兒童情緒與認知發展的腦功能重組模式

/ 北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室教授

我們大腦是世界上最為復雜的智能系統。一方面，我們擁有強大的學習記憶能力，能獲取各種各樣的知識技能，促進人類改造世界、創建文明。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，都會極大影響大腦認知功能。我的研究團隊主要是關注情緒與認知之間相互作用的機制，以及情緒對兒童青少年腦發育與認知發展的調節及相關障礙。

現代認知神經科學認為，我們大腦長時記憶系統儲存的知識由各種不同信息單元（如物體、事實和概念等）組成，掌握了這些知識信息后，我們可以通過不同的方式來提取并靈活運用。這些信息單元通過不同重組方式，會涌現出不同意義和功能，以便解決新的問題。如果將不同知識信息單元比作大腦長時記憶系統中存儲信息的“節點”，好比知識網絡的節點，那么不同重組連接模式就會涌現出不同的大腦功能，進而體現出不同個體在學習能力和學業成績上的差異，比如高才生、學習困難和情緒行為問題兒童等。

我們的大腦究竟是如何學習和存儲各種知識和技能的（比如語言、數學等）？大腦又是如何提取并遷移運用這些知識？這方面的科學研究，是國際公認的重大科學前沿課題，被國際權威期刊《Science》列為世界尚待解決的125個重大科學問題之一 。

以學齡兒童獲取算術知識為例，兒童學習“4+7等于多少”這樣的知識，一開始需要掰手指來計算，一般從小數4數到11，得出答案；某天孩子可能自己發現，或者老師教他，從大數7開始數比從小數4開始數更簡捷；而后經過不斷學習和訓練，孩子會采用聯想加工的策略，把問題“4+7”跟“11”形成牢固聯結，看到這個問題時，就能夠直接提取答案。這就產生了一個問題：兒童是如何從依靠較低級的數數來解決算術問題，然后逐步轉換到靈活使用較高級的直接提取策略，最終達到非常自動化并靈活遷移運用的呢？很多數學學習困難的兒童在這個轉換過程中發生了什么問題，是哪個步驟出了問題呢？

腦功能重組可以促進兒童認知發展

?兒童認知發展的重波理論(overlapping waves theory)

兒童從低級的數數手指策略逐步轉換到能夠直接提取答案的高級策略，大腦在這個轉換過程中究竟發生了什么變化？早期最具影響力的皮亞杰心理發展理論認為，這個轉換過程是階段性的，從較低級階段直接跨越到更高級階段。后來，美國心理學家Robert Siegler基于大量實證研究提出了重波理論（overlapping waves theory）認為，兒童在算術問題解決早期階段，主要依賴于具體掰數手指，隨著不斷學習發展，開始使用較高級的心里默數策略，接著開始越來越多的使用聯想策略——把問題和具體答案連接起來，最終學會更高級且最快捷的直接提取策略。這是一個循序漸進而不是階段跨越式發展過程，在這個轉換過程中，往往存在多種策略重疊并存的非穩定狀態，故此被稱為“重波理論”。特別重要的是，聯想策略起到非常關鍵的承前啟后的“支架式或橋梁”作用，幫助兒童的大腦實現從低級到高級認知策略過渡的過程。隨著年齡和經驗成長，兒童采取較低級數數策略頻率會越來越少。采用直接自動化提取策略的頻率越高，這些兒童算術問題解決能力越強，通常數學成績也會發展得更好。如果長期傾向于停留在數數的階段，那么這些兒童后續數學能力發育就會相對遲緩。

但是，究竟聯想策略是如何涌現、從較低級策略轉換到更高級策略的過程中大腦如何發展？對于學習困難兒童，這個發展過程什么時候發生了異常？聯想策略不僅在數學問題的學習，還在包括語言學習等很多高級認知能力發展過程中起著非常關鍵的作用。對此，目前傳統心理學和行為學方法，很難直接觀測到聯想策略如何涌現的具體過程。

近年來，隨著腦功能性的磁共振技術迅速發展，我們大腦的心理行為活動在一定程度上變得“可視”了。通過腦功能成像技術對大腦活動模式進行系統觀測和分析，可以推測其背后隱含的認知加工過程。譬如，當我們在解決數學問題時，與看電影和聽故事時相比，大腦活動模式有非常大的差別。

我們給學齡兒童看一系列的算術問題，然后讓他們同時給出答案，并通過大腦磁共振儀記錄大腦的活動，再對這些大腦圖像數據進行分析，解碼里面的一些大腦活動信號。通過觀測和分析大腦的活動模式，可以一定程度上解碼這個孩子數學能力的發展狀況。通過對正常發育兒童和數學學習困難兒童的系統分析和比較，我們發現，在解決算術問題的過程中，大腦的活動模式是存在非常大的差異的。學習困難的兒童大腦活動的強度非常低，這可能跟大腦對相關知識信息的表征和存儲障礙有關。

這些數學學習困難兒童，在數學的學習過程中往往會表現出更高程度的數學焦慮，他們在解決非常簡單的算術問題時，大腦主管情緒的相關網絡系統會變得過度興奮，而主管獎賞、控制的腦區興奮性則會下降。與焦慮相關的大腦情緒網絡過度激活，往往會導致學習效率降低，不僅阻礙新知識在大腦里的有效存儲，還會影響大腦靈活提取和運用已經學會的知識，比如過度考試焦慮導致“名落孫山”的案例在中高考時有發生。

值得一提的是，兒童認知能力的發展隨著年齡成長會不斷變得更好，直到一定成熟穩定的水平，但是大腦結構和功能的發育過程卻十分復雜，呈現一種動態非線性發展趨勢。大腦認知功能存在特定敏感期，比如視聽知覺系統的敏感期發育較早，而與運動相關的腦區，還有與語言相關的腦網絡系統及前額葉高級認知功能的敏感期發育相對較晚。

我們通過多項長期追蹤和基于神經網絡的計算模擬研究發現，7～9歲是學齡兒童算術問題解決能力發展過程中，海馬與額頂皮層聯想加工策略涌現的敏感期。具體來講，兒童從低級策略到高級策略轉換的過程中，需要以海馬為中心的聯想策略作為“支架式”功能，以及大腦皮層中和執行功能和數量表征相關的前額葉、后部頂葉系統相互協同和功能重組，來支持從較低級轉換到更高級認知能力的發展。當這個轉換過程在青少年和成人階段完成，且相關知識信息穩定存儲下來后，海馬的參與程度降低，大腦皮層對算術知識和技能的表征模式變得更加穩定，海馬的“支架式”功能則轉換到其它新知識和新技能的學習。

■ 大腦海馬系統通過支持學習與記憶功能，在兒童算術技能習得早期起著關鍵促進作用

Shibata et al.,2017 Nature Neuroscience

此部分課題主要發現了大腦海馬與新皮層之間在認知發展中的功能重組模式。簡而言之，海馬在兒童早期獲取算術知識和技能過程中參與程度不斷增加，以此來促進兒童從低級數數策略到高級直接提取策略的轉換。了解了大腦這樣的功能重組模式和過程，不僅有利于優化兒童學習和教學方案，還能有助于理解現實中數學困難兒童腦功能發育異常的具體過程，研發相關干預措施和方案。

認知訓練可以改善大腦功能重組

我們訓練 7～9歲學齡兒童使用聯想策略方式去學習解決算術問題，在訓練后記錄兒童解決算術問題時大腦的活動模式。通過五天的互動訓練，我們可以看到兒童解決算術問題時顯著的學習曲線。通過分析每個兒童學習曲線的快慢情況，我們發現學習越快的孩子，更傾向于使用更多較高級策略來解決算術問題，能夠更好地把新學習的知識和策略運用到解決新算術問題上去，即一種“近距離遷移”。也就是說，認知訓練過程中學習越快的兒童，能夠把知識和策略遷移去解決新問題的能力越強。

通過分析大腦功能圖像，我們發現：經過訓練后，兒童海馬及其海馬旁回的大腦活動強度增強，很可能跟海馬“支架式”功能改善有關；另外與視覺空間和數量表征相關的后部頂葉激活強度也增強了。此外，還可以看到大腦更廣腦區之間建立起了更強功能連接。這預示著兒童領悟知識越多，在大腦里面建立的有效連接越多，與此同時在運用或提取知識時就更容易。

對于數學學習困難的兒童，我前同事Luculano博士對一批孩子進行了8周認知訓練。通過分析訓練前后大腦解決算術問題時的活動模式，能夠較好預測8周訓練后兒童數學能力水平和改善狀況。研究顯示，通過認知訓練后，孩子大腦的數學焦慮水平明顯改善，情緒神經環路激活水平降低了。雖然目前尚不清楚這種訓練改善焦慮情緒的效應能夠保持多久，但無疑，認知訓練是緩解學習焦慮和考試焦慮的有效方法。

這里也需要提醒，是不是認知訓練越多越好？ 過度學習之后，知識信息可能因過度牢固，反而不利于遷移，知識越牢固可能就越容易形成定勢。近來，日本科學家一項頗有影響力的研究發現，過度的訓練會導致大腦啟用一種抑制性為主的神經活動模式，這種神經活動模式會抑制你學習關聯的知識。所以有一些訓練可能會過猶不及，但是這個“度”需要結合實際經驗和更多實證科學研究來探討。

此部分告訴我們，優化的認知訓練可以有效促進大腦的功能重組和近距離遷移，緩解學習焦慮。但是，單一且非優化訓練，還有過度訓練，很可能是適得其反，不利于腦功能促進。

■ 積極態度通過以海馬為中心聯想策略為中介，從而促進兒童數學成績

態度與情緒可以影響兒童腦功能重組及學業成績

我們最近一項研究，由Chen博士主導收集兩百多名7～9歲兒童數學能力和積極學習態度的心理行為數據，發現兒童數學學習態度積極性越高，他們數學成績越好。通過分析和比較大腦活動模式，發現學習積極性越高的兒童海馬的興奮程度越高，跟海馬“支架式”功能在促進從低級到高級策略轉換密切相關。也就是說，積極學習態度對實現數學成績提高，很可能是通過海馬功能的參與程度來實現的。

另一方面，我們從2005年開始關注更多消極情緒，比如說壓力和焦慮，對大腦功能重組的調節作用。在高度學習壓力條件下不光學習壓力，很多其他方面的壓力條件下前額葉的執行功能下降了，情緒敏感性會提高，海馬里面的聯想加工策略或者是精準記憶能力下降了。這預示著我們學校和家庭環境的學習過程中，是否可以考慮適當緩解他們的壓力和焦慮情緒，過度壓力不僅不利于獲取新知識，還會對兒童青少年大腦功能發育造成極大影響，并出現情緒行為問題，甚至后面會產生焦慮和抑郁的障礙。

在高強度的學習壓力下，我們體內自主神經系統變得過度活躍，HPA-軸皮質醇壓力激素分泌過多，對我們大腦產生不良的影響。過度壓力激素分泌會導致大腦功能發育遲緩，甚至有很長潛伏期，到青少年期甚至成年之后才表現出來。比如，我們研究發現，7～9歲兒童證實處于大腦情緒環路功能整合與分化敏感期，過度的焦慮水平會導致情緒網絡環路之間功能連接過強，往往會導致過度敏感，長期“神經過度緊繃”可能會導致不同程度的情緒問題：如焦慮、抑郁癥。過度壓力和消極情緒不僅影響到情緒神經網絡的功能，而且還影響海馬在構建新知識和聯想策略轉換過程中的“支架式”功能。同時，過度壓力還會阻礙已有知識信息的快速有效提取和靈活運用，比如考試焦慮導致高考失利的案例時有發生。

總結起來，我們研究發現：（1）以海馬為中心及相關新皮層功能重組，對于聯想策略涌現、促進知識信息整合，從較低級形象思維策略轉換到高級抽象策略，可以說起到了非常關鍵的“支架式”促進作用。一旦這個過程完成了，海馬參與程度降低，并得以釋放，從而支持學習新的知識和技能。（2）認知訓練一定程度上能有效促進大腦功能重組和知識遷移，并緩解焦慮，但是單一過度訓練會導致信息過度固化，阻礙知識靈活運用和遷移。（3）積極學習態度能夠促進海馬“支架式”功能，消極情緒如過度學習壓力和焦慮會導致情緒神經環路的敏感性過度增強，并阻礙海馬的聯想學習記憶功能和前額葉執行功能，從而導致學習效率降低以及靈活提取與運用知識的能力受損。