Faculté des sciences

Effects of early second language acquisition on the cortical language network in multilinguals : evidence from fMRI

Wattendorf, Elise ; Rager, Günter (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2006.

Research on language acquisition has shown that language development depends on language experience during early childhood. Early acquisition of one as opposed to two languages should therefore influence the development of language capabilities. Various psycholinguistic studies have provided support for this idea. The impact of early second language acquisition on the establishment of the... Plus

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    Zusammenfassung
    Auf dem Gebiet der Spracherwerbsforschung gilt es als erwiesen, dass frühe Spracherfahrung die Sprachentwicklung nachhaltig beeinflusst. Der frühe Erwerb einer oder zweier Sprachen müsste sich deshalb unterschiedlich auf die Ausbildung späterer Sprachkompetenzen auswirken. Einige psycholinguistische Untersuchungen konnten dies betätigen. Bis heute wurde jedoch der Einfluss früher Zweisprachigkeit auf die Ausbildung des kortikalen Sprachennetzwerkes wenig erforscht. Diesen Aspekt der Sprachentwicklung untersucht die vorliegende Arbeit mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI). Dazu wurden zwei Gruppen von Mehrsprachigen gebildet: die erste von „frühen Mehrsprachigen“, die eine Zweitsprache (L2) im Kleinkindalter (bis drei Jahren); die zweite von „späten Mehrsprachigen“, die eine Zweitsprache (L2) als Heranwachsende oder später (ab neun Jahren) gelernt haben. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten mit bildgebenden Verfahren beherrschten die in dieser Studie erfassten frühen und späten Mehrsprachigen eine weitere, als Heranwachsende oder später erworbene Drittsprache (L3). Die neuronale Hirnaktivität in den drei Sprachen (L1, L2 und L3) früher und später Mehrsprachiger wurde durch eine Sprachproduktionsaufgabe erfasst, somit auch für L3, wodurch der mögliche Einfluss früher Mehrsprachigkeit auf diese Drittsprache zum ersten Mal beurteilt werden konnte. Die sprachliche Aufgabe bestand darin, dass die Probanden in der jeweils getesteten Sprache über die Ereignisse des vergangenen Tages berichten mussten. Um den Einfluss nicht sprachspezifischer Einflüsse wie variable Aufmerksamkeit oder unterschiedlichen Bezug zum gerade Erlebten auf die gemessene Aktivierung zu verringern, wurde die Messung zweimal, und zwar an unterschiedlichen Tagen, durchgeführt. Die Durchschnittsaktivierungen von L1, L2 und L3 wurden für die Gruppen von frühen und späten Mehrsprachigen statistisch berechnet, wobei beide Messungen in die Auswertung einbezogen wurden. Der Vergleich der Hirnaktivität früh erworbener Sprachen zwischen beiden Gruppen früher und später Mehrsprachiger zeigte auffallende Unterschiede in der Nutzung des Sprachennetzwerkes. In der Tat gebrauchen die frühen Mehrsprachigen in ihren beiden früh gelernten Sprachen die Sprachregionen im Gehirn mehr als die späten Mehrsprachigen in ihrer Erstsprache. Höhere neuronale Aktivität wurde vor allem in Bereichen des linken Frontallappens, insbesondere im Broca Areal und dem daran angrenzenden präfrontalen Kortex beobachtet. Es ist bemerkenswert, dass sich früher Erwerb einer zweiten Sprache hier nicht nur auf die Funktion dieser Zweitsprache sondern auch auf diejenige der Erstsprache auswirkt. Die kortikale Region, welche offensichtlich durch die Auswirkung frühen Zweitsprachenerwerbs besonders in ihrer Funktion beeinflusst wurde – der präfrontale Kortex –, gilt als essentiell während der frühen prozeduralen Phase des Spracherwerbs. Dieser regionale Unterschied zwischen frühen und späten Mehrsprachigen weist darauf hin, dass in frühen Mehrsprachigen der Lösung von Interferenz zwischen den unterschiedlichen Sprachen eine grössere Bedeutung zukommt als in späten Mehrsprachigen. Tatsächlich weisen präfrontale Hirnregionen erhöhte neuronale Aktivität auf wenn zwischen konkurrierenden Bewegungsplänen entschieden werden muss; es ist wahrscheinlich, dass hier bei frühen Mehrsprachigen während des Spracherwerbvorgangs Interferenz zwischen den beiden damals gelernten Sprachen die Ausbildung des neuronalen Systems für den Sprechakt beeinflusst hat. Die vertiefte Auswertung der Studie gab einen weiteren Hinweis dafür, dass in frühen Mehrsprachigen kortikale Funktionen zur Interferenzlösung zwischen den beiden frühgelernten Sprachen abgestimmt sind. Diese Beobachtung ergibt sich aus dem Vergleich des sprachspezifischen Aktivierungsmusters beider Gruppen in perisylvischen Arealen der linken Hemisphäre, insbesondere im Broca-Areal und im supramarginalen Gyrus. Das neuronale Netzwerk, welches zwischen diesen Regionen ausgebildet ist, unterstützt unter anderem als „phonologischer loop“ sensorimotorische Integration phonologischer Information. In frühen Mehrsprachigen fällt die im Vergleich zu späten Mehrsprachigen überwiegend motorische Ausrichtung in der Aktivierung dieses Netzwerkes auf. Dies ist bekanntlich notwendig, wenn Interferenz zwischen sensorisch abgelegten phonologischen Sprachinformationen auftritt. Der Vergleich frühgelernter Sprachen zwischen frühen und späten Mehrsprachigen zeigte also, dass frühe Zweisprachigkeit die Funktion(en) des Sprachennetzwerkes dahingehend beeinflusst, dass eine Interferenz zwischen den Sprachen vermindert werden kann. Die Tatsache, dass die veränderte Hirnaktivität früher Mehrsprachiger im Erwachsenenalter nachweisbar ist, lässt darauf schliessen, dass sich der Einfluss früher Mehrsprachigkeit permanent auf die Funktion des sprachlichen Systems ausgewirkt hat. Der Vergleich der spätgelernten L3 zwischen den beiden Gruppen von Mehrsprachigen zeigte im Wesentlichen den gleichen Befund wie derjenige früh erworbener Sprachen: frühe Mehrsprachige greifen in ihrer Drittsprache vermehrt auf Hirnregionen zurück, welche Interferenzlösung unterstützen. Diese Studie konnte so zum ersten Mal einen Einfluss früher Mehrsprachigkeit auf die Funktion später erworbener Sprachen beschreiben. Ein Einfluss frühen Zweitsprachenerwerbs dahingehend, dass später gelernte Sprachen das bestehende Sprachnetzwerk besser nutzen können konnte, liess sich jedoch nicht feststellen. Tatsächlich wiesen in beiden Gruppen spät gelernte Sprachen ähnliche Unterschiede zu früh erworbenen Sprachen auf. Diese Studie zeigt, dass sich der Erwerb einer Zweitsprache zu einem frühen Zeitpunkt nicht allein auf die Funktion dieser einen Sprache auswirkt, sondern dass alle Sprachen, sogar erst später gelernte Sprachen beeinflusst werden. So konnte in dieser Arbeit die umfassende Bedeutung frühen Spracherwerbs für die Ausbildung des kortikalen Sprachnetzwerkes aufgezeigt werden.
    Summary
    Research on language acquisition has shown that language development depends on language experience during early childhood. Early acquisition of one as opposed to two languages should therefore influence the development of language capabilities. Various psycholinguistic studies have provided support for this idea. The impact of early second language acquisition on the establishment of the cortical network, however, remains elusive. In the present study we used functional magnetic resonance imaging (fMRI) to investigate this aspect. Language related brain activity was assessed in two groups of multilinguals with different ages of second language acquisition: “early multilinguals” had acquired a second language (L2) in early childhood (before the age of three years); “late multilinguals” learned a second language (L2) in early adolescence or later (after the age of nine years). Of particular interest was the previously unexplained question of whether the brain representation of languages learned as adolescents or adults is influenced by early second language acquisition. With this perspective in mind, all early and late multilinguals included in the study had also learned a third language (L3) after the age of nine years, so that not only early, but also late learned languages could be compared between both groups. All multilinguals were tested in their three languages (L1, L2 and L3) by fMRI. The brain activity was measured during a language production task in which the subjects had to report the happenings of the previous day. To reduce influences not specifically related to language processes such as variable attention or valuation of the described experiences, the subjects were tested twice, on different days. The average brain activity during processing of L1, of L2 and of L3 has been statistically assessed for the groups of early and late multilinguals separately, including both tested runs. The comparison of the early acquired languages between both groups revealed striking differences in language related neuronal activity. Indeed, the analysis of the data shows that early multilinguals in both of their early acquired languages (L1 and L2) use cortical language regions more than late multilinguals in their L1. Particularly, increased neuronal activity was observed in regions of the left frontal lobe i.e. Broca’s area and the adjacent prefrontal cortex. It should be noted that the early acquisition of a second language (L2) determines not only its own cortical representation, but also that of the first acquired language (L1). The cortical region which is most influenced by the effect of early second language acquisition i.e. the prefrontal cortex, plays a crucial role during early procedural language acquisition. Here, higher activation could indicate the engagement of functions related to the resolution of cross-linguistic interference. Indeed, left prefrontal regions support processes necessary for a selection between competitive alternatives of a motor plan. In early multilinguals, specific cross-linguistic interference between the early acquired languages seemed to manifest itself during the preparation for the speech action. Further evaluation of the data provided more evidence for the involvement of cortical functions to resolve cross-linguistic interference between two early acquired languages. This is apparent from the comparison of the language-related activation pattern in left perisylvian regions between early and late multilinguals, particularly in Broca’s area and in the supramarginal gyrus. The neuronal network connecting these brain regions supports sensory-motor integration of phonological information, i.e. the function of the “phonological loop”. The evaluation led to the discovery of a pronounced motor load of the activated network in early multilinguals. It is known that such a functional adjustment is necessary to resolve interference of sensory related language information at the phonological level. Thus, the comparison of early acquired languages between early and late multilinguals could indicate, that early second language acquisition influences the function of the cortical language network to resolve various aspects of cross-linguistic interference. Since the changes in brain activity could be demonstrated in adults, the results of the present study indicate a persistent adaptation of brain language functions to the early presence of two languages. The comparison of the later-learned L3 between both groups showed principally the same result as the comparison of the early acquired languages: in early multilinguals, functions of language networks supporting resolution of language interference seem to be more established than in late multilinguals. This is the first study which has described an influence of early second language acquisition on the organisation of the cortical language network of subsequent late learned languages. An effect of early second language acquisition on the use of the language network by later-learned languages could however not be described. Indeed, later-learned languages of both groups showed similar differences to the early acquired languages. By demonstrating that exposure to a second language during early childhood not only manifests in the cortical language network of early but also of late acquired languages, this study extends the current view of the importance of early language acquisition for the establishment of the cortical language network.