Early neural base of hierarchy rule learning and hierarchy structure of infant's vocalization

• Project Area: Studies of Language Evolution for Co-creative Human Communication
• Project/Area Number: 20H05010
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 皆川 泰代 慶應義塾大学, 文学部(日吉), 教授 (90521732)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2020: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 階層構造 / 人工文法 / 脳機能結合 / fNIRS / 乳幼児 / 新生児 / 階層性 / 言語野 / 乳児 / 前言語 / 音声発話

Outline of Research at the Start

本提案ではヒト発達初期における特に生得的な「階層性」についての学習能力とその脳内基盤，自発的発話における「階層性」について明らかにする。このために研究１では新生児を対象とし，階層構造を持つ人工文法刺激を用い，人工文法学習と人工文法処理における脳反応と脳機能結合そして脳の安静状態結合変化を明らかにする。6－7ヶ月児の同じ実験において，下前頭部や縁上回が人工文法学習の脳内基盤として機能していることが示されため比較を行う。一方で，研究2では，これまでにデータが極めて少ない3－12ヶ月乳児の発声における階層性を検討するために縦断的な発話の録音を行い，分節化する。発話構造の発達過程を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

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能力が必須となる。本研究はヒト発達初期における「階層性」についての学習能力とその脳内基盤，自発的発話における「階層性」について明らかにする。このために研究１では新生児を対象とし，階層構造を持つ人工文法刺激を用い，人工文法学習と人工文法処理における脳反応と脳機能結合そして安静状態の脳機能結合変化を明らかにすることを目的とした。特に前回行った6－7ヶ月児の結果と比較することで発達変化を明らかにする。一方で，研究2では， 3－12ヶ月乳児の発声における階層性を検討するために縦断的な発話の録音を行い，分節化する予定であった。しかし，コロナ禍の影響でフランスからの録音装置生産，配送が大幅に遅れ，2021年度に録音は開始できたが録音量が当初の目標を大きく下回ったため，今年度は解析は行わず，代替の4歳児実験（心の理論と言語発達の関係性の研究）を実施した。本報告では主に研究１の結果を報告する。
新生児は6－7ヶ月児と同様に人工文法規則学習後に「規則条件」文法に対しては馴化反応である脳活動の低下が見られたのに対し，「違反条件」文法では脳活動の上昇がみられた。しかし，その脳部位は6－7ヶ月児と全く異なり，前頭極，背外側前頭前野，下前頭回を含む左前頭前野であった。新生児では学習中の脳機能結合も測定していたが，学習中には安静状態とは異なる長い結合も多くみられた。学習時の脳機能結合と学習後の「違反―規則」に対する前頭前野活動との関係を解析したところ，学習後の脳活動が強いほど，学習中の縁上回から左前頭前野の脳機能結合が弱まっていることが見いだされた。縁上回は6－7ヶ月児で人工文法学習に強く関係する部位であったため，これら新生児の学習が進むにつれ，学習の脳内基盤が後方言語野に変化する可能性が考えられた。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Vienna(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] Zurich University(スイス)
• [Int'l Joint Research] University of Vienna(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] University of Zurich(スイス)
• [Journal Article] Differential age-dependent development of inter-area brain connectivity in term and preterm neonates (2022)
  • Author(s): Arimitsu Takeshi、Shinohara Naomi、Minagawa Yasuyo、Hoshino Eiichi、Hata Masahiro、Takahashi Takao
  • Journal Title: Pediatric Research Volume: 91 Issue: 4 Pages: 1017-1025
  • DOI: 10.1038/s41390-022-01939-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The effect of different information sources on prosodic boundary perception (2021)
  • Author(s): Ludusan Bogdan、Morii Masahiro、Minagawa Yasuyo、Dupoux Emmanuel
  • Journal Title: JASA Express Letters Volume: 1 Issue: 11 Pages: 115203-115203
  • DOI: 10.1121/10.0007150
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The effect of haptic stimulation simulating heartbeats on the regulation of physiological responses and prosocial behavior under stress: The influence of interoceptive accuracy (2021)
  • Author(s): Xu Mingdi、Tachibana Takeshi、Suzuki Nana、Hoshino Eiichi、Terasawa Yuri、Miki Norihisa、Minagawa Yasuyo
  • Journal Title: Biological Psychology Volume: 164 Pages: 108172-108172
  • DOI: 10.1016/j.biopsycho.2021.108172
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 幼児の心の理論獲得における人形を用いた見立て遊びの役割 (2021)
  • Author(s): 宮原冴佳・山本絵里子・関根和生・白野陽子・増田れい・皆川泰代
  • Journal Title: 慶應義塾大学大学院社会学研究科紀要 Volume: 90 Pages: 63-77
  • NAID: 120007089781
  • Open Access
• [Journal Article] Tracking Brain Development from Neonates to the Elderly by Hemoglobin Phase Measurement using Functional Near-infrared Spectroscopy (2021)
  • Author(s): Liang Z, Tian H, Yang HC, Arimitsu T, Takahashi T, Sassaroli A, Fantini S, Niu H, Minagawa Y, Tong Y.
  • Journal Title: IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics Volume: － Issue: 7 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1109/jbhi.2021.3053900
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Prefrontal Responses to Odors in Individuals With Autism Spectrum Disorders: Functional NIRS Measurement Combined With a Fragrance Pulse Ejection System (2020)
  • Author(s): Xu Mingdi、Minagawa Yasuyo、Kumazaki Hirokazu、Okada Ken-ichi、Naoi Nozomi
  • Journal Title: Frontiers in Human Neuroscience Volume: 14 Pages: 523456-523456
  • DOI: 10.3389/fnhum.2020.523456
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Interactive live fNIRS reveals engagement of the temporoparietal junction in response to social contingency in infants (2020)
  • Author(s): Hakuno Yoko、Hata Masahiro、Naoi Nozomi、Hoshino Ei-ichi、Minagawa Yasuyo
  • Journal Title: NeuroImage Volume: 218 Pages: 116901-116901
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2020.116901
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 二者間コミュニケーションの行動と脳機能：機械学習と情報論的分析を用いて. (2022)
  • Author(s): 皆川泰代
  • Organizer: 日本音響学会2022年春季研究発表会スペシャルセッション「音声言語と脳神経科学 -基礎から計算論的研究まで-」
  • Invited
• [Presentation] fNIRSで可視化する脳と認知の定型・非定型発達：発達初期の血行動態と代謝，神経活動，ネットワーク. (2021)
  • Author(s): 皆川泰代
  • Organizer: 第27回医用近赤外分光法研究会・第25回酸素ダイナミクス研究会,キーノート講演
  • Invited
• [Presentation] 乳児と養育者の音声・社会行動の相互作用と言語発達：発達障害リスク児と定型発達児. (2021)
  • Author(s): 皆川泰代
  • Organizer: 日本赤ちゃん学会第21回学術集会，シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 血流動態関数の差を考慮した母子間 fNIRS 同時計測データ解析. (2021)
  • Author(s): 森本 智志・皆川 泰代
  • Organizer: 光脳機能イメージング学会
• [Presentation] 共同作業時の記銘に関わる神経機構. (2021)
  • Author(s): 星野 英一・徐 鳴鏑・森本 智志・皆川 泰代
  • Organizer: 光脳機能イメージング学会
• [Presentation] 新生児における非隣接依存文法学習時の脳機能結合と違反文法への脳反応 (2021)
  • Author(s): 蔡 林・白野 陽子・秦 政寛・星野 英一・有光 威志・高橋 孝雄・Watson Stuart・Townsend Simon・Mueller Jutta・皆川 泰代
  • Organizer: 日本赤ちゃん学会第21回学術集会
• [Presentation] 認知発達研究における脳活動計測の有効性とその懸念点. (2021)
  • Author(s): 皆川泰代
  • Organizer: 第32回日本発達心理学会 ラウンドテーブル
  • Invited
• [Presentation] Typical and atypical neurocognitive development: language and social interaction. (2020)
  • Author(s): Minagawa, Y.
  • Organizer: The society of functional NIRS, fNIRS Datablitz 2020, online.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] fNIRS applications: Shedding light on brain-to-brain synchrony underlying human social interaction. (2020)
  • Author(s): Minagawa, Y.
  • Organizer: Optical Society of America, Biophotonics Congress: Biomedical Optics. Virtual Meeting.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 人形遊びが与える心の理論理解と言語能力への効果 (2020)
  • Author(s): 宮原 冴佳・関根 和生・白野 陽子・北村 千晴・皆川 泰代
  • Organizer: 日本赤ちゃん学会第20回学術集会
• [Presentation] 自閉症リスク児と定型発達児の母子相互行動と言語・社会性の発達 (2020)
  • Author(s): 秦 政寛・山本 絵里子・白野 陽子・皆川 泰代
  • Organizer: 日本赤ちゃん学会第20回学術集会
• [Presentation] 6－7ヶ月児と新生児における非隣接依存文法学習の脳内機構 (2020)
  • Author(s): 蔡 林・白野 陽子・秦 正寛・星野 英一・有光 威志・高橋 孝雄・Watson Stuart・Townsend Simon・Mueller Jutta・皆川 泰代
  • Organizer: 日本赤ちゃん学会第20回学術集会
• [Presentation] 発達初期における身体運動の産出能力はその後の他者の身体運動の理解能力を予測するか？ (2020)
  • Author(s): 山本 絵里子・秦 政寛・石川 直樹・阿部 和大・皆川 泰代
  • Organizer: 日本赤ちゃん学会第20回学術集会
• [Presentation] 乳幼児のグラスプリリース運動の発達に及ぼす要因の解明 (2020)
  • Author(s): 梯 絵利奈・阿部 和大・山本 絵里子・秦 政寛・直樹・堀江 秀斗・青木 義満・皆川 泰代
  • Organizer: 日本赤ちゃん学会第20回学術集会
• [Presentation] Cortical activation to interactive contingency in 6-month-old infants: an event-related fNIRS study. (2020)
  • Author(s): Hakuno, Y., Cai, L., Hata, M., Hachisu, T., Suzuki K., & Minagawa, Y.
  • Organizer: vICIS 2020 Congress, P3-B-33.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cerebral basis of non-adjacency grammar learning: Neonates and 6-to 7-month-old infants. (2020)
  • Author(s): Cai, L., Hakuno, Y., Hata, M., Hoshino, E., Arimitsu, T., Takahashi, T., Watson, S., Townsend, S., Mueller, J., & Minagawa, Y.
  • Organizer: vICIS 2020 Congress, P1-D-63.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mouth-looking and early vocabulary acquisition: A longitudinal eye-tracking study in infants at-risk for ASD and typically developing infants. (2020)
  • Author(s): Hata, M., Yamamoto, E., Hakuno, Y., & Minagawa, Y.
  • Organizer: vICIS 2020 Congress, P1-E-81.
  • Int'l Joint Research
• [Book] Comprehension of Japanese Passives: An Eye-Tracking Studywith 2-3-Year-Olds, 6-Year-Olds, and Adults. (2021)
  • Author(s): Isobe, M., Okabe, R., Kobayashi, Y., Kawahara, S., Monou, T., Abe, K.,Masuda, R., Miyahara, S.,& Minagawa, Y.
  • Total Pages: 270
  • Publisher: Cambridge Scholars Publishing.
  • ISBN: 1527570541
• [Book] 公認心理師の基礎と実践 ⑩ ― 神経・生理心理学 (第15章). (2021)
  • Author(s): 小野田 慶一，皆川 泰代，尾上 浩隆，田中 慶太 ，梅田聡(編)
  • Total Pages: 272
  • Publisher: 遠見書房
  • ISBN: 9784866160603
• [Remarks] 皆川研究室 研究プロジェクト
  • URL: https://web.flet.keio.ac.jp/~minagawa/project/