教育影響文字、數(shù)字識別與空間、時間感知的神經(jīng)加工能力

本·哈維

運用功能磁共振成像技術可以探究大腦是如何加工和組織信息的。大多數(shù)功能磁共振成像研究的是某個特定刺激或者任務激活了大腦的哪個腦區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，身體的部位與大腦皮層表面呈現(xiàn)一種空間對應關系。在視覺中，在視覺皮層的每個記錄單元也同樣對應視網(wǎng)膜上的一個特定位置，稱作“記錄位點群感受野”。

研究表明，大腦對空間位置的偏好在皮層上是逐漸變化的，在大腦皮層表面形成映射圖結構。我們在初級視覺皮層的記錄位點也能測量對于視覺空間的反應有多精確，也就是每個記錄位點的響應范圍。這些映射圖譜的性質(zhì)能夠預測一個人的視覺能力。映射圖面積較大的人，或者說初級視覺皮層與視覺位置存在更精確對應關系的人，有更好的視覺空間分辨能力。

在5歲的孩子和25歲的成年人中，這些初級視覺映射圖的大小基本沒有區(qū)別（圖1），同時這些區(qū)域?qū)σ曈X空間位置也表現(xiàn)出同樣的激活。所以成人與兒童的初級視覺皮層對視覺空間的表征是非常相似的。圖2表示，成人與兒童初級視覺區(qū)域的視野空間表征基本上是相同的，不受發(fā)育的年齡和教育的影響。視覺區(qū)域的大小和反應精確度能夠預測簡單視知覺的精度，這一觀點得到了先前研究的證明。早先的研究成果表明，這些簡單的視知覺功能在人6個月大的時候就已經(jīng)得到快速的發(fā)展，視覺能力及其對精確的視覺位置信息所產(chǎn)生的神經(jīng)活動很快就達到成人的水平。大腦對簡單視覺感知的準確度，在人5歲的時候就已經(jīng)發(fā)育成熟。這也是我們可以開始用核磁共振技術來測量孩子的年齡。

視覺詞形區(qū)是負責人類閱讀的腦區(qū)。成人和兒童識別文字的視覺詞形區(qū)的大小變化不大，但是他們的激活反應發(fā)生了改變，兒童的腦對右側的一大片區(qū)域產(chǎn)生激活，而成人對更精確的一小片區(qū)域激活，這個精細的區(qū)域就是我們閱讀單詞的位置。這個結果與我們在閱讀中所學會的眼睛的移動方式是一致的。Brian Wandell 教授的團隊也發(fā)現(xiàn)，隨著教育年限的增加，這些區(qū)域間連接質(zhì)量的提高能夠預測兒童的基本閱讀能力。視覺詞形區(qū)域的功能連接在兒童學習閱讀的過程中發(fā)生了明顯的變化。所以初級視覺區(qū)域的反應和視覺空間感知的能力在6個月左右就基本成型，而閱讀技能是在學齡初期得到發(fā)展的，與此同時得到發(fā)展的是視覺詞形區(qū)的反應和連接。

人腦具有識別數(shù)字、判斷數(shù)量的能力。當我們看到數(shù)量小的一堆物體時，我們就知道看到了多少個物體。這個過程是快速、輕松、準確的，而且不需要計數(shù)。許多動物也和人一樣擁有這個能力，比如在尋找食物的時候，這個能力能夠幫助動物判斷多與少。這個能力在學齡初期也還在發(fā)展，8歲的孩子能夠比4歲的孩子更快地判斷出一組物體的數(shù)量。即使考慮了年齡和一般智力等因素，那些能夠更好地判斷物體數(shù)量的孩子，在基本的數(shù)學任務中也做得更好。

如前所述，視覺空間可以映射在初級視覺皮層上，但是對于更加偏向認知的屬性，比如數(shù)字的直覺是怎么樣的呢？近些年，我們通過更高級的磁共振技術來探尋這些物理量是如何映射到大腦皮層表面的。在大腦中針對不同物理量激活最強的區(qū)域存在于不同的區(qū)域，例如簡單物體加工區(qū)域、注意引導區(qū)域、決策區(qū)域等。在每個映射區(qū)域，對物體數(shù)量的反應在大腦表面逐漸變化，把對同一物理量激活的神經(jīng)元組合在一起，就形成了在大腦不同區(qū)域?qū)Σ煌瑪?shù)字的激活。因為不同的數(shù)字在不同區(qū)域會產(chǎn)生強度不一樣的激活，磁共振對于不同數(shù)字反應的變化也能夠預測成人估計他們所看到的物體數(shù)量的能力。這表明，這里看到的激活反應也能預測兒童的基本數(shù)學能力。遺憾的是，對兒童進行這樣復雜的磁共振實驗非常困難，而分析大腦激活和數(shù)學能力的關系需要大量的數(shù)據(jù)。

物理量的知覺建立在視知覺的基礎上，我們最近的研究發(fā)現(xiàn)了對物理量的映射圖，在對物理量知覺的精度提高時以及基本數(shù)學能力進步時，這些數(shù)字映射圖背后的神經(jīng)活動和連接就會得到發(fā)展。這一關系與我們已知的關于閱讀技能和與單詞識別對應的區(qū)域的知識是一致的，所以對于數(shù)學來說，檢驗物理量感知區(qū)域、物理量知覺能力以及基本數(shù)學能力之間的關聯(lián)，是未來理解大腦中數(shù)學基礎的挑戰(zhàn)。那些能夠更好地說出所看到的物體數(shù)量的兒童，他們的基本數(shù)學能力也會更好，他們也更擅長于需要注意力的任務。當然注意是教育的關鍵因素。這樣看來，孩子的注意和數(shù)字視覺任務與基本數(shù)學能力相關，這兩種能力可能都依賴于相關的大腦區(qū)域。但是對于更加抽象、更加概念化的數(shù)學任務，數(shù)字視覺能力并沒有發(fā)揮任何作用，只有注意發(fā)揮了作用。當然在這個研究中，注意力也預測了一般智力。數(shù)字視覺能力對于復雜抽象的數(shù)學任務用處不大，同時數(shù)字視覺能力和簡單數(shù)學能力在成人時已經(jīng)得到了充分的發(fā)展。成人與兒童的區(qū)別在于高等數(shù)學的能力，而高等數(shù)學能力和數(shù)字知覺之間不存在緊密的聯(lián)系。

對于高等數(shù)學能力，我們前面看到的視覺物理量的神經(jīng)網(wǎng)絡并不重要。如果我們關注負責比較、運算的腦區(qū)，就會發(fā)現(xiàn)另一個神經(jīng)網(wǎng)絡。這個網(wǎng)絡可能負責物理量和語言之間的交互作用，可能這兩者對于高等數(shù)學是必須的。然而我們才剛開始研究簡單的數(shù)學運算，對于高等數(shù)學我們還有很長一段路要走。遺憾的是，許多先前的研究將物理量的激活和附近的大小比較的激活反應混淆了。目前，我們認為，負責比較和運算的區(qū)域?qū)τ诟叩葦?shù)學更重要，這些區(qū)域可能與負責物理量的區(qū)域相連接或者建立在這些區(qū)域的基礎上。這也印證了在數(shù)學教學中，基礎數(shù)學一般是通過實際的物體來教學的，而在理解了物理量的概念之后，就可以在此基礎之上，通過復雜的方式來構建抽象的概念性的數(shù)學知識和科學了。所以復雜數(shù)學的理解能力出現(xiàn)在教育的中后期，很多自然科學家在學校時并不是個優(yōu)等生，有些人甚至到大學才開始顯示出才華，比如愛因斯坦。于是，過早地放棄那些學習差的學生是不明智的，他們可能會在高等數(shù)學中展現(xiàn)出天賦。

目前為止，我們只看了靜態(tài)圖像中大腦的空間激活規(guī)律。但當我們要理解與真實世界的互動時，時間就成為一個重點。人類可以在視覺、聽覺和觸覺中融合時間，形成一個統(tǒng)一的對時間的知覺，而且我們可以根據(jù)這個知覺做出有規(guī)律的動作，比如跳舞。這種對時間的知覺一般與較短的事件有關，許多這種動態(tài)的事件都持續(xù)不到1秒鐘的時間。時間感在知覺中有重要的地位，尤其是從不同感覺中整合信息并計劃行動，但是大腦處理時間的機制才剛開始研究。

根據(jù)前面的知覺的共通特征，對于事件時間的激活可能也和前面提到的空間和數(shù)字加工類似。我們發(fā)現(xiàn)了多個時間映射圖，在腦中的每個記錄區(qū)域都有一個偏好的時間節(jié)奏產(chǎn)生最大的激活，在大腦表面呈逐漸變化的分布方式。對時間反應最強的區(qū)域和對響應特定數(shù)量的區(qū)域有較大的重合。所以，對特定時間節(jié)奏的激活是支持對時間的數(shù)量知覺的證據(jù)，人腦可能參與了數(shù)量認知的過程，比如在物理學、數(shù)學中，尤其是基礎數(shù)學的過程。這個過程也可能支持了多方面的協(xié)調(diào)能力，比如體育中的表現(xiàn)。當然也包括音樂知覺和演奏樂器的能力，這些節(jié)奏對時間的把握有很高的要求。

總之，人腦對于外在的物理量的概念集中于上述幾種激活。這些物理量可能是建立數(shù)學、科學、工程學中更復雜的思想和技能的基礎。大腦的時間加工甚至可能解釋音樂、運動、智力之間的聯(lián)系。