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珠心算训练开发儿童智能的脑机制研究结题报告
来源:中国珠算心算协会 作者:李秀艳 编辑:秘书处 时间:2022-07-10

摘要目的  探讨珠心算训练开发儿童智能的脑机制。方法  用横向配伍和纵向配对设计方案,分别对珠心算训练组和未训练组学龄儿童进行瑞文推理智力测验、基本认知能力测验;并采用ERP(事件相关电位)、FMRI(功能性磁共振成像)、ET(脑电超慢涨落图)技术,测定两组儿童心算过程中大脑神经元激活的部位、区域范围大小和激活时间的先后,分析脑内神经化学物质的变化。采用多因素重复测量的方差分析和t检验等方法进行统计学处理。  结果 (1)训练组儿童智商明显高于未训练组(P﹤0.01);(2)训练组儿童数物感知觉主要激活枕叶,未训练组主要激活额叶;(3)两组被试心算过程在350ms-950ms时程内涉及的脑区基本上相同,主要集中在额区、中央区、顶区,但训练组的正慢电位出现早,且波幅变化明显;(4)随着运算难度增加,与简单运算相比,部分原有激活脑区的范围和强度增大,而且出现新的特定脑区的激活;(5)心算过程中脑涨落图显示多个神经递质系统参与了珠心算运算过程,这些活动呈现抑制递质系统激活大于兴奋递质系统激活的模式,并呈现一定的空间分布特征。(6)两组儿童小脑半球都有激活。结论  珠心算训练能促进儿童基本认知能力和智力的发展;珠心算训练使儿童对信息加工的启动激活强度大,而且后期消耗脑资源少;珠心算训练儿童对信息加工使用语言和视觉空间加工策略,且随着训练时间延长,儿童更倾向于采用语言和视觉空间综合策略,未训练儿童多使用语言加工策略;在计算中各个脑区相互配合共同完成复杂的数学认知加工任务,小脑参与了心算认知加工活动,儿童大脑功能具有很强的可塑性和更大的可开发空间。

关键词:珠心算训练;儿童智力;基本认知能力;ERP;FMRI;脑电超慢涨落图;

脑机制

引 言

自20世纪90年代以来,脑科学在人类社会进步中正在起着越来越重要的作用,也受到越来越广泛的重视。从美国 “脑的10年”,到日本“脑科学时代计划”,无一不显示出脑与认知科学在国际生命科学研究领域中的重要地位。在我国,脑与认知科学的研究也受到了应有的重视。杨雄里院士主持的“脑功能和脑重大疾病的基础研究”(1999-2004)、郭爱克院士主持的“脑发育和可塑性的基础研究”(2000-2005)等重大课题均取得了重大进展。进入21世纪以来国内外更多关注儿童数字认知能力、言语及阅读能力的研究,日本、新西兰等国家对珠心算的脑潜能开发研究都取得了初步结果。浙江大学唐孝威院士的“珠心算训练对儿童脑的可塑性的影响”也取得了可喜的进展。2003 年中国珠算协会用了多半年时间,对珠心算教育作了较大范围的系统调查,撰写了《关于珠心算教育具有开发儿童少年智力潜能作用的调查报告》。中国珠算协会会长迟海滨十分重视珠心算训练开发儿童的智力潜能,2004年1月,他在珠心算教学结合理论研讨会上的讲话中指出,“珠算的功能由计算功能、教具功能进而发展为兼有开发儿童少年智力潜能的功能,珠心算的功能有了质的重大发展”。

珠心算(mental abacus calculation)是珠算式心算的简称,是一种特殊的心算策略,它以珠算为基础,通过实际拨珠训练,到模拟拨珠训练,再过渡到映像拨珠,最终在脑中形成珠像运动。这种计算技能从依靠算珠到脱离算珠,通过视觉、听觉、触觉把抽象的数码变成直观的珠映像,并在脑子里完成计算过程,形象地说就是在脑子里打算盘。

Hishitani等人通过珠心算新手与能手的对比研究发现,珠心算能手可以瞬间把数字转化为心理算盘,而新手只能通过言语解码,前者是以平行加工为主,后者则以系列加工为主。未经珠心算训练的儿童在数学心算过程中,从数字感知到运用一定的心算策略对输入的数字进行加工,再到结果输出,一般都以系列方式进行;经珠心算训练的儿童心算时,在数字感知的同时就能瞬间把数字串转换为心理算盘,通过对心理算盘的“拨珠”得出结果,再转换为数字输出,整个计算过程中,信息大多以平行方式进行加工。两者从数字感知到工作记忆中心算策略的运用,其信息加工方式都存在很大差异。本研究发现,珠心算训练儿童的心算效率明显高于非珠心训练儿童,在记忆方面,珠心算儿童的数字工作记忆广度显著大于非珠心算儿童,ERP研究结果显示,珠心算儿童与非珠心算儿童在感知数字时,枕区和颞区的ERP波幅存在显著差异。眼动研究认为珠心算训练可以使儿童将感知到的数字迅速表征为“珠象”进行运算,其图像表征能力远远高于非珠心算儿童。

20世纪八十年代以前, 人们对心算脑功能定位的研究除了行为测验之外主要通过脑电图实验进行,由于脑电图空间定位不精确,因而无法进行精确的脑机能定位。近年来正电子发射断层成像(PET)、事件相关电位(ERP)和功能性磁共振成像(fMRI)等技术的发展为研究心算认知能力的脑功能定位提供了有效的手段。PET研究发现数字系列心算活动时左前额和顶下右叶激活。fMRI研究发现心算活动时,左前额皮层外侧区和两侧顶部皮层被激活。而我国刘电芝采用ERP技术对8~9岁的小学生进行简单和较复杂心算测验时发现,无论简单还是非简单的心算主要激活两侧脑内侧区,而且右脑波幅明显大于左脑。而王东等人的研究发现珠心算训练组的儿童在加法心算过程中,激活的脑区主要包括额区、中央区和顶区,未发现左右脑区波幅的显著差异。

综上所述, 目前关于珠心算脑机制与大脑功能定位问题的研究刚刚起步,且由于珠心算在活体脑的研究受到极大的限制,因而儿童珠心算这种特殊的心算加工策略能否开发脑功能?数字在脑中是如何组织加工的?珠心算训练时间长短对儿童智力发展有何影响?它的基本认知加工过程和功能定位与未训练者有何不同?复杂的珠心算与简单的心算对儿童的认知能力有何影响?珠心算训练方式是否会对儿童的其它认知能力产生影响、珠心算训练与普通儿童在神经代谢物方面有何差异等问题未能获得突破性进展。对此,本项目采用认知心理学(基本认知能力测定、智力测定)、神经电生理学(ET、ERP)、功能性磁共振成像(fMRI)等多学科先进技术手段 ,对珠心算训练开发儿童智能的脑机制进行了深入研究。

材料与方法

1.瑞文推理智力测验

1.1 被试  

1.1.1 从潍坊市某小学随机抽取10-11岁的小学生80名:采用横向配五组设计,训练组40名,练习珠心算时间均在四年以上;未训练组40名,与训练组系同一个年级,但未经珠心算训练。两组儿童平均年龄为10.5岁,男女各半。

1.1.2 将刚入学的1年级小学生40名采用纵向配对设计分为两组,每组20名,男女各半,平均年龄为7.2岁。1组为珠心算训练组,1组为未训练组。分别在训练组训练1年后、三年后将2组分别进行瑞文推理智力测验。

以上学生的家庭背景、教育背景和在班里的成绩无显著差异(P﹥0.05),皆为首次参加实验,全部为右利手;视力或矫正视力均在1.0以上,所有被试均排除精神障碍和脑及全身器质性疾病变。

1.2 研究方法

用上海惠诚测试系统中瑞文标准推理软件包,该软件量表共由60题组成,分5组,每组12题,A组主要测知觉辨别力、图形比较、图形想象等能力;B组主要测类同、比较、图形组合等能力;C组主要测比较、推理、图形组合等能力;D组主要测系列关系、图形套合;E组主要测套合、互换等抽象推理能力。由受过训练的心理学工作者对被试进行单个测验,记录被试在测验中的反应情况和测试结果,并用SPSS10.0统计软件对数据进行统计分析。

2.基本认知能力测验

对以上儿童采用中国科学院心理研究所李德明设计和编制的《基本认知能力测验》(2.0版,即2005年4月版本)软件,该软件量表包括数字拷贝、汉字比较、心算、汉字旋转、数字工作记忆、双字词再认和无意义图形再认7项分测验,分别测验知觉速度、心算效率、空间表象效率、工作记忆和记忆再认五个方面的认知能力。由受过训练的心理学工作者对被试进行单个测验,测验时采用双盲记录被试反应情况和结果,并用SPSS10.0统计软件对数据进行独立样本统计分析。

3.ERP实验

3.1 被试

对以上参加瑞文智力测验和基本认知能力测验的儿童进行ERP实验,所有被试均排除精神障碍和脑及全身器质性疾病变。

3.2  实验仪器

实验仪器采用美国生产的NeuroScan ERP工作站。EEG记录部位为国际10-20导联系统,用标准化32导电极帽记录脑电。滤波带通为0.05~40HZ,采样率为1000HZ/导,头皮电阻小于5千欧。参考电极置于左右乳突,前额发际下1厘米接地,电极安装完毕后,被试坐在靠背椅上,双手拿反应键盒,面对显示器屏,视距为80cm。实验开始时,要求被试注视屏中央注视点(白色十字)。同时记录水平眼电和垂直眼电。

3.3 刺激程序

用stim2编写刺激程序,编制数物、加、减、乘、除算式和答案几部分组成,算式分别为单位数、多位数的加、减法、乘、除法,结果均为两位数。共120道题,其中答案与算式一致和不一致的题目各60道。将120道题分为6小组,每组20道题,其中答案正确和错误的各一半,实验时随机呈现。

实验开始时,首先在屏幕中央出现简短的实验指导语,被试阅读完毕后,按键开始呈现刺激项目,心算图片的呈现顺序是首先呈现一个星号(*),再呈现算式刺激(以减法算式和答案为例(见图3.1)。


时间 (duration)为1000ms,刺激间隔(inter-trial internal, ITI)为2500ms;然后呈现算式,duration为2000ms,ITI为2500ms;然后呈现答案,duration为800ms,反应窗口(Window)为1500ms,ITI为2500ms。星号呈现的目的是提醒被试算式即将呈现,使其集中精力心算。星号、算式和答案组成一个刺激序列,120个刺激序列随机呈现。被试的任务是当算式呈现时尽快的进行心算,当答案呈现时,要求被试进行判断,即呈现的答案与其心算的答案是否一致,一致按键盒上的1号键,不一致按2号键。在实验开始前给予10个心算的练习,以熟悉实验程序。刺激由一台15英寸计算机显示器呈现,背景为黑色,数字或圆圈为白色。被试坐在靠背椅上,面对显示器屏,视距为80cm。开始实验,要求被试注视屏中央注视点(白色星号),当刺激呈现时集中注意力观察呈现的图片。


3.3  脑电信号采集设备及采集参数原理

采用美国NeuroScan公司(NeuroScan,Inc.,Herndon,VA,USA)生产的64导脑电记录系统。按照国际标准10-20系统按放电极,采用29个Ag-AgCl电极记录(见图2),参考电极置于双侧乳突连线,同时记录垂直眼电(VEOG)与水平眼电(HEOG),VEOG电极分别置于左眼眶上和眶下正中,HEOG置于左右外眦外侧。头皮电阻降到5kΩ以下,滤波带宽为0.05-40Hz,连续采样,采样频率(A/D Rate)为1000Hz。



3.4  实验过程

确保被试实验前一周内没有患躯体和心理疾病,未用任何药物;实验前一天的晚上将头洗干净,保证充足睡眠,避免疲劳;实验当时不要过饱或饥饿。

实验在隔音,安静,温度恒定(20ºC左右)、微暗宽敞的房间内进行,主试间和被试间相互分开,实验室具有良好的通风。

实验前讲解ERP的记录,并说明导电膏的无毒、无害、水溶性好、极易清洗,以消除被试的精神紧张、焦虑情绪;向被试交待实验操作的内容,详细讲解指导语,使其能够积极配合实验。刺激材料使用十五吋纯平显示器显示;背景为黑色,数字为白色。实验时,被试坐在带有靠背的椅子上,告知被试心算过程中尽量保持头不动,眼睛注视屏幕中央,提醒被试实验时要放松、少动,尽量少眨眼。被试离屏幕80厘米,水平视角(3.6º),垂直视角(2.5º)。当刺激材料呈现时,同时记录连续的脑电信号和行为数据。

3.5  数据分析和统计

首先分别对两类被试反应正确的所诱发的脑电信号叠加平均处理,排除眨眼、眼动、肌电等伪迹干扰。对ERP结果用30Hz的低通零相位滤波。EEG的分析窗口为-100~300ms,用-100~0作为基线进行矫正。采用波峰振幅和波峰潜伏期的测量方法,选取颞枕区(P7/P8),枕区(O1,OZ,O2)和额中央区(FZ,FCZ,CZ)几个电极点作为分析部位测量。在枕区P1的分析时间窗口为50~150ms,N170的分析时间窗口为140~220ms,额部N1为75~150ms,P2为180~270ms,用SPSS统计软件对上述各段波幅、潜伏期分别进行2×3因素的重复测验方差分析,组间因素为被试类型(两个水平:珠心算训练儿童和非珠心算训练儿童)、组内因素为电极位置(三个水平对枕区P100,两个水平对颞枕区N170,三个水平对额中央区N1、P2)。用Greenhouse-Geisser法校正P值。

统计分析:用SPSS统计软件对上述各段波幅、潜伏期分别进行重复测量的3因素方差分析,被试间因素为被试类型(两个水平:珠心算训练儿童和非珠心算训练儿童),被试内因素为刺激类型(两个水平:数字、圆圈)和电极位置(后部P1:三个水平;N170:两个水平;前部N1、P2:三个水平)。用Greenhouse-Geisser法校正P值。

4.FMRI实验

4.1 被试者的选择

对以上参加瑞文智力测验和基本认知能力能力测验及ERP实验的儿童,在学校的协调下征得被试儿童本人及其监护人的同意,在详细说明本实验的目的、流程后,本着自愿的原则,不同意的剔除,与被试儿童监护人签订被试同意书,并建立相关的通讯联系进行试验。

4.1.1 根据是否接受过珠心算训练将24名分为训练组和未训练组进行对照实验,训练组12名为接受过3年以上珠心算训练的儿童,男4人,女8人;未训练组12名为没有接受过珠心算训练的儿童,男6人,女6人。

4.1.2  按照接受训练的时间将24名分为初级组和高级组进行对照实验,每组12名,男女各半。初级组为接受过珠心算训练1年的儿童;高级组为接受过珠心算训练4年的儿童。筛选要求同上。

4.1.3  筛选12名珠心算训练满3年的学龄儿童进行难度运算,要求在年龄、家庭背景、教育背景及学习成绩等方面无明显差异。

4.2  实验范式

实验采用组块设计(block design),分为静息组块、任务组块和控制组块三部分。具体过程见示意图4.1:


4.2.1  静息组块

静息组块为注视屏幕中央的白色“+”,每隔800ms呈现一次,呈现时间1200ms,每个组块10次。

4.2.2  任务组块

4.2.2.1  四则运算

加/减运算:两个两位数相加/减,间隔200ms呈现答案,答案呈现时间为800ms,反应窗口期为2000ms。每个组块中加、减法各15道题,循环3次,共45道题;

乘/除法运算:算式呈现时间为2000ms,间隔1000ms后呈现答案,答案呈现时间为800ms,反应窗口期为2000ms。每个组块中乘、除法各12道题,循环3次,共36道题。

4.2.2.2难度运算  

包括三组不同难度:两位数两笔、两位数三笔、四位数三笔的连续加法运算任务,分别简称难度1、难度2、难度3。

所有实验刺激内容为黑色1号宋体字,位于白色屏幕的中央。实验过程中依次呈现算式及答案,具体呈现顺序见图2:


要求被试者迅速心算给出的算式,然后将所得到的结果与所给答案比较,呈现的答案对错各半。通过手按反应盒按键输出反应结果,认为正确时按左键,认为错误时按右键,并用电脑记录输出的结果(行为数据)用以评价其完成任务的效果。

为了避免顺序效应,在正式实验中对不同运算的顺序随机调换,最后进行数字对照实验。

4.2.3  控制组块

设计控制组块的目的是人为设置视觉输入及手动输出任务,以便在后处理中排除视觉及手动刺激的干扰,得到任务相关的脑激活区。

控制组块的内容为数字对照实验,随机显示数字(3-8)或由3-8个圆圈组成的图片,呈现时间为1000ms,1000ms后呈现下一组数字或图片,共45组。如图3:


被试者进行判断,并按键输出。看到数字按左键,看到物体按右键。

各组块的实验内容采用美国NeuroScan公司的stim2软件进行编写,用同一台电脑控制实验进程并同步记录被试的行为学数据(反应时间及正确与否)。

4.3  成像设备及成像参数

本实验采用Siemens公司Trio 3.0T磁共振扫描仪及头部正交线圈。对所有被试进行BOLD-fMRI扫描和高分辨T1WI(T1-weighted imaging)扫描。


4.4 实验过程

所有被试在进行正式实验前均经过事件相关脑电位(event-related potentials, ERP)测试,其实验性质、难度相近,但算式内容不同,以确保被试者能够充分理解实验内容和过程,保证实验顺利完成。


实验过程中,若被试者感到身体不适,可挤压求助气囊,实验将自动停止,可考虑重新摆位、扫描。

4.5  数据处理及统计分析

4.5.1  行为数据分析

在进行图像处理分析之前,首先采用SPSS11.5 for windows软件对实验过程中记录下来的所有被试的行为数据(反应时和正确率)进行常规统计学处理。另因实验前叮嘱被试尽力计算所有题目,不用在意正确与否,并且本实验内容对于未训练组的儿童来说难度较大,故暂不考虑其正确率对本实验的影响。

4.5.2  fMRI数据预处理

4. 5. 2.1  分析软件

采用目前国际上应用最广泛的fMRI数据处理软件—SPM (statistics parameter mapping),该软件是由英国的K.J.Friston等人在通用数学软件包Matlab上开发的软件系统。

4. 5. 2.2 处理步骤

将DICOM格式的fMRI原始数据传输至GE高级工作站(Advantage Workstation 4.2),采用SPM 2软件在Matlab6.5平台上进行数据处理分析。

(1) 图像预处理

①头动校正

②空间标准化

由于被试间脑结构存在差异,在对不同被试采用同一种成像方法得到的图像进行空间统一时,就需要把它们统一化到标准脑上。将对齐后的图像与蒙特利尔(Montreal neurological institute, MNI)模版进行空间标准化,再采用正割内插法以2mm层厚进行重建。

③空间平滑

(2) 统计模型的建立及估计

(3) 统计分析

4. 5. 2.3结果显示

SPM可以通过多种形式输出结果,既可以通过二维平面图像和三维立体图像显示激活脑区的位置,还可以输出激活脑区的中心坐标及相关的参数值。

4. 5. 2.4坐标转换、脑区定位

由于MNI模板不同于Talairach模板[8],故需要使用相应的转换公式对得到的SPM坐标进行转换[9, 10],即将MNI坐标转换成Talairach坐标,这种转换是通过非线性变换实现的[11]。

具体转化公式如下:(X,Y,Z和X′,Y′,Z′分别表示体素在MNI和Talairach上的坐标)


记录各实验组不同运算任务对应的脑激活区的中心坐标,按照上述公式进行转换,然后参照Talairach坐标化的大脑解剖图谱和有经验的神经影像学医师的意见确定其解剖位置。

5.脑电超慢涨落图(ET)实验

5.1  被试

选取上述潍坊市某小学珠心算练习组和未练习组60名7~11岁小学生作为被试,其中男28人,女32人,平均年龄 8.5岁,无脑部及其他可能影响脑电活动的疾病.

5.2 脑电记录  

采用北京华阳技术公司的脑电超慢涨落分析仪,按国际10-20系统安置电极,选用F3,F4,C3,C4,P3,P4,O1,O2,F7,F8,T5,T6共 12导联进行单极引导,以双耳连线为参考电极,前额正中接地保护,记录被试在各测试状态下的脑电信号,时间为 18min。

5.3  信息输入  

用计算机向被试呈现刺激材料,刺激分为两类:单位数的加减法运算(如:4+7)共90题;双位数的加减法运算(如:12+5)共60题。算式所呈现的时间为1000ms,答案呈现的时间为500ms,算式与答案之间间隔500ms。

5.4  实验程序  

要求被试端坐计算机前,距计算机屏幕约50cm,佩戴电极后休息5min,之后开始正式实验,进行 18min的ET测试。被试在计算机上完成信息加工测验,按鼠标判定对错。完成一项任务后,休息 5min,再继续完成第 2项任务。

5.5 数据管理与分析

将脑电超慢涨落分析仪自动采集的ET测试数据用SPSS10.0 For Windows统计软件进行统计分析。

实 验 结 果

1.珠心算训练对儿童智力和基本认知能力的影响

1.1 珠心算训练对儿童智力的影响

1.1.1 横向研究珠心算练习组的智商明显高于未练习组(珠心算平均训练时间3.5年),并且珠心算练习者对图片的比较组合能力强。提示珠心算练习能够促进儿童智能发展(表1)。


纵向研究一年级两组被试,珠心算练习前心算正确率和反应时无统计差异,珠心算训练3年后,自身智力比较并与未训练组配对比较,珠心算练习主效应和成长主效应均P<0.05(见表2、3)。


1.2  珠心算训练对儿童基本认知能力的影响

采用中科院李德明教授编制的基本认知能力测验量表,由受过训练的专业人员进行测定(珠心算平均训练时间为3.5 年)。

1.2.1 横向研究珠心算练习组的心算效率和反应时显著高于未练习组(p<0.001),在工作记忆广度和无意义图形再认方面与未练习组也有明显差异(p<0.05)。珠心算练习对图形的加工有影响:可促进儿童对图形的记忆、分类、推理、识别能力的提高(见表4)。


1.2.2  纵向研究珠心算练习组(珠心算训练3年后)各项认知能力自身比较并与未训练组配对比较,显示:成长主效应和珠心算练习主效应均P<0.05(表5-8)。


2.珠心算训练对儿童数物感知觉的影响

2.1  两组儿童对数字刺激诱发的ERP早成分P1、N170和P2波幅比较:

2.1.1  两组儿童对数字刺激诱发的ERP早成分P1 比较 (图2.1-2.2)


2.2  两组儿童对物体刺激诱发的ERP早成分P1、N170和N2波幅比较

2.2.1  两组儿童对物体刺激诱发的ERP早成分P1、N170 比较(图2.3)


2.2.2  两组儿童对物体刺激诱发的ERP早成分P2比较(图2.4)


2.3  两组儿童数、物感知激活的脑区时间先后与脑区定位

根据测量的ERP波幅(Amplitude);潜伏期(Latency);波峰间期(Inter-Peak Latency);波幅比值和峰间期比值 (Ratio);波面积 (Area under Curve)得出如下诱发电位地形图。

2.3.1  珠心算训练组与未训练组数字诱发的ERP地形图(图2.5)


图2.6  数字感知:非珠心算儿童分别在60;90;130ms激活的脑区

2.3.2两组儿童物体诱发的ERP地形图


3.两组儿童心算过程主要激活的脑区比较

根据ERP、PMRI和ET的定量化提取参数,采用时间空间融合的方法,得出如下结果:

3..1 训练组:加、减、乘、除法心算实验共同激活的脑区:双侧枕叶(双侧楔叶)、左侧顶叶(左侧顶下小叶、左侧楔前叶、左侧中央后回)及双侧小脑半球激活,尤以双侧楔叶激活明显。

3..2 未训练组:未训练组各种心算共同激活的脑区:①双侧额中回;②左侧顶上小叶;③左侧顶下小叶;④双侧舌回;⑤左侧梭状回;⑥左侧额下回。









4.两组儿童心算过程ERP波幅最大值出现时间顺序比较

4.1  两组被试左右脑区横向比较





5.珠心算训练儿童心算过程脑电功率及神经化学物质的变化

5.1 未训练组儿童安静与心算时各S谱系出现频次变化不大(P>0.05);训练组儿童S4、S6、S7、S11、S13谱线出现频次明显增多(P<0.01)。心算时训练组儿童S4和S13谱线明显增多(P<0.01)。

5.2 训练组儿童心算时,前脑区S4、S13系明显增强(P<0.05),后脑区S4、S11、S13活动趋势明显加强(P<0.05);左侧脑区S4、S13变化明显(P<0.05),右侧脑区S5减弱、S13升高,有显著意义(P<0.05)。

5.3  训练组儿童心算时,S1谱P3、C3、 P4、C4、O1、O2区降低较明显,呈现双侧对称性前脑和枕区减弱;S2谱系F4、C4、P3、O1区降低较明显,S3谱系F4、P4、F7、P5区降低明显;S4谱系C4、T6区升高,其余脑区均降低,后脑区(P3、P4、T5、T6、O1、O2)升高,呈后脑优势;S11谱系后脑区和左颞区升高;S13除O2区外,各脑区均降低。5.4 未练珠心算儿童心算时除F3、F7、F8、P4、T6区平均功率值无明显变化 (P>0.05);而练珠心算儿童心算时F3、T6脑区平均功率值明显降低,并具有显著性差异(P<0.05)。珠心算训练儿童与未经珠心算训练儿童心算时与心算前比较,S3、S5、S6、S7、S11频谱活动趋势均有增强;珠心算训练组S4、S6、S7、S11、 S13频谱活动增强明显(P<0.05);

讨  论

珠心算是一种利用大脑形象思维完成心算任务的活动。目前珠心算教育已经在国内外许多国家和地区得到推广。珠心算训练不但能够增强儿童的计算能力,还有助于学生发展注意力、观察力和记忆力等智力品质。那么,珠心算训练提高儿童各项能力的脑机制是什么?与普通心算比较,珠心算过程激活了那些脑区?对脑的可塑性有哪些影响?脑区的开发对儿童智力潜能有哪些影响?本研究针对以上问题,采用瑞文推理智力测验、基本认知测验、ERP技术、脑功能成像和脑涨落图技术对珠心算开发儿童智能的脑机制进行了系列研究。

1、珠心算训练提高基本认知能力和智力的机制

人类在特定的刺激作出特定的动作或反应时,在大脑内有一个信息加工的过程,又称心理潜伏期,在复杂任务中心理潜伏期可划分为刺激识别阶段、选择反应阶段、反应组织阶段和反应执行阶段,通过对选择反应时和反应过程的分析,可推测其内在信息加工过程。

本研究表明,珠心算训练组反应时和心算效率明显高于未练习的学生;珠心算练习者的智商、对图片的比较组合能力、工作记忆广度和无意义图形的再认能力都明显高于未练习者。同时本实验还表明,学生的心算效率、智力既受成长因素的影响,也受练习珠心算的影响,但二者都是独立影响因素,不存在交互影响,即珠心算训练儿童心算效率和智力的提高,除成长的促进因素外,珠心算训练本身也提高了儿童心算效率等基本认知能力和智力的发展。

珠心算训练提高儿童基本认知能力和智力的机制非常复杂。就数字加工运算而言,反应速度加快和心算效率的提高可能涉及多个环节,如提高数字的感知和识别能力、选择反应能力等。在实验中发现,珠心算训练儿童对数字物体、算式视觉刺激的感知、辨别敏感性增强,使儿童对数物(特别是数字)和加法算式认知加工在较早的阶段开始,提高了儿童对数字和物体的早期感知能力,而且这种影响经过珠心算训练一年就能表现出来,随着训练时间的增长,影响的作用逐渐增大,从而对提高儿童基本认知能力和智力起到一定的促进作用。

Ashcraft和Battaglia的提取理论也许能略加解释心算效率的提高,该理论假定(1)算术知识以一定的联结强度有组织地储存于长时记忆网络中;(2)算术答案是从长时记忆中提取的;(3)由于网络各节点以一定的强度储存,因此提取的速度和正确率多取决于问题在记忆结构中表征的强度,而不完全是问题本身的数字特点,因此,可认为简单的数学运算对珠心算训练者来说是答案提取的过程。

研究者认为,在珠心算练习过程,从表面上看,输入的是符号,输出的也是符号,但珠心算训练远非简单的数学运算那么简单,这一过程其实是通过口、眼、耳、手等感觉运动器官协调,训练学生观察、注意、记忆和思维活动的综合过程。在训练中注意力高度集中,仔细辨别珠数,迅速操作,大脑反应清晰快捷,能在瞬间产生清晰的算珠图像,表现在本研究结果是与注意等认知活动有关的ERP早成分P1、 N1波幅增大,N170、P2波幅减小,提示珠心算训练对儿童心算的早期感知与注意提高有一定促进作用,对数字的感觉辨别敏感性增强,对数字的认知加工更容易被激活。P300的平均波幅大,提示珠心算训练时间越长,儿童的主动记忆能力就越强。负慢电位的出现显示心算结束后出现的电活动,是对答案的记忆过程,或者是对答案出现的心理期待。这些结果说明,珠心算过程增强了多个信息加工阶段和环节,机制比较复杂,但本实验结果表明,珠心算训练可促进练习者对类同图像的迅速比较、判断、辨别能力,长期练习,促进其智力的发展。

2、珠心算训练促进了儿童数字加工策略优化和自动化,减少了大脑皮层功能的偏侧化。

珠心算训练儿童与未训练儿童采用的心算策略的权重不同。在实验中发现,珠心算训儿童在做简单的加减运算中,主要激活双枕区,随着数学任务难度的增加,快速激活额顶区与语言活动相关区域。因此说珠心算训练组在简单运算时主要采用视觉空间策略,在完成复杂和难度加大的心算任务时,采用语言加工策略和视觉空间综合策略;而未练习珠心算儿童,主要采用语言策略。各功能区在相互联系的整体配合中完成计算任务,其中顶下小叶可能起核心作用。其机制不清楚,可能与珠心算训练强化了某些相关功能脑区可塑性,易化脑区的突触传递效率,甚至可能产生“特异性信息加工通路”,相关功能脑区信息联系增强,提高信息加工速度越快,同时,各相关脑区相互配合程度加强,共同完成复杂的数学认知加工任务。

本实验还发现,心算时小脑被激活,说明小脑参与心算认知加工活动。小脑在学习记忆等脑高级功能中发挥重要作用,学习记忆过程中得到的经验或技巧会以“程序”的形式储存在小脑中,当大脑皮层指令到达小脑后,指令任务可按小脑已有的“程序”完成。因此,珠心算训练形成的数字加工策略(特别是优化的加工策略)可以在小脑形成“程序”,在某种程度上加快数字加工策略的执行,增强了数字加工的“自动化”。这种“自动化”可发生在小脑内部,甚至通过大脑皮层与小脑的联系,影响到数字运算有关脑区配合的“自动化”程度。

另外,珠心算训练减少大脑功能的偏侧化,从而开发脑的功能。实验发现,未练习珠心算儿童在心算过程,明显激活左脑,表现出双侧不对称,而珠心算练习3年以上者,无论是枕区还是额中央区,都表现出相对对称。减少了心算中大脑的偏侧化倾向,促进了儿童右脑发展。

3、珠心算训练使儿童对信息加工的启动激活强度大、速度快,更有效利用脑资源。

fMRI和ERP研究显示,珠心算训练儿童心算时能迅速有效的激活与心算有关脑区,短时间动用脑资源进行运算。普通儿童对与心算有关的脑区的激活要慢,对脑资源的利用也慢,整个的心算过程要长,消耗的脑资源要多。这可能与数字运算刺激的中枢传导通路活动效率增强有关,因为有实验表明,短时高频刺激可引起突触传递功能增强(如长时称增强现象,LTP),长期生活在丰富环境中的大鼠脑皮层增厚,皮层内突触密度增加,说明长期刺激可促进新生突触的形成,因此珠心算训练可增强神经环路中的突触传递效能,长时间训练有可能形成“特异性突触”,突触数字信息加工速度和心算效率等。从脑区激活范围看,珠心算儿童心算时激活脑区范围较未训练者小,可能是长期珠心算训练后除信息处理速度加快(前述)外,促进了某些脑区数字运算加工方面的功能分化,只需要少数相关脑区配合即可完成。当运算难度加大,更多脑区被激活,也支持这一点。    脑电波超慢涨落研究显示,珠心算训练3年的儿童,在心算过程中脑内脑波超慢涨落特异性谱线出现抑制递质系统活动激活大于兴奋性递制系统激活,表现为代表抑制性震荡活动的谱线(S4、S7、S11、S13)活动增强明显,而兴奋震荡谱线仅表现为S3(Ach-R)活动增强,S5系甚至出现活动减弱的表现,表现为脑内多个递质系统活动的“兴奋-抑制镶嵌模式”,这些改变有利于减少资源消耗,符合大脑的能量消耗最小化原则。

总之,本研究只是从心理学、生理学和影像医学的角度进行了初步的研究,增加了对珠心算开发儿童智能脑机制的认识。但是,珠心算训练开发儿童智能的脑机制非常复杂,还有很多问题尚未阐明或解决,尚缺乏令人信服的事实或证据,但随着神经科学的发展和新的技术手段创立和应用,相信会进一步提高珠心算开发智力的机制认识,促进脑功能的开发。