ヒトのみが持つ言語という高次な認知機能を獲得するためには，文法構造，特に階層的構造の理解と学習，そして語彙や音韻獲得にも必要な統計的学習の能力が必須となる。本研究ではこれら２つの言語獲得に関与する学習能力の脳内機構を，乳幼児計測に適している機能的近赤外分光法(fNIRS)を用いて明らかにすることを目的とする。このために本研究は，新生児と6－7ヶ月児が（１）実験１：音の階層構造の学習と規則適用，（２）実験２：音韻の統計学習と適用をしている際の脳活動を計測し，その脳内機構を検討する。
3年計画の本研究では，2020年度の１年目にこれら２つの実験の音声刺激を作成し，実験計画を立案し成人を対象に予備実験を実施し実験計画を確立した。2年目の2021年度には，6－7ヶ月児，約40名を対象としたfNIRS実験を行った。
ヒトは，主語（A）がくればその後に何〔X〕が挿入されていても動詞（B）が来る階層性(AXB)を理解する。実験１はこのような階層性をピッチ形状の異なる音声（トーン）単位で表現した刺激を5分呈示することで規則学習を行い，その後に規則刺激と規則逸脱刺激に対する脳反応を計測することで，規則学習と処理に関わる脳内機構を明らかにした。実験の結果，規則刺激と逸脱刺激では全く異なる脳反応が左半球を中心とする前頭部と側頭，頭頂部でみられた。具体的には学習をした規則刺激に対しては馴化反応が起こり，刺激呈示に伴い脳活動の変化はなかった一方で，逸脱刺激に対しては逸脱の検出と考えられる強い脳活動がみられた。それらの脳活動は左の縁上回，聴覚野近傍で強く，一部左下前頭部（ブローカ野）でもみられた。これらは6－7ヶ月児でも5分ほどの学習で規則学習が成立し，規則の逸脱の判断が可能であったことを示す。かつ，その脳内機構は先行研究で報告された成人とほぼ類似したパタンであることが示された。
Language is a higher cognitive ability unique to human. In order to acquire such language competence, one needs an ability to learn hierarchy structure of a grammar and statistical distribution to extract phonological and semantic information. The present study aims to uncover cerebral basis of these two types of learning system in infants by applying infant-friendly measurement instrument, functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS). To this end, we planned to carry out two fNIRS experiments; 1) Experiment 1 on learning mechanism of hierarchy structures (AXB, CXD non-adjacent dependency grammar) and 2) Experiment 2 on statistical learning of phonemes. The study measures hemodynamic activation and functional connectivity among different brain regions in neonates and 6–7-month-old infants.
This year was the second year in a three year-long project. Last year, we synthesized sound stimulus and designed a protocol for two experiments. As we successfully completed our pilot experiments for adults, we performed Experiment 1 for about 40 infants at the age of 6–7-months-old.
Our results showed infants' successful learning of the grammatical rule consisted of different types of tones such as AXB and CXD by only 5 minutes exposure of stimuli. Specifically, they showed stronger brain response to the incorrect stimulus in contrast to weak response to the correct rule. Statistically significant responses were found in supra marginal gyrus, superior temporal gyrus and inferior frontal gyrus on the left side. As these responses were comparable to those in adults, human infants were suggested to have matured language network to learn complicated grammatical rule such as non-adjacent dependency.