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平成20年11月6日

科学技術振興機構(JST)
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英語力の個人差に関係する脳部位を特定

(脳活動を測るfMRI実験で判明)

 JST基礎研究事業の一環として、東京大学 大学院総合文化研究科の酒井 邦嘉 准教授(言語脳科学)の研究チームは、宮城学院女子大学 英文学科の遊佐 典昭 教授(言語学)らとの共同研究において、脳活動の個人差を機能的磁気共鳴画像法(fMRI)注1)で調べたところ、外国語としての英語力と密接に関係する複数の脳部位を特定することに成功しました。
 英語の習得開始が中学1年の場合、中学生から大学生にかけての6年間の学校教育で英語が定着するに従って、脳の「文法中枢」注2)の活動が高まり、維持され、節約されるというダイナミックな変化が見られることが明らかとなっています。一方、英語の習得を小学時に開始して学校教育で英語が定着していく過程で、中高生までに文法中枢の活動がどのように変化するかについては明らかになっていませんでした。
 今回、英語の習得期間が異なる2群の中高生を対象として、英語文の文法性に関する課題を行っている最中の脳活動をfMRIで測定し、その個人差を詳細に分析しました。その結果、習得開始が中学1年の群では成績に比例して脳の「文法中枢」の活動が高く、習得開始が小学1年の群では英語力が身につくほど文法中枢の活動が節約されていることが分かりました。また、脳の「文章理解の中枢」注3)の活動は、英語の文を処理する時間について両群で異なる相関性を示しました。
 小学生から中高生にかけての今回の結果と、中学生から大学生にかけての既知の研究結果を合わせて考えると、外国語としての英語力の定着は習得開始の年齢だけでは説明できず、6年以上にわたる英語接触量の重要性が強く示唆されます。今回の成果は、語学教育の改善や言語の獲得機構の解明へとつながるものと期待されます。
 本研究成果は、平成20年11月5日(米国東部時間)発行の米国科学雑誌「Human Brain Mapping(ヒューマン・ブレイン・マッピング)」のオンライン版で公開されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。
 戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)
研究領域「脳の機能発達と学習メカニズムの解明」
(研究総括:津本 忠治 (独)理化学研究所脳科学総合研究センター グループデイレクター)
研究課題名言語の脳機能に基づく獲得メカニズムの解明
研究代表者酒井 邦嘉(東京大学 大学院総合文化研究科 准教授)
研究期間平成15年10月〜平成21年3月
 JSTはこの領域で、脳機能発達と学習メカニズムに関する独創的、先進的研究が進展し、その結果、教育や生涯学習における諸課題解決に対する示唆を提供することによって、成果を社会に還元することを目指しています。上記研究課題では、言語の脳機能に焦点を当て、言語獲得のメカニズムの解明を行います。これにより、精神疾患の発症機構の解明と、脳機能に基づく適切な教育方法の提案を行い、脳科学の成果を広く教育へ応用することを目指します。

<研究の背景と経緯>

 脳科学の進歩に伴い、人間の脳の活動を画像として捉える機能イメージングの手法を用いて、心のさまざまな機能の座が、脳のどこにあるかを調べられるようになってきました。しかし、言語などの高次機能の脳における発達メカニズムの研究は緒に就いたばかりです。本研究は、第二言語である英語の習得過程に注目して、英語の文法知識がどのようにして定着するのかという問題に答えようとするものです。この問題について、本研究チームが平成16年と17年に報告した「文法中枢」(図1)の機能変化として客観的に捉えることで、最初の手がかりが得られました。そして今回、新たな実験によって「文章理解の中枢」(図1)も含めた脳活動と行動データにおける相関の逆転現象を初めて発見しました。
 言語は、人間に固有の高次脳機能です。人間の言語能力が、その他の心の機能と原理的に分けられるかという問題は、アメリカの言語学者のチョムスキーとスイスの発達心理学者のピアジェによる有名な論争(昭和50年)以来、認知科学における中心的課題でした。チョムスキーは、生得的な言語獲得メカニズムが、一般的な学習メカニズムとは全く異なるものであると主張しましたが、これまで実験的な検証は困難でした。このような言語の問題は、脳科学における究極の挑戦です〔酒井 邦嘉 著『言語の脳科学』中公新書、平成14年〕。
 本研究課題では、脳科学の観点から教育の問題に取り組む際の指針となるようなデータを蓄積することを目指しています。そのために、モデル・ケースとして言語教育に注目して、ともすれば客観的な評価・判断をしにくい教育のさまざまな場面に厳密科学を持ち込むことで、教育の効果を脳機能の変化として直接的に捉えることを目標にしています。  アメリカのハーシュらによるfMRIの実験では、幼少の時からバイリンガルで育った群と、10歳頃から第二言語を習得した群とを比較して、後者の群でのみ、2つの言語による活動領域がブローカ野注4)の中で分かれていることが報告されています(Kim et al., 1997)。しかし、その後この結果を再現する報告はなされていません。また、第二言語を習得した時期や習熟度が違っても、ブローカ野の活動に差が見られなかったという実験結果(Chee et al., 1999)や、習得時期が遅い方がブローカ野の活動が強まるという報告(Wartenburger et al., 2003)が現れて、母語と第二言語におけるブローカ野の役割は不明な点が多く残されていました〔『言語の脳科学』p. 320-322〕。
 本研究チームはこれまでに、脳の「文法中枢」の活動が学校の授業を通して得られた英語の成績に相関して高まることを初めて直接的に証明し、次いで中学・高校の学習を経て英語の知識が定着してくる大学生において、英語の「熟達度」が高くなるほど文法中枢の活動が節約されていることを明らかにしました〔Science 310, 815-819 (2005)〕。次の問題は、このような文法中枢の機能変化が、英語の習得開始の年齢が違っても観察されるかどうかを明らかにすることでした。

<研究の内容>

 今回の調査の参加者は、日本語を母語とする右利きの中高生30名です。すべての参加者とその保護者からインフォームド・コンセントを得て調査を行いました。そのうち18名は東京大学教育学部附属中等教育学校の生徒で、英語の習得開始が中学1年である生徒のみを対象としました。残り12名は加藤学園暁秀高等学校・中学校の生徒で、英語で一般教科を学ぶ日本初の「英語イマージョン・プログラム」(1日の50-70%が英語での授業、残りの時間が日本語での授業)を実践している加藤学園において、暁秀初等学校の1年より継続してこのプログラムに参加している生徒を対象としました。これらすべての参加者は、海外の長期滞在経験がありません。
 本研究で用いた2つの言語課題は、英語の文を文字で提示して、文法的に正しい文かどうかを答える「文法課題」(Esyn: English syntactic task)と、同じ文で用いられている単語の綴りが正しいかどうかを答える「スペリング課題」(Espe: English spelling task)です。これらの課題を行っている時の脳活動をfMRIで計測して、「文法課題」に対する脳活動から「スペリング課題」に対する脳活動を差し引くことにより、文処理に選択的な脳活動を抽出しました。
 東京大学教育学部附属中等教育学校の中高生(習得開始が中学1年の「短期習得群」)に対しては、英語動詞の文法的な使用法に関するトレーニングを2ヵ月間の授業時間中に実施して、これらの課題を行っている最中の脳活動の変化をトレーニングの前後でfMRIによって計測しました。また、加藤学園暁秀高等学校・中学校の中高生(習得開始が小学1年の「長期習得群」)に対しては、トレーニングなしで同じ課題を行っている最中の脳活動をfMRIによって測定しました。トレーニング後の短期習得群の成績(平均値)は長期習得群の成績と等しいため、両者に見られた脳活動の違いは、成績や対象年齢からは説明できません。
 その結果、文処理に選択的な脳活動が、左脳の前頭葉下部にある「文法中枢」(ブロードマン45野)と、この文法中枢の腹側部に位置する「文章理解の中枢」(ブロードマン47野)の両方に観察されました(図2)。これらの中枢は、日本語や日本手話を母語とした時の同様の言語課題で報告されているこれまでの知見と一致します。また、文法中枢での脳活動は、文法課題の成績について短期習得群では正の相関(活発化)を示し(図3)、長期習得群では負の相関(非活発化)を示しました(図4)。さらに、文章理解の中枢での脳活動は、英語の文を処理する時間(反応時間)に対して短期習得群では正の相関を示し(図5)、長期習得群では負の相関を示しました(図6)。これは二重の相関の逆転現象です。なお、本実験では反応時間は成績と全く無関係でした。以上の現象は、英語力がこれら2つの言語中枢の複合的な機能変化によって担われていることを示す、画期的な発見です。
 本研究チームが中学生および大学生を対象にして行ってきたこれまでの実験成果なども総合すると、英語習得の初期に文法中枢の活動が高まり、中期にその活動が維持され、文法知識が定着する後期には活動を節約できるように変化すると考えられます。今回、英語の習得期間が異なる2群の中高生を対象として、小学生から中高生にかけての英語習得にも同様の文法中枢の機能変化が明らかになったことにより、外国語としての英語の定着は習得開始の年齢だけでは説明できず、6年以上にわたる英語接触量の重要性が強く示唆されました。こうした長期にわたる英語習得の過程が、文法中枢および文章理解の中枢のダイナミクスとして観察できるというこの新しい成果は、広く教育の見地からも重要です。

<今後の展開>

 本成果の社会的意義の要約を以下に示します。

1)言語の獲得機構の解明
 英語力の個人差の要因を脳科学の手法で定量的に計測したことにより、言語獲得のメカニズムの解明がさらに進むものと期待されます。英語の習得開始の年齢が異なっていても、外国語としての英語の定着が同様に生じるという知見は、外国語習得の初期に生じる不安感の軽減に役立ち、学習法の効率を評価する際にも役立ちます。

2)語学教育の改善
 複雑な文法知識をいかに効率よく身につけるかは、第二言語の教育が直面する壁の1つです。今回の研究から、最適な教育方法を選択するためには、学習の到達度を脳の働きとして客観的かつ直接的に評価することが役立つと考えられます。このような客観的な教育評価法に基づく新しいコンセプトの教育方法が今後重要になっていくと思われます。

3)言語障害の機能回復への応用
 言語障害の機能が回復する際に、左前頭葉の活動がどのように変化していくかをモニターすることにより、リハビリテーションに役立つ新しい知見をもたらす可能性があります。

 このように、英語の習得期間の違いが個人の脳活動の変化として、科学的にそして視覚的に捉えられたことは意義深いものです。従来、英語力の個人差は、対象年齢や課題の成績などの要因から分離することが困難でしたが、今回のfMRIを用いた方法は、個人の学習の到達度を直接的に測定できることを示すものとして、これからの教育の評価の方法やあり方に大きな影響を与える可能性があります。今後、この研究成果が突破口になって言語の獲得機構の解明が進み、語学教育の改善につながることを期待します。

<付記>

 本研究は、共著者である東京大学 大学院総合文化研究科の大学院生 名内 存人および辰野 嘉則(研究当時)、東京大学教育学部附属中等教育学校の村石 幸正 教諭および平野 和由 教諭(研究当時)、加藤学園暁秀高等学校・中学校の木村 正和 教諭およびマイク・ボストウィック 教諭らの協力を得て行われました。

<参考図>

図1

図1 人間の左脳の言語中枢

 前頭葉に「文法中枢」と「文章理解の中枢」があり、側頭葉から頭頂葉にかけての領域に、「音韻(アクセントなど)」と「単語」の中枢があると考えられている〔Science 310, 815-819 (2005) に発表した図を改変〕。

図2

図2 英語の短期習得群が示した文処理に選択的な脳活動(トレーニング後)

 左脳の言語野に局在した活動の上昇(赤の濃淡)が観察された。特に、「文法中枢」の活動(ブロードマン45野、黄の○)と「文章理解の中枢」の活動(ブロードマン47野、白の○)が注目される。

図3

図3 英語の短期習得群が示した脳活動(トレーニング後)と文法課題の成績との関係

 文処理に選択的な「文法中枢」の活動(dF3t、黄の○)が、文法課題の成績と正の相関を示した。グラフの黒点は、それぞれ短期習得群の1人を表す。

図4

図4 英語の長期習得群が示した脳活動と文法課題の成績との関係

 文処理に選択的な「文法中枢」の活動(vF3t、黄の○)が、文法課題の成績と負の相関を示した。グラフの白点は、それぞれ長期習得群の1人を表す。

図5

図5 英語の短期習得群が示した脳活動と文法課題の反応時間との関係

 文処理に選択的な「文章理解の中枢」の活動(F3O、白の○)が、英語の文を処理する時間(反応時間)と正の相関を示した。角回の活動(ブロードマン39野、赤の○)も同様の正の相関を示した。グラフの黒点は、それぞれ短期習得群の1人を表す。

図6

図6 英語の短期習得群と長期習得群が示した脳活動と文法課題の反応時間との関係

 文処理に選択的な「文章理解の中枢」の活動(F3O、白の○)が、英語の文を処理する時間(反応時間)に対して、短期習得群と長期習得群では相関の逆転を示した。角回の活動(赤の○)も同様の相関の逆転を示した。グラフの黒点はそれぞれ短期習得群の1人を表し、白点はそれぞれ長期習得群の1人を表す。

<用語解説>

注1)機能的磁気共鳴映像法(fMRI)
 脳内の神経活動に伴う血流変化を、局所磁場の変化から測定し画像化する手法。全く傷をつけずに外部から人間の脳活動を観察する方法として広く使用されている。

注2)文法中枢
 人間の言語の文法処理に特化すると考えられる左脳の前頭葉の一領域で、ブロードマン44・45野と6・8・9野の一部を含む(図1参照)。

注3)文章理解の中枢
 人間の言語の文章理解(文間の意味的なつながりなど)に特化すると考えられる左脳の前頭葉の一領域で、ブロードマン45・47野の一部を含む(図1参照)。

注4)ブローカ野
 人間の言語機能が局在する領域と考えられてきた、左脳の前頭葉下部を指す用語。ブロードマン44・45野に対応する。この領域を損傷すると発話時の失語(言語障害)が起こるため、長らく「発話の中枢」と考えられてきたが、文法機能を司る領域として近年注目されている。

<論文名>

"Distinct Roles of Left Inferior Frontal Regions That Explain Individual Differences in Second Language Acquisition"
(第二言語獲得における個人差を説明する左下前頭領域間の異なる役割)
doi: 10.1002/hbm.20681

<お問い合わせ先>

 <研究に関すること>

酒井 邦嘉(サカイ クニヨシ)
東京大学 大学院総合文化研究科 相関基礎科学系
〒153-8902 東京都目黒区駒場3−8−1
Tel:03-5454-6261(直通) Fax:03-5454-6261
E-mail:
URL:http://mind.c.u-tokyo.ac.jp/index-j.html

 <JSTの事業に関すること>

瀬谷 元秀(セヤ モトヒデ)
科学技術振興機構 戦略的創造事業本部 研究領域総合運営部
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