Мозг новорожденного может сразу обрабатывать сложные звуковые паттерны

Фото из открытых источников
Новое исследование, опубликованное в PLOS Biology, свидетельствует о том, что новорожденные обладают способностью изучать и обрабатывать звуковые модели, которые следуют сложным, языковым правилам. Исследователи обнаружили, что даже в первые дни жизни младенцы могут определять связи между несмежными звуками — важнейший строительный блок для освоения языка. Эта врожденная способность, ранее наблюдавшаяся только у более старших младенцев и нечеловекообразных приматов, подчеркивает замечательные слуховые и когнитивные возможности, присутствующие с рождения.
 
Человеческий язык имеет сложную структуру, с зависимостями между словами или звуками, которые часто охватывают несмежные элементы. Например, в предложении «Бегущий мальчик выигрывает гонку» подлежащее «мальчик» соединяется с глаголом «выигрывает», несмотря на промежуточные слова. Эта способность понимать такие связи имеет решающее значение для овладения языком. Хотя предыдущие исследования показали, что младенцы в возрасте пяти месяцев могут обнаруживать эти несмежные зависимости, было неясно, присутствует ли этот навык при рождении или развивается позже.
 
Исследователи стремились ответить на два ключевых вопроса: рождаются ли люди со способностью обнаруживать эти сложные закономерности? И какие области мозга поддерживают этот процесс у новорожденных? Изучая эти вопросы, исследование дает представление о нейроразвивающих основах языка и ранней роли слухового опыта.
 
«Моя цель — раскрыть биологические основы человеческой способности к языку. Грамматическая обработка — важнейший компонент языка, уникальный для людей, и мы стремились исследовать его истоки развития», — пояснил соавтор исследования профессор Ясуё Минагава из Университета Кэйо.
 
Ученые провели свое исследование с помощью двух экспериментов, используя неинвазивный метод визуализации, называемый функциональной ближней инфракрасной спектроскопией (fNIRS), чтобы изучить, как мозг младенцев обрабатывает сложные звуковые паттерны. В первом эксперименте участвовал 21 здоровый новорожденный в возрасте от одного до пяти дней. Новорожденные подвергались воздействию искусственных последовательностей из трех тонов, разработанных для имитации структурных правил человеческого языка. Эти последовательности следовали определенным шаблонам, где два «внешних» тона (например, A и B) были объединены со «средним» тоном (X), образуя структуру, основанную на правилах, например, «AXB».
 
Во время фазы обучения новорожденные прослушивали 60 из этих шаблонных последовательностей. После этого, во время фазы тестирования, им предъявляли как знакомые «правильные» последовательности, которые соответствовали изученным правилам, так и «неправильные» последовательности, которые нарушали правила. Исследователи использовали fNIRS для измерения изменений мозговой активности в ответ на эти последовательности, сосредоточившись на том, могли ли младенцы обнаруживать нарушения правил.
 
Во втором эксперименте исследователи изучали 19 младенцев в возрасте от шести до семи месяцев. Экспериментальная установка была схожей: младенцы подвергались воздействию последовательностей, основанных на правилах, во время фазы обучения, за которой следовала тестовая фаза, где они слышали как правильные, так и неправильные последовательности. Однако, чтобы учесть тенденцию более старших младенцев больше двигаться и становиться беспокойными во время более длительных экспериментов, исследователи измеряли активность мозга только во время тестовой фазы.
 
Новорожденные в первом эксперименте продемонстрировали способность обнаруживать нарушения правил, о чем свидетельствует повышенная активность мозга в их лобной коре — области, связанной с изучением правил и обнаружением ошибок. Примечательно, что их мозговые реакции были в основном ограничены этой областью, что предполагает, что новорожденные полагаются на лобную кору для обработки таких шаблонов, хотя их классические области обработки языка в височной и теменной долях еще не были активны.
 
«Наши результаты показывают, что мозг способен реагировать на сложные закономерности, подобные тем, что встречаются в языке, с первого дня», — пояснила соавтор Ютта Мюллер из Венского университета. «То, как области мозга соединяются в процессе обучения у новорожденных, предполагает, что ранний опыт обучения может иметь решающее значение для формирования сетей, которые впоследствии поддерживают обработку сложных акустических закономерностей».
 
Напротив, младенцы в возрасте от шести до семи месяцев показали более широкую сеть мозговой активности во время второго эксперимента. При предъявлении неправильных последовательностей эти более старшие младенцы демонстрировали активацию не только в лобной коре, но и в таких областях, как нижняя лобная извилина и верхняя височная извилина. Эти области являются частью языковой сети взрослого мозга, которая обрабатывает сложные лингвистические структуры. Эта более широкая активация предполагает, что к шести месяцам младенцы начинают задействовать области мозга, специализированные для языка, что отражает эволюцию в том, как их мозг обрабатывает структурированный слуховой вход.
 
«Новорожденные обладают способностью усваивать относительно сложные грамматические правила, и эта способность, по-видимому, опирается на врожденную мозговую сеть», — сказал Минагава. «Однако эта нейронная сеть претерпевает значительное развитие в течение первых шести месяцев жизни. Этот процесс в значительной степени зависит от количества и качества коммуникативных стимулов, таких как родительская речь».
 
В обоих экспериментах исследователи также наблюдали доказательства функциональной связанности, особенно у новорожденных, между лобной корой и задними областями мозга. Эта связанность, вероятно, служит ранней основой для более специализированных языковых сетей, которые развиваются позже в младенчестве. В совокупности результаты указывают на то, что способность обрабатывать несмежные зависимости в звуковых паттернах присутствует с рождения, причем новорожденные полагаются на лобную кору, а более широкие сети становятся активными по мере того, как младенцы приобретают слуховой опыт в течение первых шести месяцев. Этот сдвиг в развитии подчеркивает быстрые и динамичные изменения в мозге младенца, поскольку он становится все более настроенным на структурные сложности языка.
 
«Мы были удивлены, обнаружив, что хотя области мозга, реагирующие на правильные и неправильные грамматические правила, полностью различаются у новорожденных и шестимесячных младенцев, наш подробный анализ нейронных путей у новорожденных показал, что эти различные области связаны во время изучения грамматики», — сказал Минагава. «Это открытие проливает свет на то, как организована сеть мозга в процессе развития языка».