Language learning in infancy

Abstract

Although immensely complex, speech is also a very efficient means of communication between humans. Understanding how we acquire the skills necessary for perceiving and producing speech remains an intriguing goal for research. However, while learning is likely to begin as soon as we start hearing speech, the tools for studying the language acquisition strategies in the earliest stages of development remain scarce. One prospective strategy is statistical learning. In order to investigate its role in language development, we designed a new research method. The method was tested in adults using magnetoencephalography (MEG) as a measure of cortical activity. Neonatal brain activity was measured with electroencephalography (EEG). Additionally, we developed a method for assessing the integration of seen and heard syllables in the developing brain as well as a method for assessing the role of visual speech when learning phoneme categories.

The MEG study showed that adults learn statistical properties of speech during passive listening of syllables. The amplitude of the N400m component of the event-related magnetic fields (ERFs) reflected the location of syllables within pseudowords. The amplitude was also enhanced for syllables in a statistically unexpected position. The results suggest a role for the N400m component in statistical learning studies in adults. Using the same research design with sleeping newborn infants, the auditory event-related potentials (ERPs) measured with EEG reflected the location of syllables within pseudowords. The results were successfully replicated in another group of infants. The results show that even newborn infants have a powerful mechanism for automatic extraction of statistical characteristics from speech.

We also found that 5-month-old infants integrate some auditory and visual syllables into a fused percept, whereas other syllable combinations are not fully integrated. Auditory syllables were paired with visual syllables possessing a different phonetic identity, and the ERPs for these artificial syllable combinations were compared with the ERPs for normal syllables. For congruent auditory-visual syllable combinations, the ERPs did not differ from those for normal syllables. However, for incongruent auditory-visual syllable combinations, we observed a mismatch response in the ERPs. The results show an early ability to perceive speech cross-modally.

Finally, we exposed two groups of 6-month-old infants to artificially created auditory syllables located between two stereotypical English syllables in the formant space. The auditory syllables followed, equally for both groups, a unimodal statistical distribution, suggestive of a single phoneme category. The visual syllables combined with the auditory syllables, however, were different for the two groups, one group receiving visual stimuli suggestive of two separate phoneme categories, the other receiving visual stimuli suggestive of only one phoneme category. After a short exposure, we observed different learning outcomes for the two groups of infants. The results thus show that visual speech can influence learning of phoneme categories.

Altogether, the results demonstrate that complex language learning skills exist from birth. They also suggest a role for the visual component of speech in the learning of phoneme categories.

Puhe on monimuotoinen signaali, joka välittää ihmistenvälistä kommunikaatiota erityisen tehokkaasti. On osin vielä hämärän peitossa, miten opimme puhumaan ja havaitsemaan puhetta syntymän jälkeen. Oppiminen alkanee heti, kun alamme kuulla puhetta. Puheen sisältämät lukuisat tilastolliset säännönmukaisuudet saattavat auttaa oppimista. Niiden hyödyntämistä kutsutaan tilastolliseksi oppimiseksi. Tilastollista oppimista ajatellaan kielenoppimisessa voitavan käyttää jatkuvan puheen jakamiseksi erillisiksi sanoiksi.

Tässä tutkimuksessa kehitettiin uusi aivomittauksiin perustuva tutkimusmenetelmä tilastollisen kielenoppimisen mittaamiseksi. Menetelmää testattiin aikuisilla mittaamalla aivokuoriaktivaatiota magnetoenkefalografiaa käyttäen. Tulokset osoittivat, että aikuiset oppivat tilastollisia ominaisuuksia tavuvirrasta silloinkin, kun he eivät kiinnitä siihen tietoisesti huomiota. Tilastollista oppimista pystyttiin mittaamaan aivojen magneettisissa herätevasteissa näkyvän N400m-vasteen yhteydessä.

Samaa koeasetelmaa käytettiin mittamaan tilastollisen kielenoppimisen kykyjä vastasyntyneiltä käyttäen elektroenkefalografiaa aivotoiminnan mittarina. Tulokset osoittivat, että vastasyntyneet oppivat tilastollisia riippuvuuksia tavujen välillä unen aikana kuulemastaan tavuvirrasta. Tutkimustulos toistui myös toisella ryhmällä vastasyntyneitä. Jo vastasyntyneillä on siis hyvä puheen tilastollisten ominaisuuksien oppimiskyky.

Tehokkaassa puheenhavaitsemisessa olennaisena pidetään kykyä yhdistää eli integroida kuultu puhe ja nähty artikulaatio yhdeksi havainnoksi. Ajatellaan, että aikuisilla aivot käsittelevät integroidun puheen tehokkaammin kuin erilliset kuulo- ja näköhavainnot. Kehitimme koeasetelman kuullun ja nähdyn puheen integroinnin mittaamiseksi viiden kuukauden ikäisillä vauvoilla. Tulokset osoittivat, että tässä kehitysvaiheessa vauvat muodostavat yhdistyneen havainnon tietyistä kuulluista ja nähdyistä tavuista, kun taas toisia tavuyhdistelmiä ei integroida. Koska integrointi ei onnistu tilanteessa, jossa muodostuva havainto ei ole äidinkielen sääntöjen mukainen, tulokset myös viittaavat siihen, että viiden kuukauden iässä vauvat ovat jo omaksuneet tietoa äidinkielen tyypillisistä rakenteista.

Lopuksi arvioitiin myös sitä, millainen rooli nähdyllä puheella saattaisi olla kielenoppimisessa. Kaksi ryhmää kuuden kuukauden ikäisiä vauvoja osallistui kokeeseen. Vauvoille näytettiin ruudulta puhetta, jossa videoon tavallisesta artikulaatiosta oli liitetty keinotekoisesti muokattuja tavuääniä. Osalle vauvoista nähty puhe sisälsi vihjeen kahdesta erilaisesta tavuryhmästä, kun taas toiselle ryhmälle nähty puhe pysyi koko ajan samanlaisena. Kuultu puhe oli kaikille vauvoille täysin samanlaista. Lyhyen katselu- ja kuunteluajan jälkeen vauvojen havaintoa kyseisistä tavuäänistä testattiin. Eri ryhmillä havaittiin erilaiset oppimistulokset, joka viittaa siihen, että nähdyillä artikulaatioilla oli vaikutusta oppimiseen. Nähty puhe siis voi vaikuttaa puheäänten oppimiseen tässä kehitysvaiheessa.

Kokonaisuudessaan tässä väitöskirjassa esitetyt tulokset korostavat varhaisimpien vaiheiden merkitystä kielenoppimisessa. Pystymme oppimaan puheen ominaisuuksia monipuolisesti heti syntymästä lähtien. Tulokset myös viittaavat siihen, että nähdyllä puheella saattaa olla tärkeä rooli puheäänien oppimisessa ensimmäisen vuoden aikana.