Jak rozwinąć w pełni ludzki potencjał

Prezentacja na temat: "Jak rozwinąć w pełni ludzki potencjał"— Zapis prezentacji:

1 Jak rozwinąć w pełni ludzki potencjał
Włodzisław Duch Katedra Informatyki Stosowanej, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Toruń Google: W. Duch (c) Tralvex Yeap. All Rights Reserved

2 Plan Kilka rzeczy, które wiemy o wczesnym rozwoju dziecka Rozwój mózgu
Rozrost kory Od czego zależy inteligencja Jak mierzyć inteligencję Potencjały ERP i czytanie

3 Doskonalenie mózgów Udoskonalenie mózgu to największe wyzwanie nauki i techniki. Ostrożnie! Ogólna zasada: ciągła specjalizacja w upływem lat, ograniczanie potencjalnych możliwości. Jak tego uniknąć? Geny określają jedynie z grubsza w którym kierunku mają zmierzać aksony neuronów (np: od oka do kory wzrokowej, po drugiej stornie mózgu) więc tworzy się za dużo neuronów a te, które nie są używane szybko umierają (apoptoza). Geny mogą określać granice indywidualnego rozwoju ale te granice są trudne do osiągnięcia. Manipulacje genetyczne są niebezpieczne. Wczesny okres jest krytyczny dla ukierunkowania rozwoju mózgu. Wyzwanie: zapobieganie problemom rozwojowym i wspomaganie normalnego rozwoju. Maksymalna liczba neuronów tuż przed urodzeniem, ale połączeń w wieku 3 lat, po czym gęstość połączeń spada do połowy.

4 Rozwój mózgu Mózg rozwija się w różnych okresach życia w różnym tempie : Zmiany anatomiczne Grubość warstw kory Stosunek ilości materii szarej do białej Gęstość synaptyczna w różnych warstwach i obszarach Różne typy neuronów i ich połączeń rozwijają się w różnym tempie. Integracja pracy różnych obszarów umożliwia bardziej złożone formy przetwarzania informacji w sprawny sposób.

5 Inwestycje się zwracają
Najbardziej te w okresie najwcześniejszym … wczesne uczenie i sukcesy zachęcają do dalszego uczenia i dalszych sukcesów.

6 Rozwój mózgu Po narodzeniu ponad milion połączeń w ciągu sekundy!

7 Synaptogeneza Dane są nadal kontrowersyjne, dla hipokampa:

8 Synaptogeneza Dane są nadal kontrowersyjne, dla hipokampa:

9 Synaptogeneza

10 Gęstość synaptyczna Szybki wzrost a potem przycinanie, nawet kora przedczołowa ma największą gęstość połączeń już w 4 roku życia.

11 Objętość kory po narodzeniu

12 Grubość kory Regiony odpowiedzialne za złożone czynności rozwijają się wolniej, za ruch i analizę sygnałów zmysłowych szybciej. Ogranicza to wielkość mózgu w czasie narodzin.

13 Zmiana grubości kory, 5 -11 rok.
Średnia zmiana grubości kory w mm, widoczny przyrost w obszarach czołowych i skroniowych, oraz ubytek w ciemieniowych i potylicznych. E.R. Sowell, Trends Neurosci March; 29(3): 148–159.

14 Zmiana grubości kory Czerwone: grubsza, niebieskie: cieńsza.
Całkowita objętość wzrasta. Biała materia ciągle powiększa objętość, szara wzrasta i się kurczy. E.R. Sowell, J Neuroscience, 2005

15 Wzrost kory Czerwone: grubsza, niebieskie: cieńsza.
Całkowita objętość wzrasta. Biała materia ciągle powiększa objętość, szara wzrasta i się kurczy. E.R. Sowell, J Neuroscience, 2005

16 Wzrost wielkości kory Rozwój kory po narodzinach, powiększenie u osoby dorosłej w stosunku do wielkości po porodzie.

17 Evo-Devo A: zmiana wielkości w stosunku do makaka, żólte obszary są 32x większe. B: Podsumowanie zmian rozwojowych od dzieciństwa, żólte są 4 x większe. Ewolucja i rozwój pokazują korelacje w obszarach skroniowych.

18 Rozwój kory

19 Rozwój kory

20 Długość snu Po skończeniu dwóch lat dzieci dość szybko skraca się czas snu.

21 Brak snu Skrócenie snu o godzinę w ciągu 7 dniu zmienia dramatycznie reakcję mózgu (słuchowe potencjały ERP) na słyszane słowa (Sleep Restriction Affects Children's Speech, 2007)

22 Brak snu Experts recommend that children in pre-school sleep between hours a night, and school-aged children between hours. Your child should follow these steps to get a good night's sleep: Follow a consistent bedtime routine. Establish a relaxing setting at bedtime. Get a full night's sleep every night. Avoid foods or drinks that contain caffeine, as well as any medicine that has a stimulant, prior to bedtime. Do not go to bed hungry, but don't eat a big meal before bedtime either. The bedroom should be quiet, dark and a little bit cool. Get up at the same time every morning.

23 Czytanie: rozproszone procesy

24 Co widzą niemowlęta? Czas patrzenia w %
paski: młodsze; białe: starsze niemowlaki. Twarze patrzące na nie ostre kontury, kształty o dużym kontraście 4 miesiące – odróżniają kolory jak dorośli. Ostrość widzenia (Snellen) 20/600 po narodzeniu 20/100 po 6 miesiącach 20/20 po 12 (normalna ostrość widzenia)

25 Gdzie patrzą? Kontrola ruchów sakadycznych gałek ocznych jest już precyzyjna po dwóch miesiącach, widzenie głębi w 3-6 miesiąca.

26 Poczucie bezpieczeństwa
Neurocepcja: nieświadoma ocena zagrożenia (S.W. Porgess, Neuroception. A Subconscious. System for. Detecting Threats and Safety. 2004) Bezpieczeństwo – zaangażowanie w relacje z opiekunami, rozwój zdolności emocjonalnych i poznawczych. Zagrożenie: ucieczka, bezruch lub walka Ucieczka nie jest możliwa, pozostaje bezruch: zamrożenie, wycofanie, dysocjacje Walka: mobilizacja, nadmierne pobudzenie, stres, opóźniony rozwój organizmu. Nerw błędny: regulacja serca, oddechu, ssania, wokalizacji … Bezdech i bradykardia.

27 Zaangażowanie niemowląt
The Social Engagement System is an emergent neurophysiological system that phylogenetically developed to regulate contact with the external world and to modulate physiological and behavioral state. As the infant matures, the Social Engagement System shifts from a reflexive brainstem system, to a system under cortical control with an ability to initiate social behavior. RSA, a measure of vagal regulation measured in infants, is related to developmental outcome and especially to behavioral and psychological processes associated with social behavior, ingestion, and state regulation. • Fussy-difficult infants, who by definition have state regulation problems and excessive bouts of crying, have atypical vagal regulation that may deprive them from the soothing effects of feeding.

28 Zaangażowanie niemowląt
During the first 6-months of life the measurement of vagal regulation during feeding provides an early marker of the developmental status of the neural platform for social behavior. During the first year of life, cortical pathways develop that regulate the striated muscles of the face and head and the vagus continue to myelinate to form an integrated social engagement system - the same circuits involved in feeding (ingestion) and state regulation. As the infant matures, social context displaces feeding as the most important regulator of behavioral state.

29 Problemy rozwojowe Jako najbardziej złożony organ mózg psuje się najczęściej. 5-10% dzieci ma problemy rozwojowe, które opóźniają prawidłowy rozwój słuchu, mowy i posługiwania się językiem. Jeśli poważne problemy ze słuchem pozostają niewykryte w pierwszych 6 miesiącach i nie podjęta zostanie terapia uzyskanie pełnej sprawności w posługiwaniu językiem będzie nieprawdopodobne. Średni czas identyfikacji wrodzonych wad słuchu do niedawna wynosił 2.5 roku w USA i innych krajach, teraz badania przesiewowe skróciły to do kilku miesięcy. Wczesne wykrycie problemów ze słuchem pozwala na osiągnięcie normalnych kompetencji językowych. British Dyslexia Association ocenia, że 10% dzieci cierpi na jakąś formę dysleksji a około 4% ma poważne zaburzenia opóźniające ich rozwój w szkole.

30 NRC report Committee on Integrating the Science of Early Childhood Development, US National Research Council 2000 report: “From Neurons to Neighborhoods: The Science of Early Childhood Development”. There is little scientific evidence that special “stimulation” activities above and beyond normal growth-promoting experiences lead to “advanced” brain “advanced” brain development in early childhood. Early experiences clearly influence brain development brain development, but a disproportionate focus on birth to three begins too late and ends too soon. The early childhood years lay a foundation that influences the effectiveness of all subsequent education efforts Early intervention programs can improve the odds for vulnerable children, but are rarely simple, inexpensive, or easy to implement.

31 NLNC Early in development, learners commit the brain’s neural networks to patterns that reflect natural language input. Initial coding of native-language patterns eventually interferes with the learning of new patterns (such as those of a new language), because they do not conform to the established “mental filter.” Early learning promotes future learning that conforms to and builds on the patterns already learned, but limits future learning of patterns that do not conform to the ones already learned. MEG support: processing foreign-language speech sounds the adult brain is activated for longer and over a larger area than when processing native-language sounds. Training with appropriate phonetic materials improves behavioral performance and increases neural efficiency, though not to the native speaker’s level; interactive training is much more effective. At 9 months infants exposed to a new language learn phonetically after only 12 exposure sessions during one month.

32 ERP and reading Can the hearing and speech problems be eliminated, improving perceptual and cognitive skills of babies at the same time? Poland – national program screening infant hearing (WOSP,2008).

33 Rozwój: podsumowanie Potrzebna jest jak najwcześniejsza interwencja.
Działanie mózgu zależy od genetycznego fenotypu, ale zmodyfikowane jest przez środowisko i uczenie. W pierwszym dwóch życia rozwój mózgu jest bardzo szybki, synaptogeneza i apoptoza zmienia strukturę mózgu, powstają nowe neurony (koło 18 miesiąca proces ten zanika) migrujące do kory przedczołowej, nie działa więc pamięć robocza. Sytuacja jest niestabilna i wrażliwa na zewnętrzną regulację. Konieczne są symbiotyczne relacje z opiekunami dzięki stymulacji dotykowej, wokalizacjom, ruchom ciała, oczu i wyrazom twarzy. Prawidłowe relacje umożliwiają samoregulację kształtując ścieżki dalszego rozwoju, odczytywanie intencji. Nowe ścieżki neuronalnych pobudzeń pozwalają na rozpoznawanie wzorców zachowań i nadanie im behawioralnego sensu prowadzącego do zmniejszenia stresu wynikającego z nieprzewidywalnego zachowania środowiska.

34 Równowaga biochemiczna
Niepewność, strach => aktywacja ciała migdałowatego => aktywacja szlaku HPA: podwzgórze, wydzielanie kortykotropiny (CRT) => aktywacja przysadki i ACTH => kortyzol wydzielany z nadnerczy => neurotransmitery (adrenalina, noradrenalina, dopamina). Receptory kortyzolu wewnątrz komórek regulują podział komórek, ich metabolizm i wpływa na reakcje immunologiczne. Krótkoterminowo: kortyzol zwiększa poziom cukru we krwi, zwiększa koncentrację receptorów kortyzolu, wspomaga uczenie zwiększając plastyczność mózgu w hipokampie i ciele migdałowatym (pamięć nieprzyjemnych zdarzeń). Czemu lubimy się bać? W ten sposób uczymy się większej elastyczności reakcji organizmu! Byle nie za długo … Długoterminowo: nadprodukcja kortyzolu, hipermetabolizm mózgu, przewlekły stres, osłabienie układu odpornościowego i wzrostu. Wysoki poziom oksytocyny, będący wynikiem empatycznych relacji symbiotycznych zmniejsza pobudliwość reakcji stresowych walka-ucieczka, pomaga w regulacji reakcji afektywnych.

35 Oksytocyna Wysoki poziom oksytocyny, zmniejsza pobudliwość ciała migdałowatego przy oglądaniu nowych twarzy i scen.

36 Uczenie się Początkowy etap: Powolne.
Nieprecyzyjnie skoordynowane czasowo. Rozległe aktywacje mózgu, ale niestabilne, mało powtarzalne. Pośredni etap: Poprawa synchronizacji i stabilności. Redukcja aktywności nieprzydatnych obszarów. Dojrzałe, etap eksperta: Dalsza redukcja aktywacji. Stabilne aktywacje przestrzenno-czasowe. Większa szybkość. Elastyczność organizacji funkcji – specjalizacja jest tylko częściowa, możliwe jest zastąpienie zajętych obszarów przez inne, odmienna organizacja pracy mózgu może dać ten sam efekt.

37 Rozwój poznawczy Początkowe proste możliwości obejmują:
odruchy – ssania, łapania, grymasy twarzy; wrodzone preferencje, np. smaku i zapachu; orientacja, szukanie sutka; habituacja do powtarzających się bodźców dotykowych, słuchowych, wzrokowych; imitacja – wysuwanie języka, wydymanie ust, otwieranie i zamykanie dłoni i ust, już w pierwszych tygodniach życia. Bardzie złożone możliwości: pamięć, początkowo rzędu jednej doby; preferencje powtarzających się wrażeń, stanów, widoków, obrazów, dźwięków; zainteresowanie twarzami, interakcją z ludźmi; zainteresowanie niespodziewanymi sytuacjami – mózgi szybko uczą się przewidywać.

38 Uczenie się: podsumowanie
Potrzebna jest jak najwcześniejsza interwencja. Działanie mózgu zależy od genetycznego fenotypu, ale zmodyfikowane jest przez środowisko i uczenie. W pierwszych latach życia rozwój mózg jest bardzo szybki, neurogeneza (głównie migracja do przedczołowych obszarów) synaptogeneza i apoptoza, relacje symbiotyczne z opiekunami. Indywidualne różnice mają wpływ na sposób reakcji na czynniki środowiskowe i wewnętrzne. Różna organizacja na poziomie neuronalnym może prowadzić do podobnych wzorców behawioralnych. Przetwarzanie bodźców zmysłowych warunkuje rozwój kompetencji poznawczych i na odwrót, nie ma tu liniowej przyczynowości. Nauka nowych umiejętności zmienia organizację pracy mózgu wpływając na odmienne zaangażowanie różnych obszarów mózgu w czynności poznawcze. Zmienia to szybkość, sprawność i złożoność dostępnych funkcji.

39 Inteligencja Rozkład wokół średniej:
W przybliżeniu rozkład Gaussa o średniej 100 i wariancji 15, są duże odchylenia od średniej. Ok. 2/3 osób w rozkładzie Gaussa ma IQ w przedziale [85,115], a 96% w przedziale [70,130], a wiec 1/6 ma IQ powyżej 115 a 2% powyżej 130. Średnia co pokolenie może zwiększyć się nawet o 10 punktów - jest to efekt Flynna, który wynika prawdopodobnie zarówno z poprawy warunków zdrowotnych, lepszego odżywiania, bogatszego środowiska (np. zabawek) i wychowania dzieci rozbudzającego aktywność intelektualną. Wśród najbardziej inteligentnych ludzi przeważają obecnie Azjaci (dla IQ>200 prawie wyłącznie).

40 Rodzaje inteligencji IQ mierzy inteligencję racjonalną.
IQ>120 nie zwiększa szansy na sukces życiowy. Howard Gardner rozwinął teorię inteligencji wielorakiej, wyróżniającą 8 głównych aspektów funkcjonowania: językową, zdolności komunikacyjno-oratorskie; matematyczno-logiczną, pojęcia abstrakcyjne; wizualno-przestrzenną, orientacja, wyobraźnią wzrokowa; muzyczna; interpersonalną, rozpoznawanie uczuć i intencji ludzi, empatia; intrapersonalną, rozumieniem samego siebie; cielesno-kinestetyczną; przyrodniczą (ekologiczną) Daniel Goleman wprowadził pojęcie inteligencji emocjonalnej, Inteligencja duchowa, zdolność do integracji informacji i nadawania im uogólniającego sensu.

41 Długotrwałe badania Od narodzin co roku w okolicach urodzin dzieci były testowane Zbierano informacje o sytuacji rodzinnej i zdrowiu dzieci. Czytanie i umiejętności językowe wymagają: Dokładnego rozpoznawania fonemów; Połączenia grafemów (symboli graficznych) i fonemów Rozpoznawania symboli jako ciągu fonemów Szybkiego przetwarzania Jak wcześnie ujawniają się różnice? Badano niemowlaki < 36 godzin po narodzeniu. Bodźce: sylaby bi, di, gi; bae, dae, gae; bu, du, gu, odgrywane przypadkowo. Czytanie w późniejszym okresie: różnice w rozpoznawaniu wyrazów sięgają pół sekundy, rozpoznawanie jest niestabilne, wymagające wysiłku, w końcu prawidłowo rozpoznane ale powoli, co wpływa na płynność i rozumienie słyszanego i czytanego tekstu.

42 Długotrwałe badania Dzieci o średnich lub wyższych wynikach w testach werbalnego zrozumienia w wieku 3 lat. Przykładowy wynik:

43 Długotrwałe badania Dzieci o słabszych wynikach w testach werbalnego zrozumienia w wieku 3 lat. Przykładowy wynik:

44 Przewidywania Reakcje niemowląt pozwalają przewidzieć wyniki testów 8-latków w czytaniu. Testy: Wechsler Intelligence Scale for Children (WISC) Full Scale IQ (FSIQ) oraz Wide Range Achievement Test (WRAT) Reakcje niemowląt zagrożonych problemami na fonemy są o 200 ms późniejsze niż u pozostałych. Dokładność przewidywań jest rzędu 80%. 20% miało szczęście lepiej się rozwinąć?

45 Wyniki dla 8-latków Przetwarzanie sygnałów mowy jest około 100 ms wolniejsze u dzieci słabo wypadających w testach – to zostawia 100 ms na sylabę na inne procesy. Zrozumienie: szybki i wyraźny sygnał, szybkie zakończenie przetwarzania i propagacja aktywacji fonologicznej do innych obszarów mózgu. Jakie długości i amplitudy? Trudno znormalizować amplitudę?

46 ERP w różnym wieku Zrozumienie: szybki i wyraźny sygnał, szybkie zakończenie przetwarzania i propagacja aktywacji fonologicznej do innych obszarów mózgu. Jakie długości i amplitudy? Trudno znormalizować amplitudę?

47 ERP w różnym wieku Zrozumienie: szybki i wyraźny sygnał, szybkie zakończenie przetwarzania i propagacja aktywacji fonologicznej do innych obszarów mózgu.

48 Zmiany latencji Czas pojawienie się pierwszego załomka ujemnego N1 i dodatniego P2 skraca się z wiekiem ale są różnice dla osob o równych wynikach w testach VCIQ (verbal comprehension IQ). Różnice się powiększają, więc dokładność przewidywań zwiększa się z wiekiem.

49 Amplitudy Wyniki dla 3 elektrod, F4, C4, P4, dzieci z grupy ryzyka i kontrolnej różnią się średnimi amplitudami ERP, szczególnie P4 jest wyraźnie słabsze.

50 Amplitudy Wyniki dla 6 elektrod, F3 i F4, C3 i C4, P3 i 4, dzieci z grupy ryzyka i kontrolnej różnią się średnimi amplitudami ERP, szczególnie w prawej półkuli jest wyraźnie słabsza aktywacja.

51 6 miesięcy, reakcja na sylaby
Wyniki dla 6 elektrod, F3 i F4, C3 i C4, P3 i 4, dzieci z grupy ryzyka i kontrolnej różnią się średnimi amplitudami ERP, szczególnie w prawej półkuli jest wyraźnie słabsza aktywacja.

52 6 miesięcy, reakcja na sylaby
Reakcje na sylaby ba/ga/da w 3–5 dniu życia wykazują różnice u dzieci z grupy ryzyka i kontrolnej. Wyliczone stąd współczynniki służądo przewidywania problemów z czytaniem. Guttorm et al. (2005), Lyttinen et al. (2009).

53 Dyskryminacja słowo/nie
Dzieci w wieku 9-12 lat, w teście odróżniania czy słyszane słowo ma sens czy tylko jest podobne; silne P300 wskazuje na długi czas decyzji.

54 Słownictwo Matki mówiące więcej do swoich dzieci maja wielki wpływ na przyswajanie sobie nowych wyrazów.

55 Słownictwo Matki mówiące więcej do swoich dzieci maja wielki wpływ na przyswajanie sobie nowych wyrazów.

56 ERP and speech D.L. Molfese used auditory event-related potentials recorded at birth to speech and nonspeech syllables. Predictions based on ERPS: dyslexic, poor, or normal readers 8 years later (2nd grade), with 82% accuracy. => reading problems can be identified and possible interventions undertaken up to 9 years earlier than is currently possible. Can this be changed? ERP for high school students learning names for different countries as indicated after a 15 minute period how successful these students will be in learning to associate names with the outlines of different countries. ERPs allow for prediction when the material was mastered versus when students were only familiar with the material but had not yet mastered it.

57 The field ... So far mainly developmental psychology.
Alison Gopnik, Andrew Meltzoff, Patricia Kuhl (1999) The scientist in the crib: What early learning tells us about the mind. HarperCollins P.W. Jusczyk (1997) The discovery of spoken language. Cambridge, MA: MIT Press. De Boysson-Bardies B. (1999) How Language Comes to Children. MIT Press and many others ... Other relevant fields: neuroscience, genetics, behavioral psychology, learning sciences ...

58 Physical development

59 Techniques Preferential looking using Fantz looking chamber. which of the two stimuli is attended longer? The (dis)habituation method: popular strategy for measuring infant sensory and perceptual capabilities. HASP, High-Amplitude Sucking Paradigm: enables them to control their sensory environment to some degree. Speech/sound recognition and body movement detection, especially conditioned head-turn. Event-Related Potentials (ERPs) measure average change in the EEG brain wave patterns time-locked to the onset of stimuli. Other imagining techniques: difficult for infants, rarely used.

60 Infant communication Brain is capable of learning, but poor sensory analysis and motor coordination makes it difficult to communicate with infants. Some developmental psychologists recommend pre-natal stimulation: BabyPlus™ “enhanced heartbeat”, prenatal education system, playing music to babies in the womb. Claims: prenatally stimulated children exhibit advanced skills: longer attention spans, higher IQs and musical inclination. Playing tapes with foreign language lullabies and stories. All this is passive learning, much less effective than interactive learning in which the infant is actively engaged. Can one learn walking just by observation? Learning to perceive, speaking and drawing inferences should be active, guided by well-structured inputs and positive feedback.

61 What do they feel? Newborns distinguish various odors, like vinegar, alcohol … Show disgust when odors are unpleasant. May recognize their mothers by odor. Recognize smell of mother’s milk, choosing pads with this milk over others. Show different responses to basic tastes, preferring sweet and showing negative responses to other tastes. Tactile stimulation leads t changes in heart rate and behavior. Tactile exploration helps visual recognition (but not vv). Sensitivity of the senses quickly improves with age.

62 What do they hear? Hearing is well developed, although infants pay attention only to a bit louder sounds (50-70 dB). High-pitched feminine voices (motherese language) are especially interesting to infants, they can distinguish mothers voice. Infants discriminate phonemes from the beginning, by 2 month they can distinguish vowels. Strong evidence for critical periods in speech hearing development. Middle ear inflammation, or Otitis Media (OM), is the most common specifically treated childhood disease, prevalence 17-20% of Acute OM within the first 2 years of life. OM is a major cause of hearing loss, speech production problems, recurring infection linked to poor learning and social skills. From Intermodal perception (integration of sensory information) is in place already in 4-month old.

63 Sign language Linda Acredolo, Susan Goodwyn, Douglas Abrams, Baby Signs: How to Talk with Your Baby Before Your Baby Can Talk. McGraw-Hill (2002) Susan Goodwyn and Linda Acredolo, Baby Signs Complete Starter Kit: Everything You Need to Get Started Signing With Your Baby (2006) & many other books. Sign-language for communication with infants (US patent): using simple signs with babies to bridge the gap between understanding and speech development L. Acredelo (UC Davis) and S. Goldwyn (California State Univ): babies who are taught signs to express themselves before they can say speak are happier and more adept at speaking once they begin to acquire language. Infants can learn over 100 signs, ex: fingers to the lips for eat, fingers raised in a V for bunny, etc.

64 Speech perception facts
Speech perception is based on syllables, combinations of elementary phonemes; 2-month old recognize syllables. There are about 6800 languages, but only 800 phonemes. The ability to hear phonetic contrasts of all possible human languages is in-born, 6 month old are still good in any language. This ability declines sharply 10 month after birth, only the ability to distinguish contrast in languages that are spoken to the child is preserved – one of the earliest specializations. At 5 month children are able to categorize a vowel in a speaker-independent way. Learning many languages correlates positively with IQ Tonal languages, prevalent in Asia, are phonetically rich, but even ‘simple’ /ra/-/la/ contrast is impossible for Japanese, /vi/-/bi/ for Spanish, /s/-/th/ for most non-English native speakers.

65 Speech development Stages of speech development (perception and production) in the first year of life (from Kuhl et al 2007).

66 Phonemes Vowels spoken by 97 speakers, seen in the first 2 formants only. Mapping to the auditory cortex looks similar. /p/ - /b/ requires < 10 ms discrimination. Categorical perception means that what we hear jumps from a to e with no gradation in between. Try to hear Chinese ma – ma difference!

67 la-ra contrast Small step changes from la to ra syllables is made producing 15 sounds, from pure la to pure ra. The boundary is at 7, and comparison is made between sound pair (k,k+4); Americans show the peak across the boundary, Japanese make random guesses. Discrimination of non-native phonemes is perfect in 6-8 month group but vanishes between month. Try da-ga for yourself!

68 Phoneme discrimination
P. Kuhl et al (2005): is there a relation between speech perception and language development? Parental education, profession and income level were not related to either the infants’ early speech perception skills or later language abilities. Early phonetic learning alters perception and changes future learning abilities, but it has to be active! TV is not sufficient! The ability to discriminate two vowels in native-language at 6 months of age (measured by the head-turn conditioning task) predicts language outcomes in typically developing infants at 3 ages over the next 18 months. Correlation between early speech perception skills and later language abilities: better native-language discrimination at 7 months predicts accelerated later language abilities, whereas better nonnative-language discrimination predicts reduced language abilities. Theory (Kuhl): native language neural commitment (NLNC) or dedicated neural networks that code the patterns of native-language speech, enhances native-language learning.

69 Speech problems Up to 4 million primary and secondary school students in USA have difficulty distinguishing between phonemes, particularly between consonants like b, d and p; is it pee or bee, pun or bun? “Fast ForWord”® software by Scientific Learning helps to develop learning skills for 5-7 year olds, using acoustically modified speech; has been used by over children in the USA. In Poland: Centrum Audio-Psycho-Fonologii (not much in 2007). Private clinicians provide Fast ForWord training (>$2,500). It shows remarkable success with kids who suffer from central auditory processing disorder that leads to speech understanding problems and retards reading. Big market: Learning Company, the producer of Reader Rabbit, was acquired by Mattel for $3.5 billion. Can the hearing and speech problems be eliminated, improving perceptual and cognitive skills of babies at the same time? Poland – national program screening infant hearing (WOSP,2008).

70 Perfect Pitch Beethoven, Bach, Chopin, Handel, Mozart ... Haifetz, Solti, Toscanini, Menuhin ... all had perfect pitch. In a study of 600 musicians (Baharloo et al 1998) it was found: among those that started to learn music before 4 years 40%, started after 9 only 3% had absolute pitch. Greater asymmetry of planum temporale ~ perfect pitch. Estimation in western population: 1 in has perfect pitch. Programs to learn perfect pitch are not effective; some birds have it (Takeuchi & Hulse 1993). Mandarin & Vietnamese speakers display precise and stable form of absolute pitch in enunciating words (Deutsch et al 2004). The potential to acquire absolute pitch is universally present at birth; it can be realized by enabling the infant to associate pitches with verbal labels during the critical period for speech acquisition.

71 Motor development Duke University, NC, 2002: velcro-covered mittens help 2-3 month infants develop more quickly. Infants are no yet able to grasp objects, but velcro mittens help them to catch and then touch toys; this speeds up motor coordination and perceptual development. Babies who had experience with the mittens outperformed the babies who didn't in a number of ways. Long-term consequences of this procedure are still investigated. News shown by CNN and elsewhere: in this area it is easy to get a free press ... Lynn-Flynn effect: IQ grows everywhere in the world, 24 points in USA since 1918, 27 points in UK. Toys and nutrition help to develop better brains?

72 Temperament J. Kagan et al. developed a set of challenges for 4-mo-olds: highly stimulating sounds, sights, and smells presented in a set order. Some babies enjoy it, smiling and waving their arms, some babies fuss and cry. Tests at 2 months do not predict later temperament but at 4 months there are correlations: babies who react positively are more likely to become active toddlers, those avoiding stimulation (~20%) are more likely to be fearful and shy. => Negative reactivity to novel stimuli as infants may evolve into a shy, inhibited, anxious temperamental pattern by toddlerhood. Infants who remained continuously inhibited displayed right frontal EEG asymmetry as early as 9 months of age, while those who changed from inhibited to noninhibited did not. Group of infants selected at 4 months of age for patterns of behavior thought to predict temperamental exuberance displayed a high degree of continuity over time in these behaviors.

73 Abstract thinking G. Marcus et al, “Rule learning by seven-month-old infants”, Science 1999, Vol. 283, pp. 77 – 80. 7-month old babies habituated for 2 minutes with sentences like ga ti ga, li na li, of the ABA structure, recognize that wo fe wo has correct grammatical structure but wo wo fe does not. Intelligence: speed of thinking + working memory + density of neural connections reflected in ERP structure. Strong correlation of IQ between the ability to order two very short sounds, one with higher pitch (ex. J. Drescher, UMK Torun). Lynn-Flynn effect: IQ grows everywhere in the world, 24 points in USA since 1918, 27 points in UK. Toys and nutrition help to develop better brains?

74 What we are up to ... Experiments with infants are mostly passive, little interaction, infants had no control over their environment, no initiative. Permanent monitoring of babies in the crib: what can we learn? Challenging stimulation, perceptual problem solving, recording and analysis of infant’s responses – boosting natural learning processes by providing guidelines for perceptual and cognitive development. PerCog (Perception-Cognition) devices that actively respond to infant’s activity: toys and environments. Identifying developmental problems before they become serious, calling an expert help if needed. Preventing developmental problems by enhancing categorical perception through training and increasing working memory. Scientific, medical and practical impact. Key sensors: suction response, motion detectors, auditory and visual monitoring, simple visual and auditory stimulations.

75 Philips “Magic Mirror”
Some companies are going in this direction, making interactive toys, for example: “Magic Mirror” introduced in 2003 Records and replays baby’s voice, triggers first speech sounds and has mirror, pushing buttons produces some sounds, encourages experimentation. It is not aimed at enhancing specific perceptual skills.

76 US5893720 abstract Hannah R Cohen (US) 1999 patent:
A computer toy for infants that promotes normal speech development by facilitating the infant's experimentation with babbles and other elementary sounds. Additionally, the toy provides an enriched environment for language learning by prompting the infant with a repertoire of verbal sounds including phonemes, syllables, and simple spoken words. The toy includes a microphone input device for detecting vocalizations by an infant and an audiovisual output device for providing feedback to the infant including the immediate playback of the infant's own vocalizations, and a control means for transforming detected vocalizations into instructions for use by the audiovisual output device. Philips “Magic Mirror” is based on this principle.

77 Active stimulator of brain’s speech centers, especially infant and children
My old 1997 patent, granted in 2002: Active stimulator of brain’s speech centers, especially infant and children, with input device, analog-digital converter, memory containing phonemic patterns, comparator of phonemes received through inputs and retrieved from the memory, logical decision unit, digital-analog converter, and the output device for sound. The input device connects to the analog-digital converter, this converter is connected to one input of the comparator, another input of the comparator connects to the memory containing phonemic patterns, and the comparator’s output is connected to a logical decision unit; the output from this unit connects with the sound producing device through the digital-analog converter.

78 Total cognitive care Observe the baby and interpret his/her behavior by monitoring vocalization, sucking response, movements, GSR etc. Challenge the baby to solve perceptual/abstract problems. Use natural audio-visual-tactile stimulation. Reward behaviors that correlate with differences in stimuli. For example, if a series of sounds is played: “la la la la ra ra ra ra”, reaction to la-ra change shows that the baby has noticed an important phonetic contrast. PerCog devices for enhancement and therapy of perceptual and cognitive skills use intelligent AI control to model what the baby has already learned, what and how often should be presented, observing, diagnosing, correcting and teaching infants. Hypothesis: active learning should gently pressure baby’s brain to develop perceptual/cognitive skills in the desired direction.

79 Toys for speech development
Goal: enhance phonematic hearing. Prepare a database of phonemes and syllables, present pairs that are similar, and if the infant notices phonetic contrasts, apply positive stimulation. Start with basic contrasts, end with subtle. The infant is not able to repeat speech sounds: changes in the larynx, highly sophisticated control over vocal cords, are slower than neural development. Hypothesis: 1) Early (~10 month) specialization in correct discrimination of mother tongue phonetic contrast may be eliminated, giving the baby ability to learn any language she/he chooses. 2) Sharper discrimination between basic phonemes should prevent some hearing and speech problems.

80 Toys for musical ear Goal: enhance musical hearing, develop perfect pitch. Only one person in has perfect pitch; adult professional musicians try to learn it but it is very hard. Prepare a database of musical sounds of different instruments at different pitch, present pairs of sound samples with few seconds of silence in between, reward for signaling that sounds were of the same pitch although tones may differ. Start with pure frequencies, move to more complex sounds and chords composed of several sounds. Hypothesis: memory for absolute sound pitch should develop, increasing the ability to hear subtle musical structures.

81 Toys for autistic children
Example - LINKX: a language toy for autistic toddlers. Such children have an excellent memory but also have problems with learning meaning of words, they need a lot of repetitions, feedback, and rewards. LINKX is based on pictograms with sound added to it, called speech-o-grams; objects are labeled with patterns that produce sounds (recorded by parents) after touching them with blocks. Linking blocks to a speech-o-grams plays sound and produces color light; children repeat it over and over. More toys for children wit various disabilities are needed. Crib with connection to a speaking mother and sound correction that filters various aspects of mother’s voice (Kulesza, ETI Gdansk).

82 Toys for abstract thinking
Goal: enhance the ability to think! Infants habituated for 2 minutes with sentences like ga ti ga, li na li, of the ABA structure, recognize that wo fe wo has correct grammatical structure but wo wo fe does not. G. Marcus et al, “Rule learning by seven-month-old infants”, Science 1999, Vol. 283, pp. 77 – 80. Challenge the infant using sounds and color lights with structures of increasing complexity, reward for noticing differences. Hypothesis: solving problems of this kind has strong influence on development of the cortex, in particular frontal and temporal areas, and should increase working memory span, that correlates well with general IQ.

83 More PerCog devices Goal: enhance perceptual discrimination in all modalities, improve categorical perception, increase working memory span, long-term perceptual memory, encourage abstractions and faster reactions. Responses to stimuli, behavioral interaction patterns should allow for early diagnosis of developmental problems.

84 Imagine ... A world in which people could communicate without problems and even adults learn languages easily. A world in which developmental abnormalities related to speech and reading would largely vanish. A world much more rich in subtle sensory experiences. A world in which the potential of each child would always fully develop, and natural curiosity will grow ... We just have to start quite early, adding structure to the development of the brain – in a natural, effortless way. This is possible with PerCog devices, such as cognitive toys! Guess what is the market for such devices?

85 Brave new world? New generation of children may grow up to be:
much more intelligent than we are think much faster than we do be much more musical be largely free of speech and hearing problems be able to learn any language without accent see and hear things we can hardly notice Is this possible? Only research can tell.

86 So far Polish patent application was restricted to phoneme perception, the present proposal is much wider and differs in important aspects. We have made some research assuming that the main feedback from the infant will be via vocalization: phonemes from 28 languages have been collected, software to present them, recognize change from silence/speech and vowel/consonant change in baby’s vocalization has been used; this is done by microphone and speaker connected to PC sound card. Sucking (HAS), head turning preference, visual fixation and other procedures used by psychologists for infants < 6 month are better. Some work on hardware implementation has been done, but it still requires a PC to analyze the data; hardware working prototype due to technical problems.

87 Roadmap First personalized medicine device, not related to molecular level: adapts to the individual needs/abilities. Patent application: “Devices for enhancement and therapy of perceptual and cognitive skills of infants and children” for all kinds of PerCog devices and total cognitive care of infants, forthcoming. Ready for more R&D and quick commercialization of speech devices in the Far East, and prevention/diagnosis/treatment of speech/reading problems in the rest of the world. Construction of PerCog devices in form of electronic toys or crib environments, initially with a modest number of phonemes covering basic phonetic contrasts, is not difficult. Computer games for babies and children may be created using the same principle. Creating infant development lab in the ICNT at UMK.

88 KizdGrow (Singapore)

89 Research opportunities
We need an interdisciplinary group including experts in developmental psychology, phonetics, neurolinguistics, speech/hearing/language pathologist, education experts, signal processing, electronics (sensors + IC), toy design, software development, data mining ... Creation of larger phonetic databases: most important phonetic contrasts for major languages, syllables and words which are hard to distinguish, like van/ban, thick/sick, extending it to cover subtle differences, and finally full spectrum of speech sounds. Improvement of the feedback recognition systems: wireless sucking monitoring devices, analysis of infant babbling for sounds that infants may use for signaling, observation of movements. Follow-up studies to investigate the effect of using cognitive speech toys on phonetic contrast perception (a few month), language learning (long-term studies), reduction of speech and reading abnormalities (long-term), general intelligence (abstract challenges).