语言与脑的进化 精选

语言与脑的进化 精选

已有 10975 次阅读 2013-9-22 08:11 |个人分类:心理学杂谈|系统分类:论文交流

自然界的许多动物都能借助自己发出的声音进行信息沟通和交往,然而只有人类才具有真正的语言。语言是人类区别于其他动物的一个重要标志。借助和通过语言,人类可以进行交流,可以谈论过去和畅想未来。人类语言的独特性也表现在人脑的功能和结构上。1861年,法国医生布罗卡向当时的科学界公布了一个影响深远的发现:大脑左侧额下回盖部、三角区以及前脑岛的损伤会导致语言能力的严重丧失[1]。这个部位随后被称为“布罗卡区”(Broca’s area)。不久以后,另一位医生威尔尼克又报告了两例左侧颞上回损伤的患者,其口语理解能力严重受损,而口语产生能力则不受影响[2]。这个脑区后来被称为“威尔尼克区”(Wernicke’s area)。以后科学家们还发现,连接这两个脑区的弓形束在语言中也有重要作用。由弓形束连接的布罗卡区和威尔尼克区构成了人类的基本语言神经网络。

与人类相比,其他动物的大脑中并不存在与人类语言神经网络相对应的神经网络。那么,语言是怎样出现的?它是在灵长类动物交往行为的基础上逐渐进化的,还是通过人脑解剖结构的突然变化而自发产生的?语言与脑又如何相互作用,共同演化?由于脑不会形成化石,语言的起源以及语言在人脑进化中的作用问题很难找到考古学上的直接证据,因而被称为“最难的科学问题”之一。

关于语言的起源问题,许多人从自然选择的角度来探讨。一个最简单的假设是,人类的语言是从动物的发声行为进化而来的。动物的发声行为蕴含着丰富的含义和感情色彩,而不只是简单的无意义的声音。例如,猩猩会发出各种不同的声音,当危险降临或发现食物时,它们发出的声音是明显不同的。因此,动物的发声行为似乎是人类语言的雏形。但是,动物的发声器官与人类的语言器官有很大差别,刺激动物的左侧额下回(相当于人脑布罗卡区的位置)不会对其发声行为造成影响。这提示人类的语言可能与动物的发声行为无关。另一个影响较大的假设认为,人类的语言是从动物的体势动作演化而来的[3]。猩猩虽然没有类似人类的口头语言,却有着丰富的体势语。同时,人类的手势语与口语和书面语言一样,也具有丰富的语法结构和完善的交流功能。早期接触手势语的儿童能够像获得口语一样毫不费力的获得手势语。虽然猩猩的脑中没有专门控制发声行为的部位,但是对体势动作的控制却非常精确和完善。特别是猩猩大脑中的F5区与人脑的布罗卡区相似,都是控制体势动作的关键部位,刺激该部位会对其体势动作造成严重影响。近年来的研究还发现,镜像神经元不仅存在于猩猩的F5区,也存在于人脑的布罗卡区。这种神经元可能与动物和人类的模仿行为有直接关系。人感知其他人发出的语音时,也会激活与说出该动词有关的脑区。所有这些证据都提示,语言可能起源于动物的体势动作。但体势动作和有声语言的关系是什么?是从体势动作演化为有声语言,还是两者并存?有声语言如何成为人类语言的主要形态?这又是一个科学难题。目前研究者提供了几种解释。例如,有声语言实际上也是由肌肉和骨骼的相互协调来完成的,体势动作与有声语言之间不存在无法逾越的障碍。而且,通过声音传递信息能够解放双手以便从事诸如搬运和制造工具之类的工作。但这些解释还停留于猜想阶段,缺少有力证据的支持。因此,语言如何出现于人脑的问题仍有待解决。

研究语言进化的一种经验途径就是将现存的非人类灵长动物和人类的交往行为的神经生物学基础进行比较。前面说过,弓形束是连接颞叶与额叶的一条重要的神经纤维束,与语言功能有密切关系。研究者通过比较人类、猩猩和恒河猴的皮层连接发现,非人类灵长类动物没有或只有较小的弓形束-顳叶投射,而这种投射在人类大脑中是显著存在的。在人类,左半球的额叶皮层通过弓形束与顳中回和颞上回(威尔尼克区的腹侧和前端)有很强的连接,而猩猩和恒河猴没有这种联结。在恒河猴中,这个区域主要由纹外视觉皮层组成,而人脑的这个区域表征着词义。人脑的这种特异性可能与语言的进化有关[4]。研究者还发现,人脑的颞上沟前部具有一个“voice”区,它处理人的语音,而不是其他动物的声音或自然的声音。恒河猴和人类一样,也具有对本物种声音敏感的voice区,但其解剖位置和人类有重要区别。恒河猴的voice区位于颞上沟,正好在侧沟的下面。这再次说明,与人类语音加工有关的神经联结是动物祖先的voice区的变异。人类voice区的神经元对共振峰敏感,而语音的共振峰正可以区别人的语音的各种特性[5]。以上这些研究为我们提供了重要的启示,通过人脑与动物脑在功能和结构上的系统的比较研究,有可能找到语言起源的生物学基础。

从人类个体脑与语言的发育中寻找线索是研究语言起源的另一条可能的途径。遗憾的是,这种研究同样存在难以解决的困难。首先,语言能力在人类个体发育过程中出现的时间问题仍然存在争论。发展心理学的研究表明,儿童在2-5岁左右会经历一个语言发展的关键期或敏感期。在这个时期,不仅词汇量突然增加,而且语法能力突飞猛进。这种现象很难用建立条件反射的机械学习机制来解释。如果儿童在这个关键期内由于某种原因没有接触到语言刺激,那么其语言能力会严重退化,其结果甚至是不可逆的。在语言发展关键期后回到人类社会的所谓“狼孩”和“猪孩”失去了正常的语言能力,就是很好的例证。一个人的语言系统何时打开,何时关闭?这和脑的进化史有什么关系?为什么关键期后的儿童甚至成人还具备语言学习的能力?这些问题也远未得到解决。其次,个体脑发育与语言发展之间的对应关系仍然没有确立。一方面,脑发育的研究表明,婴幼儿大脑的不同部位有不同的发育进程,其中初级视觉和听觉皮层发育较早,而与语言关系密切的前额叶后部和颞叶部分在2-6岁左右发育迅速,前额叶的背侧则发育最晚。那么,脑发育的这种先后模式与语言能力的发展是什么关系?二者是简单的先后关系、同步关系还是复杂的相互促进?有研究发现,脑功能和脑结构之间并不是简单的对应关系。脑结构的迅速发育不能直接得出脑功能也提高的结论。因此,语言能力发展和脑结构进化(发育)之间的关系极为复杂。目前由于技术和被试群体的限制,采用无创性脑成像技术考察儿童的脑功能仍然有困难。而近年来出现的基于近红外光学成像的静息态功能连接技术则为此类研究提供了新的可能性。

研究语言与脑进化的关系的另一个视角,可能是考察不同进化阶段的脑区与语言能力的关系。从系统发生和个体发育上看,脑结构有一个不断进化的过程。例如,按照进化时间的早晚,大脑皮质可分为古皮质(梨状叶)、旧皮质(边缘系统)和新皮质(大脑皮层);小脑可以区分为古小脑(绒球小结叶),旧小脑(前、后叶的蚓部及后叶蚓部的后外侧部)和新小脑(小脑半球的大部分和部分蚓部);基底节包括旧纹状体(苍白球)和新纹状体(尾状核和壳核)。研究发现,语言功能主要与大脑皮层有关,并且涉及到大脑皮层的广泛部位。特别是,语言功能与脑前部和后部的功能整合密切相关。这些发现提示在人类进化的某一个阶段,逐渐成熟的人脑为语言的诞生准备了充分的条件。对这些脑结构的研究可能有利于揭示语言出现后它在人脑中的工作方式。在语言产出和理解中,左右脑的关系也是一个重要科学问题。过去认为,语言主要是左半球的功能,右半球是个“哑”半球,在语言中不起重要作用。而现在越来越多的研究表明,右半球在语言理解和产生中有重要作用。语言信息可能先在右半球进行加工,以后才到达左半球;左半球对词汇信息敏感,而右半球对句法信息敏感;左半球进行分析性加工,而右半球进行整体性加工。但在脑和语言的进化过程中,左右半球为什么会出现分工?两半球在语言加工中究竟有什么关系?这些问题也没有真正解决。此外,最近的一些研究表明,处于早期进化阶段的脑结构,如苍白球、尾核,以及壳核,可能与语言之间有着更为密切的关系。首先,这些脑结构的损伤必然会导致语言障碍,而大脑皮层的损伤却不一定。其次,这些脑结构并不与语言的某一个特定方面相关,而是涉及到语言加工的多个方面,它们对大脑皮层加工语言的脑区发挥着广泛而重要的调节和控制作用。因此,进化时间较早的脑结构可能为我们提供语言诞生之前和诞生过程中的一些信息。不过,如何利用这些脑区的特点来揭示脑与语言的关系问题,仍然有待解决。

关于语言障碍的神经基础及其康复机制的考察,也能够为语言与脑的进化的关系提供线索。脑的进化过程中可能会出现一些异常,某些进化过程中的缺陷可能会通过遗传保留下来,并以基因表达的形式对现代人类的语言能力产生影响。例如,KE家族的每一个成员都受到语言障碍的困扰,基因FOXP2的变异是造成这个家族语言缺陷的首因[6]。研究还发现,这个基因的异常与很多语言障碍有关,如口吃和阅读困难[7,8]。这两种障碍都是不分种族、地域和文化而普遍存在的。研究表明,基因FOXP2的表达使基底神经节的突触可塑性得到增强,并增加树突之间的连接[9],从而对语言加工和语言学习产生广泛而重要的影响。因此,基因FOXP2可能在语言形成和发展过程中发挥了重要作用。但是,确定语言障碍与基因的关系有很多困难,不仅需要从大量的基因库中寻找,而且还要与复杂的语言行为建立联系。因此,仍需继续进行大量的研究。

                                           

(本文已发表在《1万个科学难题》(2010年)中,参加本文讨论和写作的还有卢春明  丁国盛  刘丽)

 

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