Word Learning in the Developing Brain : ERP Dynamics of Learning Word-Object Associations

Abstract

This dissertation investigated electrophysiological measures of individual differences in toddlers’ ability to learn novel object labels and process familiar object words and their referents. The studies measured both visual and auditory event-related potentials (ERPs) in response to pictures of objects and words in a longitudinal sample of 20- to 24-month-olds, an age of dynamic vocabulary development. These ERP measures were related to the children’s productive vocabulary size as well as behavioral measures of word comprehension and object recognition.

Study I aimed to test children’s ability to map familiar words to versions of their referents displaying reduced visual information (only overall shape or isolated parts), and whether this ability correlated with vocabulary size. Children with larger vocabularies showed a stronger N400 incongruity effect in response to words paired with correct vs. incorrect shape referents specifically, and the N400 effect in the shape condition also correlated with the children’s ability to overtly identify objects from their overall shape in a behavioral test. These results are discussed in relation to previous research demonstrating the emergence of a shape bias in children’s Word extension, as well as improvements in object shape recognition, during the second year of life.

Study II investigated individual differences in novel word-object mapping and
changes with age in this ability. The overall sample showed ERP evidence of novel word learning (an N400 semantic incongruity effect) after five consistent word-object pairings at 24 months but not at 20 months. Children with large vocabularies demonstrated the same linear attenuation of N400 amplitude during novel word repetition as is commonly seen in adults, while children with smaller vocabularies did not show such attenuation until the end of the learning phase.

Study III focused on the 20 month data set and explored how visual ERPs were
modulated as object-word pairs were presented repeatedly, and how these measures of visual object processing related to successful fast mapping of the novel words to the objects. A larger attenuation of the Nc component (associated with attention) predicted successful word learning, measured as a larger N400 incongruity effect to the novel words after training. Furthermore, better initial recognition of familiar objects correlated with a stronger N400 effect to the words for those objects. The results present novel evidence for a link between efficient visual processing of objects and word learning ability.

Taken together, these findings demonstrate that the rapid vocabulary growth and striking individual differences in productive vocabulary development seen during children’s second year are linked to the dynamics of specific brain mechanisms involved in semantic processing of words and their referents.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish
Barnets andra levnadsår präglas till stor del av en enorm utveckling av språkliga färdigheter. Omkring ettårsåldern börjar de flesta barn säga sina första ord. Det produktiva ordförrådet (de ord barnet kan säga) växer till en början ganska långsamt, men inlärningstakten ökar successivt. Mellan 1 ½ och 2 år genomgår många barn något som brukar kallas för ”ordförrådsspurt”, där inlärningen av nya ord tar ordentlig fart. Samtidigt börjar de ofta kunna kombinera ord till korta meningar. Lika slående som ordförrådens snabba utveckling i den här åldern, är de stora individuella skillnaderna i hur många ord olika barn kan säga. Medan ett barn vid 20 månader kan ha 250 ord i sitt produktiva ordförråd kanske ett annat barn bara kan säga 20 ord. Generellt ligger ordförståelsen långt före ordproduktionen, så barn förstår många fler ord än de säger. Ändå är förståelse och produktion av ord sammankopplade.
Den här avhandlingen tar sin utgångspunkt i ett intresse av att förstå vad som ligger bakom den snabba utvecklingen av ordförrådet samt de stora individuella skillnaderna i ordförrådets storlek bland barn i den här åldern. Specifikt undersöks hur barn med olika stora produktiva ordförråd skiljer sig åt vad gäller ordförståelse, det vill säga hur de faktiskt bearbetar ord som de hör och dessas referenter. För att kunna mäta dessa förståelseprocesser medan de pågår har en elektrofysiologisk utrustning (EEG) använts, som mäter hjärnans aktivitet kontinuerligt med en tidsupplösning på millisekundnivå. En stor grupp barn har fått titta på bilder av objekt som benämnts med ord. Detta har inkluderat både objekt som är välkända för små barn tillsammans med dess riktiga ord samt nya låtsasobjekt som benämnts med låtsasord för att simulera nyordsinlärning. Projektet är det första i sitt slag som bedrivits longitudinellt, det vill säga samma barn har fått utföra samma sorts uppgift vid 20 månaders ålder och sedan på nytt vid 24 månader. Analyserna fokuserade huvudsakligen på specifika händelserelaterade elektrofysiologiska signaler (s.k. event-related potentials: ERP) kopplade till bearbetningen av ett ords betydelse (N400) samt visuell uppmärksamhet av objekten (Nc). Även andra responser, t.ex. en respons kopplad till fonologisk bearbetning av själva ordet (ordets ljudform, som bearbetas före dess betydelse), analyserades. Dessa elektrofysiologiska mått relaterades sedan till mått på barnens språkförmåga och allmänna utveckling enligt föräldraskattningar samt ett explicit mått på ordförståelse och objektigenkänning i en separat uppgift, där barnen fick peka ut ords referenter bland bilder på flera olika objekt.

Tre olika studier utfördes som utforskade olika aspekter av det omfattande datamaterialet. Studie I undersökte barnens förmåga att koppla riktiga bekanta ord till sina objekt när bilderna på objekten endast visade övergripande form eller isolerade delar (t.ex. en ankas yttre siluett jämfört med ögonen, näbben och vingen av en anka). Tidigare forskning har visat att barn mellan 1½ och 2 år blir allt bättre på att uppmärksamma och identifiera objekt utifrån övergripande form, och att denna förmåga korrelerar med ordförråd. För att mäta hur effektivt barnen kopplade ett ord till det rätta objektet jämfördes deras respons till ordet när det presenterades med rätt objekt (bild av en anka följs av ordet ”anka”) med när ordet presenterades med fel objekt (bild av en hund följs av ordet ”anka”). Om bilden av objektet framkallat en förväntan hos barnet att höra ett visst ord, så bör man se en skillnad i ERP-respons när fel ord hörs jämfört med när det förväntade ordet hörs. Denna skillnad kallas för en N400 inkongruenseffekt och tolkas som att den semantiska bearbetningen av det rätta ordet (ordets betydelse) var mindre krävande tack vare den prediktion som bilden möjliggjorde. Resultaten visade att barnen överlag reagerade likadant på en inkongruens när orden föregåtts av vanliga bilder på hela objektet, oavsett deras produktiva ordförråd. Däremot fanns ett samband mellan barnens ordförråd och deras semantiska bearbetning av orden när de presenterades tillsammans med siluetter av objekten. Barn med större ordförråd visade en starkare N400 inkongruenseffekt i siluettbetingelsen än barn med mindre ordförråd. Detta indikerar att barn med större ordförråd hade lättare att känna igen objekten utifrån enbart form och således lättare aktiverade rätt ord. N400-effekten i siluettbetingelsen korrelerade även med vårt explicita mått på hur väl barnen kunde peka ut rätt objekt när de endast visades som siluetter.

Studie II undersökte hur barnens förmåga att snabbt koppla ett nytt ord till ett helt nytt objekt utvecklades från 20 till 24 månader, samt om det fanns relevanta individuella skillnader i hur barnen bearbetade de nya orden under pågående inlärning. Det visade sig att barnen vid 20 månader inte klarade av att helt koppla orden till objekten efter fem presentationer, men bara fyra månader senare klarade gruppen som helhet av samma uppgift. Detta visade sig som en signifikant N400-effekt till felaktiga ord-objekt-par jämfört med korrekta ord-objekt-par vid 24 månader, men ingen tendens till en sådan effekt fanns vid 20 månader. Vid båda testtillfällena påvisades ett samband mellan storleken på barnens ordförråd och hur deras semantiska bearbetning av orden förändrades under inlärningsfasen, som omfattade fem presentationer av varje nytt ord-objekt-par. Barn med större ordförråd visade en linjär minskning av N400-responsen för varje presentation, vilket indikerar att de för varje ytterligare presentation bearbetade kopplingen mellan ordet och objektet lite lättare. En sådan minskning av N400-responsen vid upprepning är karaktäristisk hos vuxna. Barn med mindre ordförråd däremot uppvisade en sådan minskning av N400 först mot slutet av inlärningsfasen. Detta indikerar att barn med mindre ordförråd behövde fler presentationer innan de började koppla ihop ordet med objektet. Måttet på den fonologiska bearbetningen av orden förändrades däremot enligt samma mönster oavsett språkkompetens. Skillnaden som var relevant för ordförrådet låg således specifikt i bearbetningen av ordens betydelse, inte ordens ljudform i sig.

Slutligen fokuserade Studie III på datamaterialet från 20 månader, då gruppen som helhet inte klarade av att lära sig de nya ord-objekt-associationerna under experimentet. Vi undersökte om det fanns en mindre grupp barn som klarade detta bättre, och i så fall vad de hade gemensamt. Vi intresserade oss för hur barnen bearbetade de nya objekten under inlärningen, då de successivt blev mer bekanta. Därför analyserades visuella ERP-responser (hjärnans reaktion på endast bildvisningen innan ordet presenterades) och hur dessa förändrades under inlärningsfasen. Vi fann att en respons som relateras till uppmärksamhet och intresse (Nc) minskade linjärt för varje ytterligare gång ett objekt visades. Detta tyder på att barnens uppmärksamhet och intresse minskade något allteftersom objekten blev mer bekanta. Det visade sig att styrkan på den här upprepningseffekten predicerade N400-effekten till orden, så att barn vars uppmärksamhet minskade snabbare i större utsträckning reagerade på felaktiga parningar av orden och objekten i testfasen. Den grupp av barn som hade starkast repetitionseffekt på Nc-responsen visade också en statistiskt signifikant N400 inkongruenseffekt till de nyinlärda orden. Detta kan tyda på att de barn som snabbare lyckades skapa en representation av de nya objekten, och således ”tröttnade” lite fortare när de upprepades, hade bättre förmåga att lära sig vad objekten kallades. Det tyder i sin tur på att det inte bara är ordbearbetning som är relevant för förmågan att lära sig nya ord, utan även förmågan att snabbt känna igen och skapa representationer av objekt.

Sammantaget visar resultaten från den här forskningen att skillnader i barns produktiva vokabulär (hur många ord de kan säga) i åldern 20-24 månader kan kopplas till specifika och snabba processer i hjärnan involverade i att bearbeta och förstå ord och objekt samt deras inbördes relation. Överlag sker på enbart fyra månader en stor förbättring av barns förmåga att snabbt förstå kopplingen mellan nya ord och objekt, samtidigt som det produktiva ordförrådet i genomsnitt tredubblas under samma period. Barn med stora ordförråd visar tecken på att snabbare uppfatta ett nytt ords betydelse än barn med små ordförråd, trots att uppgiften endast kräver passiv bearbetning av stimuli och inte att orden ska uttalas. Dessutom verkar även visuell bearbetning av objekt spela en roll i utvecklingen av ordförrådet, då barn som mer effektivt bearbetade nya objekt hade större chans att lära sig vad objekten hette. Vi fann också stöd för teorin att tillväxten av det produktiva ordförrådet i den här åldern är kopplad till en ökad förmåga att känna igen den övergripande formen hos objekt. Detta kan höra ihop med att objekt ofta är kategoriserade utifrån likheter i form och att ökad erfarenhet av benämning ökar uppmärksamheten för de visuella egenskaper som objekt har gemensamt.

• author: Borgström, Kristina
• supervisor: Magnus Lindgren; Janne von Koss Torkildsen
• opponent: Dr Horst, Jessica, University of Sussex
• organization: Department of Psychology
• publishing date: 2016
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Psychology
• keywords: Word Learning, Language development, EEG, ERP, N400
• pages: 174 pages
• defense location: Edens hörsal, Paradisgatan 5 H, Lund
• defense date: 2016-01-15 10:00:00
• ISBN: 978-91-7623-494-5
• ISBN: 978-91-7623-495-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 7313980d-eee7-4de3-9e26-17fe1ba2a5f5 (old id 8233726)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:46:50
• date last changed: 2021-01-04 17:01:02