Neural mechanisms of foreign language phoneme acquisition in early adulthood : MEG study

Tämän tutkimuksen tavoitteena on selvittää omaan äidinkieleen kuulumattomien foneemikontrastien oppimisen mekanismeja nuorilla aikuisilla neurofysiologisten ja behavioraalisten menetelmien avulla. Perinteisesti kielen foneettisen avaruuden omaksumisen on ajateltu tapahtuvan ensisijaisesti varhaislapsuuden kielellisten herkkyyskausien aikana, jonka jälkeen uusien foneemien oppiminen on haastavaa. Myöhemmät tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että vieraiden foneemien omaksuminen on mahdollista myös aikuisiällä. Uusien foneemikategorioiden muodostuminen vaatii aivoissa solutason plastisia muutoksia. Aivojen kykyä erotella läheisesti toisiaan muistuttavia foneemikategorioita kielenprosessoinnin varhaisella tasolla on tutkittu neurofysiologisin menetelmin esimerkiksi tapahtumasidonnaisen poikkeavuusnegatiivisuusvasteen (eng. mismatch negativity, MMN) avulla. MMN-vaste, tai sen magneettinen vastine MMNm, syntyy seurauksena muutoksiin sensorisessa havaintoympäristössä. Tutkimuksissa lyhyenkin auditiivisen harjoittelujakson on havaittu vahvistavan aivojen kykyä erotella läheisesti toisiaan muistuttavia vieraita foneemeja ja voimistavan MMN- ja MMNm-vasteita. Tässä tutkimuksessa vieraan kielen foneettisen oppimisen neuraalista perustaa ja oppimisen aiheuttamia plastisia muutoksia aivoissa tutkittiin magnetoenkefalografialla (MEG) neuromagneettisten tapahtumasidonnaisten vasteiden (erityisesti MMNm) avulla. Tutkimuksessa mitattiin 20 suomalaista koehenkilöä, joiden tehtävänä oli oppia erottelemaan akustisesti toisiaan läheisesti muistuttavia venäjän kielen frikatiiveja Ш /ʂ/ ja Щ /ɕ(ː)/. Erottelukykyä mitattiin ensin behavioraalisella tehtävällä, jossa koehenkilöille toistettiin nauhoitettuja venäjänkielisiä epäsanaminimipareja, jossa sanan ensimmäistä foneemia varioitiin. Koehenkilöiden tehtävänä oli vastata, kuulivatko he sanoissa eroa. Samoja kuuloärsykkeitä toistettiin koehenkilöille sen jälkeen passiivisessa MEG-tehtävässä, jossa testattiin aivojen kykyä havaita ero ärsykkeissä ilman, että niihin kiinnitetään huomiota (koehenkilöt katselivat samalla äänetöntä elokuvaa). Mittauksen jälkeen koehenkilöt harjoittelivat foneemien erottelua kotona noin viikon ajan tietokoneavusteisen oppimispelin avulla, jonka jälkeen heidät mitattiin uudelleen. MEG-signaalien lähdemallinnusta varten koehenkilöiden aivoista otettiin myös rakenteelliset magneettikuvat. Tutkittavien foneemien behavioraalinen erottelukyky oli selvästi tuttuja kontrollifoneemeita heikompaa. Erottelukyky vaikutti paranevan harjoittelun seurauksena hieman, mutta ero ei ollut tilastollisesti merkitsevä. Hypoteesien vastaisesti tilastollisesti merkitseviä MMNm-vasteita ei löydetty ennen eikä jälkeen harjoittelun, eikä muissakaan auditorisissa MEG-vasteissa tai niiden neuraalisten lähdevirtojen voimakkuuksissa tai jakaumassa ollut tilastollisesti merkitsevää eroa mittauskertojen välillä. Yksilölliset erot oppimisessa olivat kuitenkin suuria. Koehenkilöillä, joilla behavioraalinen erottelukyky parani harjoittelun myötä, oli silmämääräisesti havaittavissa hypoteesien mukaista vahvistumista auditorisissa vasteissa. Vaikka efekti oli erittäin pieni eikä tilastollisesti merkitsevä, vastaavaa ei havaittu epäoppijoilla eikä kontrollitilanteessa. Tässä tutkimuksessa ei kyetty replikoimaan aiempien tutkimusten tuloksia foneemien omaksumisesta aikuisiällä. Vaikka on todennäköistä, että tietyt metodologiset heikkoudet (mm. vähäinen ärsykkeiden määrä MEG-tehtävässä, haastavat ärsykkeet) vaikuttivat tulosten merkitsevyyteen, voidaan tämän tutkimuksen valossa aiempien tutkimustulosten yleistettävyyttä kyseenalaistaa.The aim of this study is to examine the learning mechanisms and acquisition of non-native phoneme contrasts in young adults using neurophysiological and behavioral methods. According to the traditional view, acquiring novel phonemes after the sensitive periods in the early childhood is very difficult. However, later findings have shown that foreign phoneme contrasts can be learned at a later age, too. Acquiring new phonemic categories requires neuroplastic changes in the brain. Neurophysiological studies have examined the brain’s ability to differentiate between closely related phonemic categories at the early stage of spoken language processing by measuring, for example, event-related mismatch negativity responses (MMN). MMN, or its magnetic equivalent MMNm, is elicited when the brain registers a difference in a repetitive sensory stimulus. Studies have shown that even a moderate amount of auditory training with closely related foreign phonemes improves the brain’s ability to discriminate between them resulting in enhanced MMN or MMNm responses. In this experiment the neural mechanisms of foreign language phoneme acquisition and the learning-related neuroplastic changes were studied using magnetoencephalography (MEG) and neuromagnetic evoked responses (MMNm in particular). 20 Finnish subjects were measured in the experiment. Their task was to learn to differentiate between acoustically closely related Russian fricatives Ш /ʂ/ and Щ /ɕ(ː)/. The subjects’ differentiation skills were first tested in a behavioral task where Russian pseudoword minimal pairs were presented to them auditorily. The first phoneme in the word pairs was varied and the subjects had to report whether they heard a difference between the words or not. The same stimuli were then presented in a passive MEG task where the brain’s change detection responses were tested in an unattended situation as the subjects were watching a silent film. After the measurement the subjects practiced the phonemes at home for approximately one week by playing a learning game by computer. After training they were measured again. Structural magnetic resonance images of the subjects’ brain were also measured for MEG source localization purposes. Behavioral discrimination ability of the experimental phonemes was considerably worse than with familiar control phonemes. The discrimination skills seemed to improve by training, but the difference was not statistically significant. Contrary to the hypotheses, statistically significant MMNm responses were not found before or after training. No significant differences were found in other auditory MEG responses or their neural source current distributions between the measurements either. However, individual differences in learning were sizeable. For the subjects who improved their performance in the behavioral task a modest training-related boost in the auditory responses supporting the hypotheses could be observed. Although very small and statistically insignificant, the effect was opposite for control stimuli and did not exist in the non-learner group suggesting some sort of change in neural processing in the learner group. This study was not able to replicate the findings from various previous studies on phoneme acquisition in adulthood. Although it is likely that certain methodological limitations (e.g. small number of stimulus repetitions, challenging stimuli) affected the significance of the results, based on this study the generalizability of some of the previous findings can be called into question