兒童情緒與認(rèn)知發(fā)展的腦功能重組模式

/ 北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授

我們大腦是世界上最為復(fù)雜的智能系統(tǒng)。一方面，我們擁有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)記憶能力，能獲取各種各樣的知識(shí)技能，促進(jìn)人類改造世界、創(chuàng)建文明。另一方面，我們大腦卻又非常脆弱，諸如精神壓力或是焦慮情緒等，都會(huì)極大影響大腦認(rèn)知功能。我的研究團(tuán)隊(duì)主要是關(guān)注情緒與認(rèn)知之間相互作用的機(jī)制，以及情緒對(duì)兒童青少年腦發(fā)育與認(rèn)知發(fā)展的調(diào)節(jié)及相關(guān)障礙。

現(xiàn)代認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)認(rèn)為，我們大腦長(zhǎng)時(shí)記憶系統(tǒng)儲(chǔ)存的知識(shí)由各種不同信息單元（如物體、事實(shí)和概念等）組成，掌握了這些知識(shí)信息后，我們可以通過(guò)不同的方式來(lái)提取并靈活運(yùn)用。這些信息單元通過(guò)不同重組方式，會(huì)涌現(xiàn)出不同意義和功能，以便解決新的問(wèn)題。如果將不同知識(shí)信息單元比作大腦長(zhǎng)時(shí)記憶系統(tǒng)中存儲(chǔ)信息的“節(jié)點(diǎn)”，好比知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，那么不同重組連接模式就會(huì)涌現(xiàn)出不同的大腦功能，進(jìn)而體現(xiàn)出不同個(gè)體在學(xué)習(xí)能力和學(xué)業(yè)成績(jī)上的差異，比如高才生、學(xué)習(xí)困難和情緒行為問(wèn)題兒童等。

我們的大腦究竟是如何學(xué)習(xí)和存儲(chǔ)各種知識(shí)和技能的（比如語(yǔ)言、數(shù)學(xué)等）？大腦又是如何提取并遷移運(yùn)用這些知識(shí)？這方面的科學(xué)研究，是國(guó)際公認(rèn)的重大科學(xué)前沿課題，被國(guó)際權(quán)威期刊《Science》列為世界尚待解決的125個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題之一 。

以學(xué)齡兒童獲取算術(shù)知識(shí)為例，兒童學(xué)習(xí)“4+7等于多少”這樣的知識(shí)，一開始需要掰手指來(lái)計(jì)算，一般從小數(shù)4數(shù)到11，得出答案；某天孩子可能自己發(fā)現(xiàn)，或者老師教他，從大數(shù)7開始數(shù)比從小數(shù)4開始數(shù)更簡(jiǎn)捷；而后經(jīng)過(guò)不斷學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，孩子會(huì)采用聯(lián)想加工的策略，把問(wèn)題“4+7”跟“11”形成牢固聯(lián)結(jié)，看到這個(gè)問(wèn)題時(shí)，就能夠直接提取答案。這就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題：兒童是如何從依靠較低級(jí)的數(shù)數(shù)來(lái)解決算術(shù)問(wèn)題，然后逐步轉(zhuǎn)換到靈活使用較高級(jí)的直接提取策略，最終達(dá)到非常自動(dòng)化并靈活遷移運(yùn)用的呢？很多數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難的兒童在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)生了什么問(wèn)題，是哪個(gè)步驟出了問(wèn)題呢？

腦功能重組可以促進(jìn)兒童認(rèn)知發(fā)展

?兒童認(rèn)知發(fā)展的重波理論(overlapping waves theory)

兒童從低級(jí)的數(shù)數(shù)手指策略逐步轉(zhuǎn)換到能夠直接提取答案的高級(jí)策略，大腦在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中究竟發(fā)生了什么變化？早期最具影響力的皮亞杰心理發(fā)展理論認(rèn)為，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程是階段性的，從較低級(jí)階段直接跨越到更高級(jí)階段。后來(lái)，美國(guó)心理學(xué)家Robert Siegler基于大量實(shí)證研究提出了重波理論（overlapping waves theory）認(rèn)為，兒童在算術(shù)問(wèn)題解決早期階段，主要依賴于具體掰數(shù)手指，隨著不斷學(xué)習(xí)發(fā)展，開始使用較高級(jí)的心里默數(shù)策略，接著開始越來(lái)越多的使用聯(lián)想策略——把問(wèn)題和具體答案連接起來(lái)，最終學(xué)會(huì)更高級(jí)且最快捷的直接提取策略。這是一個(gè)循序漸進(jìn)而不是階段跨越式發(fā)展過(guò)程，在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，往往存在多種策略重疊并存的非穩(wěn)定狀態(tài)，故此被稱為“重波理論”。特別重要的是，聯(lián)想策略起到非常關(guān)鍵的承前啟后的“支架式或橋梁”作用，幫助兒童的大腦實(shí)現(xiàn)從低級(jí)到高級(jí)認(rèn)知策略過(guò)渡的過(guò)程。隨著年齡和經(jīng)驗(yàn)成長(zhǎng)，兒童采取較低級(jí)數(shù)數(shù)策略頻率會(huì)越來(lái)越少。采用直接自動(dòng)化提取策略的頻率越高，這些兒童算術(shù)問(wèn)題解決能力越強(qiáng)，通常數(shù)學(xué)成績(jī)也會(huì)發(fā)展得更好。如果長(zhǎng)期傾向于停留在數(shù)數(shù)的階段，那么這些兒童后續(xù)數(shù)學(xué)能力發(fā)育就會(huì)相對(duì)遲緩。

但是，究竟聯(lián)想策略是如何涌現(xiàn)、從較低級(jí)策略轉(zhuǎn)換到更高級(jí)策略的過(guò)程中大腦如何發(fā)展？對(duì)于學(xué)習(xí)困難兒童，這個(gè)發(fā)展過(guò)程什么時(shí)候發(fā)生了異常？聯(lián)想策略不僅在數(shù)學(xué)問(wèn)題的學(xué)習(xí)，還在包括語(yǔ)言學(xué)習(xí)等很多高級(jí)認(rèn)知能力發(fā)展過(guò)程中起著非常關(guān)鍵的作用。對(duì)此，目前傳統(tǒng)心理學(xué)和行為學(xué)方法，很難直接觀測(cè)到聯(lián)想策略如何涌現(xiàn)的具體過(guò)程。

近年來(lái)，隨著腦功能性的磁共振技術(shù)迅速發(fā)展，我們大腦的心理行為活動(dòng)在一定程度上變得“可視”了。通過(guò)腦功能成像技術(shù)對(duì)大腦活動(dòng)模式進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)和分析，可以推測(cè)其背后隱含的認(rèn)知加工過(guò)程。譬如，當(dāng)我們?cè)诮鉀Q數(shù)學(xué)問(wèn)題時(shí)，與看電影和聽故事時(shí)相比，大腦活動(dòng)模式有非常大的差別。

我們給學(xué)齡兒童看一系列的算術(shù)問(wèn)題，然后讓他們同時(shí)給出答案，并通過(guò)大腦磁共振儀記錄大腦的活動(dòng)，再對(duì)這些大腦圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，解碼里面的一些大腦活動(dòng)信號(hào)。通過(guò)觀測(cè)和分析大腦的活動(dòng)模式，可以一定程度上解碼這個(gè)孩子數(shù)學(xué)能力的發(fā)展?fàn)顩r。通過(guò)對(duì)正常發(fā)育兒童和數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童的系統(tǒng)分析和比較，我們發(fā)現(xiàn)，在解決算術(shù)問(wèn)題的過(guò)程中，大腦的活動(dòng)模式是存在非常大的差異的。學(xué)習(xí)困難的兒童大腦活動(dòng)的強(qiáng)度非常低，這可能跟大腦對(duì)相關(guān)知識(shí)信息的表征和存儲(chǔ)障礙有關(guān)。

這些數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童，在數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程中往往會(huì)表現(xiàn)出更高程度的數(shù)學(xué)焦慮，他們?cè)诮鉀Q非常簡(jiǎn)單的算術(shù)問(wèn)題時(shí)，大腦主管情緒的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會(huì)變得過(guò)度興奮，而主管獎(jiǎng)賞、控制的腦區(qū)興奮性則會(huì)下降。與焦慮相關(guān)的大腦情緒網(wǎng)絡(luò)過(guò)度激活，往往會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率降低，不僅阻礙新知識(shí)在大腦里的有效存儲(chǔ)，還會(huì)影響大腦靈活提取和運(yùn)用已經(jīng)學(xué)會(huì)的知識(shí)，比如過(guò)度考試焦慮導(dǎo)致“名落孫山”的案例在中高考時(shí)有發(fā)生。

值得一提的是，兒童認(rèn)知能力的發(fā)展隨著年齡成長(zhǎng)會(huì)不斷變得更好，直到一定成熟穩(wěn)定的水平，但是大腦結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)育過(guò)程卻十分復(fù)雜，呈現(xiàn)一種動(dòng)態(tài)非線性發(fā)展趨勢(shì)。大腦認(rèn)知功能存在特定敏感期，比如視聽知覺(jué)系統(tǒng)的敏感期發(fā)育較早，而與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的腦區(qū)，還有與語(yǔ)言相關(guān)的腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及前額葉高級(jí)認(rèn)知功能的敏感期發(fā)育相對(duì)較晚。

我們通過(guò)多項(xiàng)長(zhǎng)期追蹤和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算模擬研究發(fā)現(xiàn)，7～9歲是學(xué)齡兒童算術(shù)問(wèn)題解決能力發(fā)展過(guò)程中，海馬與額頂皮層聯(lián)想加工策略涌現(xiàn)的敏感期。具體來(lái)講，兒童從低級(jí)策略到高級(jí)策略轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，需要以海馬為中心的聯(lián)想策略作為“支架式”功能，以及大腦皮層中和執(zhí)行功能和數(shù)量表征相關(guān)的前額葉、后部頂葉系統(tǒng)相互協(xié)同和功能重組，來(lái)支持從較低級(jí)轉(zhuǎn)換到更高級(jí)認(rèn)知能力的發(fā)展。當(dāng)這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程在青少年和成人階段完成，且相關(guān)知識(shí)信息穩(wěn)定存儲(chǔ)下來(lái)后，海馬的參與程度降低，大腦皮層對(duì)算術(shù)知識(shí)和技能的表征模式變得更加穩(wěn)定，海馬的“支架式”功能則轉(zhuǎn)換到其它新知識(shí)和新技能的學(xué)習(xí)。

■ 大腦海馬系統(tǒng)通過(guò)支持學(xué)習(xí)與記憶功能，在兒童算術(shù)技能習(xí)得早期起著關(guān)鍵促進(jìn)作用

Shibata et al.,2017 Nature Neuroscience

此部分課題主要發(fā)現(xiàn)了大腦海馬與新皮層之間在認(rèn)知發(fā)展中的功能重組模式。簡(jiǎn)而言之，海馬在兒童早期獲取算術(shù)知識(shí)和技能過(guò)程中參與程度不斷增加，以此來(lái)促進(jìn)兒童從低級(jí)數(shù)數(shù)策略到高級(jí)直接提取策略的轉(zhuǎn)換。了解了大腦這樣的功能重組模式和過(guò)程，不僅有利于優(yōu)化兒童學(xué)習(xí)和教學(xué)方案，還能有助于理解現(xiàn)實(shí)中數(shù)學(xué)困難兒童腦功能發(fā)育異常的具體過(guò)程，研發(fā)相關(guān)干預(yù)措施和方案。

認(rèn)知訓(xùn)練可以改善大腦功能重組

我們訓(xùn)練 7～9歲學(xué)齡兒童使用聯(lián)想策略方式去學(xué)習(xí)解決算術(shù)問(wèn)題，在訓(xùn)練后記錄兒童解決算術(shù)問(wèn)題時(shí)大腦的活動(dòng)模式。通過(guò)五天的互動(dòng)訓(xùn)練，我們可以看到兒童解決算術(shù)問(wèn)題時(shí)顯著的學(xué)習(xí)曲線。通過(guò)分析每個(gè)兒童學(xué)習(xí)曲線的快慢情況，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)越快的孩子，更傾向于使用更多較高級(jí)策略來(lái)解決算術(shù)問(wèn)題，能夠更好地把新學(xué)習(xí)的知識(shí)和策略運(yùn)用到解決新算術(shù)問(wèn)題上去，即一種“近距離遷移”。也就是說(shuō)，認(rèn)知訓(xùn)練過(guò)程中學(xué)習(xí)越快的兒童，能夠把知識(shí)和策略遷移去解決新問(wèn)題的能力越強(qiáng)。

通過(guò)分析大腦功能圖像，我們發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，兒童海馬及其海馬旁回的大腦活動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)，很可能跟海馬“支架式”功能改善有關(guān)；另外與視覺(jué)空間和數(shù)量表征相關(guān)的后部頂葉激活強(qiáng)度也增強(qiáng)了。此外，還可以看到大腦更廣腦區(qū)之間建立起了更強(qiáng)功能連接。這預(yù)示著兒童領(lǐng)悟知識(shí)越多，在大腦里面建立的有效連接越多，與此同時(shí)在運(yùn)用或提取知識(shí)時(shí)就更容易。

對(duì)于數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難的兒童，我前同事Luculano博士對(duì)一批孩子進(jìn)行了8周認(rèn)知訓(xùn)練。通過(guò)分析訓(xùn)練前后大腦解決算術(shù)問(wèn)題時(shí)的活動(dòng)模式，能夠較好預(yù)測(cè)8周訓(xùn)練后兒童數(shù)學(xué)能力水平和改善狀況。研究顯示，通過(guò)認(rèn)知訓(xùn)練后，孩子大腦的數(shù)學(xué)焦慮水平明顯改善，情緒神經(jīng)環(huán)路激活水平降低了。雖然目前尚不清楚這種訓(xùn)練改善焦慮情緒的效應(yīng)能夠保持多久，但無(wú)疑，認(rèn)知訓(xùn)練是緩解學(xué)習(xí)焦慮和考試焦慮的有效方法。

這里也需要提醒，是不是認(rèn)知訓(xùn)練越多越好？ 過(guò)度學(xué)習(xí)之后，知識(shí)信息可能因過(guò)度牢固，反而不利于遷移，知識(shí)越牢固可能就越容易形成定勢(shì)。近來(lái)，日本科學(xué)家一項(xiàng)頗有影響力的研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)度的訓(xùn)練會(huì)導(dǎo)致大腦啟用一種抑制性為主的神經(jīng)活動(dòng)模式，這種神經(jīng)活動(dòng)模式會(huì)抑制你學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)的知識(shí)。所以有一些訓(xùn)練可能會(huì)過(guò)猶不及，但是這個(gè)“度”需要結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和更多實(shí)證科學(xué)研究來(lái)探討。

此部分告訴我們，優(yōu)化的認(rèn)知訓(xùn)練可以有效促進(jìn)大腦的功能重組和近距離遷移，緩解學(xué)習(xí)焦慮。但是，單一且非優(yōu)化訓(xùn)練，還有過(guò)度訓(xùn)練，很可能是適得其反，不利于腦功能促進(jìn)。

■ 積極態(tài)度通過(guò)以海馬為中心聯(lián)想策略為中介，從而促進(jìn)兒童數(shù)學(xué)成績(jī)

態(tài)度與情緒可以影響兒童腦功能重組及學(xué)業(yè)成績(jī)

我們最近一項(xiàng)研究，由Chen博士主導(dǎo)收集兩百多名7～9歲兒童數(shù)學(xué)能力和積極學(xué)習(xí)態(tài)度的心理行為數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兒童數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度積極性越高，他們數(shù)學(xué)成績(jī)?cè)胶?。通過(guò)分析和比較大腦活動(dòng)模式，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)積極性越高的兒童海馬的興奮程度越高，跟海馬“支架式”功能在促進(jìn)從低級(jí)到高級(jí)策略轉(zhuǎn)換密切相關(guān)。也就是說(shuō)，積極學(xué)習(xí)態(tài)度對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)成績(jī)提高，很可能是通過(guò)海馬功能的參與程度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

另一方面，我們從2005年開始關(guān)注更多消極情緒，比如說(shuō)壓力和焦慮，對(duì)大腦功能重組的調(diào)節(jié)作用。在高度學(xué)習(xí)壓力條件下不光學(xué)習(xí)壓力，很多其他方面的壓力條件下前額葉的執(zhí)行功能下降了，情緒敏感性會(huì)提高，海馬里面的聯(lián)想加工策略或者是精準(zhǔn)記憶能力下降了。這預(yù)示著我們學(xué)校和家庭環(huán)境的學(xué)習(xí)過(guò)程中，是否可以考慮適當(dāng)緩解他們的壓力和焦慮情緒，過(guò)度壓力不僅不利于獲取新知識(shí)，還會(huì)對(duì)兒童青少年大腦功能發(fā)育造成極大影響，并出現(xiàn)情緒行為問(wèn)題，甚至后面會(huì)產(chǎn)生焦慮和抑郁的障礙。

在高強(qiáng)度的學(xué)習(xí)壓力下，我們體內(nèi)自主神經(jīng)系統(tǒng)變得過(guò)度活躍，HPA-軸皮質(zhì)醇?jí)毫に胤置谶^(guò)多，對(duì)我們大腦產(chǎn)生不良的影響。過(guò)度壓力激素分泌會(huì)導(dǎo)致大腦功能發(fā)育遲緩，甚至有很長(zhǎng)潛伏期，到青少年期甚至成年之后才表現(xiàn)出來(lái)。比如，我們研究發(fā)現(xiàn)，7～9歲兒童證實(shí)處于大腦情緒環(huán)路功能整合與分化敏感期，過(guò)度的焦慮水平會(huì)導(dǎo)致情緒網(wǎng)絡(luò)環(huán)路之間功能連接過(guò)強(qiáng)，往往會(huì)導(dǎo)致過(guò)度敏感，長(zhǎng)期“神經(jīng)過(guò)度緊繃”可能會(huì)導(dǎo)致不同程度的情緒問(wèn)題：如焦慮、抑郁癥。過(guò)度壓力和消極情緒不僅影響到情緒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能，而且還影響海馬在構(gòu)建新知識(shí)和聯(lián)想策略轉(zhuǎn)換過(guò)程中的“支架式”功能。同時(shí)，過(guò)度壓力還會(huì)阻礙已有知識(shí)信息的快速有效提取和靈活運(yùn)用，比如考試焦慮導(dǎo)致高考失利的案例時(shí)有發(fā)生。

總結(jié)起來(lái)，我們研究發(fā)現(xiàn)：（1）以海馬為中心及相關(guān)新皮層功能重組，對(duì)于聯(lián)想策略涌現(xiàn)、促進(jìn)知識(shí)信息整合，從較低級(jí)形象思維策略轉(zhuǎn)換到高級(jí)抽象策略，可以說(shuō)起到了非常關(guān)鍵的“支架式”促進(jìn)作用。一旦這個(gè)過(guò)程完成了，海馬參與程度降低，并得以釋放，從而支持學(xué)習(xí)新的知識(shí)和技能。（2）認(rèn)知訓(xùn)練一定程度上能有效促進(jìn)大腦功能重組和知識(shí)遷移，并緩解焦慮，但是單一過(guò)度訓(xùn)練會(huì)導(dǎo)致信息過(guò)度固化，阻礙知識(shí)靈活運(yùn)用和遷移。（3）積極學(xué)習(xí)態(tài)度能夠促進(jìn)海馬“支架式”功能，消極情緒如過(guò)度學(xué)習(xí)壓力和焦慮會(huì)導(dǎo)致情緒神經(jīng)環(huán)路的敏感性過(guò)度增強(qiáng)，并阻礙海馬的聯(lián)想學(xué)習(xí)記憶功能和前額葉執(zhí)行功能，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率降低以及靈活提取與運(yùn)用知識(shí)的能力受損。