全球首个纵向多模态研究揭示：学习了第二语言后这些大脑结构发生改变

关于学习第二语言（L2）与神经可塑性和大脑结构变化个体差异的研究是比较少的，而且主要采用横向研究的方法（Li, Legault, & Litcofsky, 2014; Lövdén, Wenger, Mårtensson, Lindenberger, & Bäckman, 2013; Rodríguez-Fornells, Cunillera, Mestres-Missé, & de Diego-Balaguer, 2009）。目前为止，还没有一项研究使用纵向多模态方法来研究双语词汇处理、神经结构和跨L2学习阶段的大脑功能连接之间的神经发育关系。近期，一项研究弥补了这一空白。

本文研究目的是系统地研究学习者习得L2时的年龄（AOA）、语言效率和认知控制的个体差异如何与依赖L2经验的皮质厚度（CT）和灰质体积（GMV）变化相关。基于先前的L2学习大脑功连接研究（Grant,Fang＆Li，2015），探讨L2学习经验与大脑纵向结构和功能连接变化之间的关系，了解多模式的神经可塑性。 

被试在学习四个月L2西班牙语后，通过语言决策（LD）任务，使用sMRI和Freesurfer测量和分析皮质厚度（CT）和灰质体积（GMV）的变化。结果发现，被试学习L2后，大脑功能连接的区域皮质厚度（CT）增加，特别是前扣带皮层（ACC）和颞中回（MTG）厚度增加了。此外，CT和GMV的变化随着L2的学习经验的个体差异而变化。

图源：anxietycentre.com

L1和L2词汇加工的神经基质

在学习L2初期，词汇占了大部分学习内容，学习者将L2词汇映射到预先存在的心理概念（mental concept）上，这些概念与L1中的单词相关联。Grant等人（2015）使用功能连通性分析(functional connectivity analyses)成年人有两套不同的L1和L2词汇处理系统：

• BIA-D模型( the develop-mental variant of the Bilingual Interaction Activation model)：在学习的早期阶段，L2语义处理将首先通过L1进行处理，而不是直接连接到共享的语义存储，但学习的后期L2语义处理会抑制与L1连接，以便于直接连接到语义存储。
• CH假设模型(Convergence Hypothesis)：L2学习者在学习前期抑制与L1词汇共享，间接连接到语义存储，后期转向更多地依赖语义处理区域。

Fig.1 根据双语交互激活发展（BIA-D）模型（Grainger,Midgley＆Holcomb，2010）与聚合假设（CH）模型（Green，2003；Green、Crinion＆Price，2006）,对早期和晚期L2学习的预测进行广义描述。BIA-D模型预测只有晚期或高度专业的学习者才会使用抑制/认知控制，而CH模型预测早期学习者将使用抑制/认知控制，这将随着L2熟练程度的提高而降低。

Fig.2描述当前研究中包含的区域（ROI）。我们的ROI包括前扣带皮层（ACC），尾状核（CN）下额回（IFG），中额回（MFG）和中颞回（MTG）。

个体差异与神经可塑性的关系

个体差异主要和L2经验和神经可塑性有关（Hernandez&Li，2007；Hernandez，2013），目前研究主要考虑以下几个因素：

1. 学习者习得L2时的年龄（AOA）；
2. L2熟练程度；
3. 一语熟练程度；
4. 认知控制能力，如抑制、控制和工作记忆能力。

L2个体差异使大脑功能连接网络也不同。比如，听力辨别准确度高的学习者在学习的早期显示出更大的大脑功能连通性（Sheppard,Wang＆Wong，2012）。使用扩散张量成像（DTI）进行的结构连接性研究表明，连接语言区域（如IFG和颞上回（STG））的WM微结构往往随着L2经验增加或与AOA有关（Hofstetter,Friedmann＆Assaf，2017；Mamiya,Richards,Coe,Eichler＆Kuhl，2016；Luo et al.，2019；NiChols&Joanisse，2016）。并且与词汇学习效率相关，甚至在一小时的二语语言培训过程中发生（Hofstetter et al.，2017）也会改变WM的结构。

结  果

1. CT、GMV与LD任务的同形异义词试验（e.g.“pie”在西班牙语中是“脚”的意思，在英语中是“馅饼”的意思）没有显著相关性。

2. L2西班牙语课堂组的被试右侧MTG、左侧ACC表现出更多的CT；而对照组被试在两次扫描之间没有学习任何语言，随着时间的推移，CT没有明显的增加或减少。

3. L2学习效率较高的被试随着时间的推移，CT增加；在义判断（SSJ） 任务中表现出高准确性的被试，在学习西班牙语L2后，左侧IFG三角部分的GMV增加（Fig.4）；学习L2较早的被试，其右侧三角部的GMV显著增加。（Fog.5）

4. 在语言决策（LD）任务中，能够更好地区分英语和西班牙语单词的被试，右MTG的CT值更高。下图为CT变化与LD准确度之间的相关性，LD越高，CT的值越高。（Fig.6）

5. 认知能力的测试（flanke r task＆lns task）与CT或GMV随时间的变化显著相关。

6. 为了检验SMRI与先前研究（Grant et al.，2015）功能连接结果之间的关系，对左ACC和右MTG的增加百分比以及这些区域之间的β权重进行了回归分析。左ACC CT在L2学习期间的增加百分比与ACC和MTG之间的同期连接β加权正相关。右MTG的增加百分比与这两个结构之间的功能连通性β权重没有明显的相关性。

讨  论

学习L2促进与语义和认知控制相关的大脑区域的结构、功能变化。只有在L1和L2任务中高精确度的被试，CT和GMV才会增加。IFG对L2学习效率及AOA敏感。这表明词汇的学习加工与大脑结构变化和语义网络相关区域的功能连接有关。

正如BIA-D（Grainger et al.，2010）模型预测，在二语语言学习的后期，语义处理将抑制对L1-L2词形连接，以便促进L2语言词形与语义的直接连接。对L2学习小组的功能数据的分析发现，L2西班牙语成年学习者在学习的早期阶段依赖语言和认知控制网络，在学习的后期更多地依赖语义处理，这里提出的结构分析为CH模型提供了支持。

总  结

研究表明，二语学习相关可能会导致右MTG和左ACC的CT增加，这两个大脑关键区域涉及词汇语义和认知控制。此外，sMRI发现，以前的fMRI研究强调了L2经验与IFG、MTG和GMV变化的关系。ACC中的CT会随着L2经验增加而增加。 总之，这些结论为L2词汇发展依赖于认知控制和语义网络的协作这一观点提供了有力支持。

参考资料：

Legault, Jennifer, et al. "A longitudinal investigation of structural brain changes during second language learning." Brain and language 197 (2019): 104661.

作者信息

 

编译作者：天娇（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）

前 文 阅 读

 

---