另外在專業與非專業訓練的比較研究上，Martensson 等人(2012)研究軍事學 院招募的訓練的專業口譯學生，經過 3 個月的訓練字彙和成語的密集訓練

另外在專業與非專業訓練的比較研究上，Martensson 等人(2012)研究軍事學 院招募的訓練的專業口譯學生，經過 3 個月的訓練字彙和成語的密集訓練