Пластичность при распознании речи

Основы родного языка устанавливаются в младенчестве и могут наблюдаться задолго до появления разговорной речи. Это говорит о том, что в головном мозге образуются карты или следы акустической памяти, являющиеся долговременными. Развивающийся мозг строит акустические карты звуков родного языка, это позволяет ребенку быстро реагировать на входящий язык и распознавать его. Поэтому важной задачей младенчества является создание и настройка карт акустической памяти для более эффективной обработки родного языка. Процесс автоматического реагирования на родной язык полностью зависит от текущей нейронной пластичности, а также от чувствительности к экологическим сигналам. Известно, что критическим периодом для оптимизации акустических карт человеческих языков, является первый год жизни. Однако на данный момент процессы пластичности у младенцев не до конца понятны, но исследования на животных показывают, что развивающаяся кора детенышей животных является сильно пластичной с опытом. Для младенцев выборочное представление фонематической структуры родного языка является основанной на пластичности (Kuhl Et al., 1992) и облегчает построение акустических карт.

Обучение является основой адаптивного и интеллектуального поведения и основывается на пластических изменениях в нервных узлах. Обучение имеет очень важное значение в младенческий период. Во время слухового обучения происходит формирование и укрепление нейронной долгосрочной памяти, совершенствование навыков дискриминации, а именно формирование предпосылок для восприятия и понимания речи. Во время эмбрионального развития мозг подвергается экстенсивному развитию, изменяется по мере формирования новых синапсов, при этом аксональные связи между нейронами миелинизированы, что в свою очередь облегчает распознавание и анализ сложной информации. Слуховая сенсорная система управляется внешним вводом, то есть происходит быстрая реорганизация слуховой коры по входящему внешнему стимулу сразу же после прослушивания. Эти пластические изменения в нервных узлах в раннем развитии показывают, что у людей есть способность к обучению еще до рождения. Но в этот период эта способность основывается на дискриминации низших звуков, проникающих через стенки матки. Такой низкий уровень информации способен сыграть важную роль в ранней дискриминации речи новорожденных. Предыдущие поведенческие исследования показывают, что таким образом плоды становятся настроенными на различные особенности слуховой окружающей среды, в которую в дальнейшем они должны попасть (родной язык матери, голос матери, знакомые мелодии). Также плоды по разному реагируют на родные и неродные гласные, знакомые или незнакомые мелодические контуры, различают разные гласные родного языка. Такая тонкая настройка слуховой обработки и дискриминации предполагает образование следов памяти в слуховой коре в результате обучения плода. Следовательно, следы слуховой памяти являются предпосылкой эффективного распознавания, категоризации и понимания речи. Если следы слуховой памяти формируются с помощью прохода звуков через матку, то после рождения это должно быть отражено изменениями электрической активности головного мозга, а именно, появлением и улучшением отклика несоответствия на звуковые изменения (MMRдетская аналогия ко взрослому MMN, представляет автоматическую систему обнаружения изменений мозга, вызвана каким-либо различием учебного материала и косвенно отражает нейронные представления усвоенных стандартных стимулов, например, таких как речь родного языка).

Eino Partanen, Teija Kujala, Risto Nддtдnen, Auli Liitola, Anke Sambeth and Minna Huotilainen исследовали пренатальное образование следов памяти, сравнивая нейронную динамику MMR новорожденных, которые были или не были подвергнуты эмбриональному обучению. Они использовали воздействие трехсложного псевдослова «татата» и двух нечасто представленных изменения: смена гласных «татота» в среднем слоге или изменения высоты тона «татата» с модификациями тона. В результате опыта были получены следующие результаты. Наблюдались более статистически значимые MMR при изменении гласной у младенцев, подвергшихся воздействию данных стимулов на стадии плода. Также реакция на изменения высоты звука была сильнее у младенцев, которые слышали эти изменения внутриутробно, нежели у тех младенцев контрольной группы, которые не подвергались воздействию. И были аналогично получены статистически значимые MMR к длительности и интенсивности гласных в экспериментальной, но не в контрольной группе.

Эти данные подтверждают развитие нейронной приверженности у плодов, которые систематически подвергались воздействию выбранной речи во время эмбрионального периода. Также данные отражают реальные эффекты обучения и развивающиеся в мозге плода следы слуховой памяти. Эти результаты указывают на то, что слуховой опыт во время эмбрионального периода может вызвать изменения в нервной обработке и поэтому имеет несколько важных последствий. Во-первых, это означает, что формирование центральной слуховой нервной системы начинается до рождения, а повторное воздействие определенных типов звуков влечет за собой развитие следов памяти на эти звуки. Следовательно, слуховая речь до рождения может иметь положительные последствия на дальнейшие способности человека воспринимать речь и в приобретении языка. Также нужно принять во внимание воздействие экологического фактора на восприятие речи. Мозг плода очень уязвим для вредных акустических эффектов. Шумная среда может нарушить нервные процессы, лежащие в основе восприятия речи, за счет уменьшения чувствительности нервной системы к речи, что далее повлечет за собой нарушения в восприятии речи и обучении.

Существует несколько теорий, объясняющих различные нейронные механизмы, которые способствуют образованию долговременных следов памяти в головном мозге плода. Первая теория заключается в том, что пренатальная стимуляция разрабатывает более эффективные нейронные сети для обработки изменений после рождения, что отражается как усиление нейронной активации MMR после рождения; и вторая теория пренатальная стимуляция может приучить к более эффективному обнаружению изменений после рождения, тем самым облегчая ее.

Есть много поведенческих данных, которые показывают, что новорожденные по-разному реагируют на звуки, которые отличаются от тех, что были представлены плоду. Работы Eino Partanen, Teija Kujala демонстрируют речевое эмбриональное обучение слуховыми раздражителями. Ранее обученные плоды продемонстрировали повышенную активность мозга (реакции несоответствия) в ответ на изменения вариантов тона после рождения. Также заметна существенная зависимость между количеством пренатального воздействия и активности головного мозга. Эффект обучения распространялся на другие типы сходных речевых звуков, которые не были включены в данный учебный материал.

April A., Benasich, Naseem A., Choudhury, Teresa Realpe-Bonilla, and Cynthia P. Roesler изучали пластичность в развивающемся мозге человека, появление карт акустической памяти. В своем исследовании они продемонстрировали, что активные и пассивные акустические неязыковые тренировки в критический период развития от 4 до 7 месяцев воздействуют на акустическую обработку. Ими было отмечено также, что активный опыт, привлекающий внимание, придает значительное преимущество, которое приносит изменения в морфологию, амплитуду и латентность мозговых волн, являющимися зачатками акустического картирования. Следовательно, внимание и бдительность даже в таком раннем возрасте могут дать преимущество. Младенцы с ранним акустическим опытом показали большую амплитуду MMR, что является маркером для представительства стимула в слуховой сенсорной памяти. Так как в данной работе исследователи использовали неязыковые акустические сигналы (опыт), они фокусировали внимание ребенка на лингвистическом. Можно предположить, что такие сигналы способны облегчить нейронную пластичность в ранний период развития. Для детей, подвергшихся опыту, были показаны более быстрые и более точные ответы к знакомым и к новым стимулам, по сравнению с детьми, не подвергшимся акустическому опыту (наивные). Таким образом, активная экспозиция в раннем младенчестве дает значительные преимущества в области акустической обработки. Такой опыт способствует нейронной пластичности, более эффективной акустической обработке в течение периода развития, когда происходит формирование акустических карт. Исследование нейронных механизмов, зависимых от опыта и лежащих в основе акустического картирования, дает возможность идентифицировать и охарактеризовать самые ранние биологические маркеры языковой обработки. А точное нахождение пластичности при акустическом картировании поможет найти новые методы для улучшения и профилактики языковых расстройств у младенцев.

Интерес у исследователей в обработке речи привлекают билингвы. Билингвизм, или двуязычие — это способность объясняться на двух языках. Двуязычные дети не отличаются возрастом, в котором они достигают критического развития языка (Pearson and Fernбndez, 1994; Petitto et al., 2001; Werker et al., 2009). Также они отображают зависимость от каждого языка, тогда как одноязычные показывают предпочтение только к родному языку (Byers-Heinlein et al., 2010), а раннее воздействие второго языка поддерживает, или активирует чувствительность к фонетическим контрастам (Conboy and Kuhl, 2011; Kul et al., 2003). Двуязычные дети также способны выучить две новых грамматических структуры сразу, в то же время их одноязычные сверстники не способны (Kovacs and Mehler, 2009). Отсюда предполагают, что дети, выросшие в двуязычной среде, могут иметь разные стратегии обработки устной речи, которая ведет к дискриминации языка.

Фонотактические правила и границы слов в разных языках различаются. Поэтому слушатель должен быстро адаптироваться к изменениям языка. Учитывая этот факт, проводились исследования двуязычных и одноязычных взрослых и детей. Данные (Kuipers and Thierry, 2010) показали, что двуязычные взрослые обнаруживают изменения в языке быстрее, чем их одноязычные сверстники. В этом исследовании участвовали уэльсско-английские двуязычные взрослые, у которых наблюдалось значительное увеличение амплитуд потенциалов связанных с событием приблизительно после 200 мс после стимула при неожиданной смене языка (слова валлийского языка иногда слышались в потоке английских слов), у одноязычных такого не наблюдалось. Это говорит о том, что двуязычные пересматривают входящие слова, когда они сталкиваются с изменением языка.

Предполагают, что такой механизм обнаружения изменений языка существует уже на ранних этапах жизни. Для того, чтобы понять так ли это, в исследовании принимают участие дети билингвы и одноязычные. Jan Rouke Kuipers, Guillaume Thierry (2012) двуязычные взрослые также показывали более быстрое обнаружение переключения языков, чем их одноязычные сверстники. Данные дали такие выводы: механизм обнаружения изменений языка у двуязычных отсутствует у одноязычных. Этот механизм работает в течение первых 300 мс после изменения языка. Механизмы обновления (поздняя переоценка), которые наблюдаются у двуязычных взрослых, видимо отсутствуют у двуязычных детей младшего возраста. Предполагают, что процесс осознанного мониторинга языка развивается позже, поэтому дети менее осведомлены о языке, на котором разговаривают, хоть автоматическая адаптация на изменение языка все — таки происходит.

В исследовании Jan Rouke Kuipers, Guillaume Thierry, 2011, было также сделано интересное наблюдение. У двуязычных взрослых в ответ на неожиданное появление уэльских слов среди английского языка (уэльский язык — девиантный стимул, английский язык — стандартный стимул) наблюдалась увеличенная амплитуда Р600, у двуязычных детей не наблюдалось. Р600 это компонент ПСС, который отвечает за то, что к обработке информации привлечено внимание. Таким образом, двуязычные дети сознательно не оценивали тот факт, что язык неожиданно поменялся. Хоть двуязычные дети способны быстро воспринимать переключение языка, чем взрослые двуязычные, после они меньше осознают изменения в языке. Следовательно, осознание изменения языка развивается позднее в более старшем возрасте. Даже не смотря на то, что двуязычные дети быстро адаптируются к изменению языкового фонологического ввода, они менее осведомлены о языке, на котором разговаривают, нежели двуязычные взрослые.