人類大腦的起始學習

/ 美國匹茲堡大學博士后、卡耐基梅隆大學心理學系科研員

一個嬰兒呱呱墜地時如同一張白紙，然而在0～5歲的短短五年之內(nèi)，嬰幼兒的腦容量就已經(jīng)可以達到成年人大腦容量的92%。這段時期，對于人腦的認知發(fā)展來說，相當于“宇宙大爆炸” : 神經(jīng)元連接的突觸數(shù)量以每秒新增700個的速度在生長，同時為建立有效的連接而進行著瘋狂的修剪。那么，在短短幾年之內(nèi)，嬰幼兒大腦是如何掌握語言這個龐大、復雜又精細的符號系統(tǒng)的呢？

具體細化下來就是，嬰兒是如何區(qū)分哪些音節(jié)是母語里的？詞和詞之間的邊界在哪里？每個詞具體是什么含義，指向哪個概念？詞是如何組成短語的？詞語又是如何組成句子的？每個詞語和句子應該是怎樣的語氣？重音應該落在哪個詞上？嬰幼兒又是如何掌握語感和平仄的呢？這一系列有意思的問題，要從1996年Science上的一篇論文講起。美國威斯康辛麥迪遜大學心理系教授Jenny Saffran、羅切斯特大學大腦與認知科學系教授 Richard Aslin和Newport發(fā)現(xiàn)，嬰兒切分語言詞匯利用的是統(tǒng)計概率的原理。

彼時，心理學家剛剛掌握了一個讓“嬰兒回答問題”的實驗方法。以往，做嬰兒行為學實驗是很難的，因為孩子不會說話，他無法告訴你，他究竟是怎么學習的。1996年，心理學家剛剛掌握了一個讓“嬰兒回答問題”的實驗方法——“扭頭實驗法”。讓6～8月齡的寶寶坐在家長的膝蓋上，實驗員用玩具吸引著他，同時放著各種各樣的背景音。當寶寶聽到他感興趣或者他已經(jīng)學會的音節(jié)時，就會看向另一邊，此時另一邊的熊貓敲鼓玩具就會發(fā)光并敲鼓，給寶寶以鼓勵，告訴他做對了。

用這種方法，Saffran et al. 開始研究八個月大的嬰兒是怎么學習語言的。學習語言，第一步就是要對聲波進行切割（word segmentation）。比如一個母語是英語的小朋友，聽到媽媽說“pretty baby”這段音節(jié)時，她是如何區(qū)分pretty和baby是兩個詞呢？對此，Saffran et al.的假說是，嬰兒切分詞匯用的是條件概率。所謂條件概率是指，如果一個事件A已經(jīng)發(fā)生了，那么下一個事件B發(fā)生的概率是多少。用數(shù)學公式表示，則為P（B|A）。嬰兒在長期接觸語言的過程中，對事件發(fā)生順序的概率分布逐漸熟悉了。他會發(fā)現(xiàn)，“pre”這個音，和“tty”這個音同時出現(xiàn)的概率，遠遠高于“tty”和“ba”這個音同時出現(xiàn)的概率，也就是：P（tty|pre）>>P（ba|tty）。換句話說，“pre”和“tty”常常同時出現(xiàn)，而“tty”和“ba”很少同時出現(xiàn)。根據(jù)這種概率分布的不同，嬰兒就可以切分單詞。

為了驗證自己的假說，Saffran et al. 發(fā)明了幾種不同的人造語言（artificial languages）讓嬰兒聆聽。人造語言的單詞和單詞之間，沒有時間上的間隙，只是同一個單詞的兩個音先后一起出現(xiàn)的概率，比分布在單詞邊界上、隸屬于不同單詞的兩個音一起出現(xiàn)的概率大。而通過上面提到的扭頭實驗方法，科學家讓八個月大的嬰兒“回答”哪里是單詞的邊界。實驗的結(jié)果是驚人的。僅僅8月齡的嬰兒，就可以通過條件概率，在短時間內(nèi)毫不費力地切分出這個人造語言的所有詞匯。

這篇論文可以說顛覆了人類腦認知科學的很多領(lǐng)域。漸漸地人們發(fā)現(xiàn)，兒童學習語言的很多方面都運用著統(tǒng)計規(guī)律。比如，很多語音只在特定語言里存在，其他語言并不區(qū)分。比如，/r/和/l/在日語里是不做區(qū)分的同一音位，而雙唇清塞音/p/只在印地語里面是區(qū)分送氣與不送氣的。嬰兒剛出生時，能分辨出所有音節(jié)的區(qū)別，可以說他們生下來就是“世界公民”。但在嬰幼兒生長和認知的過程中，大腦會不斷演進，弱化對那些母語中不需要辨識的音節(jié)的認知。這同樣也依靠在母語聽說學習中，去運用統(tǒng)計學規(guī)律。

如圖所示，左邊是一個美國媽媽，右邊是一個日本媽媽。左下角是美國媽媽發(fā)音的分布，可以看見/r/和/l/有清晰顯示的兩個峰頂；右下角是日本媽媽的發(fā)音分布，/r/和/l/都擠在中間。日本的嬰兒在母語的學習過程中，通過這個統(tǒng)計規(guī)律就能知道，/r/和/l/的區(qū)分在日語中不重要，從而刺激大腦去除母語認知系統(tǒng)中這個音的分布。

此外，在語言學習過程中，嬰兒的大腦也會根據(jù)不同的統(tǒng)計學指標來做出判斷。他們可以憑借單一事件出現(xiàn)的頻率來學習（frequency）， 也可以靠兩個獨立事件同時出現(xiàn)的頻率 （occurrence frequency）來學習，乃至靠前后事件共同發(fā)生的條件概率(conditional probability)來學習。比如研究發(fā)現(xiàn)，學習漢語的小朋友要區(qū)別四個語調(diào)發(fā)聲（mā、má、mǎ、mà），四個語音的聲韻母相同，但音調(diào)和平仄不同，這也是嬰兒依靠對統(tǒng)計概率規(guī)律的指標運用來習得的。

除了學習語音之外，孩子們還可以用統(tǒng)計規(guī)律來理解每個詞的意思。當詞匯已經(jīng)被切分了，孩子們就把已經(jīng)切分好的詞匯，當作新的單元符號，來做更深的意思理解。比如，孩子能夠通過某個場景和某個單詞同時出現(xiàn)的概率來學習詞的意思。比如，指著香蕉對孩子說“香蕉”，此時香蕉這個東西和“香蕉”這個詞同時出現(xiàn)的概率是100% ；而在別的場景中，大人也可時而提到“香蕉”這個詞，但不出現(xiàn)香蕉，這樣其他東西和“香蕉”這個詞同時出現(xiàn)的概率不是100%，孩子的大腦神經(jīng)連接就會強化對那個有100%概率關(guān)聯(lián)的語義的認知。

利用統(tǒng)計概率來學習語言，甚至可延伸至語法結(jié)構(gòu)的層次。比如，實驗研究發(fā)現(xiàn)，在孩子學會了部分語句結(jié)構(gòu)后，當聽到“the apple and the jabberish” 這個短語時，雖然他不認識jabberish這個詞，但是會歸類為一個名詞。而當他聽到“I qacked you” 時，同理也會認為quacked是動詞。而實際上，這兩個都是人造語言中的詞匯。對于母語是英語的幼兒來說，即便沒有正式學過“名詞之間用連詞”，或者“動詞后面跟賓語”這類邏輯化的語法知識，他們也能依靠不斷從日常成人的語句中提取統(tǒng)計規(guī)律，從而學會這一造句模式。

所以人們常常說的“語感 ”，實際就是源于在反復獲取同一語言的大量樣本后，所總結(jié)出來的規(guī)律。 進一步來說，嬰幼兒在認知一些其他學科規(guī)律時，也脫離不開統(tǒng)計概率的運用。比如，小嬰兒起初并不知道物體是會往下落的。嬰幼兒常常扔東西，其實是測試這個東西是往哪個地方飛。

可以說，嬰幼兒在很大程度上是靠總結(jié)統(tǒng)計規(guī)律來學習的。事件A和事件B總在一起，所以事件A和事件B應該有所關(guān)聯(lián)——這種思維模式，是人類進化帶來的。而學校的傳統(tǒng)教育往往就抹殺了這種統(tǒng)計式的直覺，而是用代數(shù)式樣的邏輯符號系統(tǒng)來（algebraic symbolic system）來代替（statistical learning）。 從這個角度講，傳統(tǒng)的學校教育體系，在幼小階段很多時候反而是不符合人腦學習規(guī)律的。如何平衡這組矛盾，讓兒童的統(tǒng)計學習系統(tǒng)和邏輯符號系統(tǒng)這二者能互相制約、平衡發(fā)展，是一個教育神經(jīng)科學要著力解決的難題。