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제2언어습득에 결정적 시기가 있는지에 대한 논란은 언어습득 연구가 시작된 이래 서로 상반된 연구 결과가 발표되면서 논란은 아직도 지속되고 있다. 뇌과학 연구에서 ‘뇌의 시대’로 일컬어지는 1990년대 이후로는 결정적 시기 문제를 신경생리학자들이 연구하기 시작하였다. 이에 대한 연구로 가장 많은 주목을 받은 연구는 Kim외 3인의 연구이다. 이들은 뇌영상술을 이용하여 이중언어 화자의 뇌를 촬영하였는데, 제2언어를 배운 시기에 따라 뇌의 활성화되는 부분이 다르다는 연구결과를 발표하였다. 연구자들은 이중언어를 구사하는 12명의 피험자들(영어-불어, 한국어-영어, 일본어-영어, 스페인어-영어, 영어-독일어 등)을 대상으로 어제 아침에 또는 저녁에 일어난 일에 대하여 두 가지의 언어로 묘사하도록 하였다. 이때 뇌에 컴퓨터 장치를 연결하고 뇌의 어느 부분이 활성화되는지를 관찰하였다. 그 결과, 두 가지 언어를 묘사할 때 모두 Broca영역이 활성화되었는데, Broca영역 중 움직이는 부위가 언어를 배운 시기에 따라 다르게 나타났다.
제2언어 습득 중요시기는 상반된 연구 결과가 있다. 90년대 이후 Kim외 3인 연구에 따르면 제2언어 학습시기에 따라 뇌 활성화 부분이 다르다. 이중언어 구사자의 뇌를 관찰하니 Broca영역은 이중언어 사용시 활성화되고 그중 작동 부위는 언어 학습 시기에 따라 달랐다.