教育影響文字、數字識別與空間、時間感知的神經加工能力

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。研究發現，身體的部位與大腦皮層表面呈現一種空間對應關系。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別（圖1），同時這些區域對視覺空間位置也表現出同樣的激活。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域的視野空間表征基本上是相同的，不受發育的年齡和教育的影響。視覺區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得到快速的發展，視覺能力及其對精確的視覺位置信息所產生的神經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歲的時候就已經發育成熟。這也是我們可以開始用核磁共振技術來測量孩子的年齡。

視覺詞形區是負責人類閱讀的腦區。成人和兒童識別文字的視覺詞形區的大小變化不大，但是他們的激活反應發生了改變，兒童的腦對右側的一大片區域產生激活，而成人對更精確的一小片區域激活，這個精細的區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 教授的團隊也發現，隨著教育年限的增加，這些區域間連接質量的提高能夠預測兒童的基本閱讀能力。視覺詞形區域的功能連接在兒童學習閱讀的過程中發生了明顯的變化。所以初級視覺區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展的，與此同時得到發展的是視覺詞形區的反應和連接。

人腦具有識別數字、判斷數量的能力。當我們看到數量小的一堆物體時，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。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量的孩子，在基本的數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域存在于不同的區域，例如簡單物體加工區域、注意引導區域、決策區域等。在每個映射區域，對物體數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元組合在一起，就形成了在大腦不同區域對不同數字的激活。因為不同的數字在不同區域會產生強度不一樣的激活，磁共振對于不同數字反應的變化也能夠預測成人估計他們所看到的物體數量的能力。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學能力的關系需要大量的數據。

物理量的知覺建立在視知覺的基礎上，我們最近的研究發現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學能力進步時，這些數字映射圖背后的神經活動和連接就會得到發展。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域的知識是一致的，所以對于數學來說，檢驗物理量感知區域、物理量知覺能力以及基本數學能力之間的關聯，是未來理解大腦中數學基礎的挑戰。那些能夠更好地說出所看到的物體數量的兒童，他們的基本數學能力也會更好，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，孩子的注意和數字視覺任務與基本數學能力相關，這兩種能力可能都依賴于相關的大腦區域。但是對于更加抽象、更加概念化的數學任務，數字視覺能力并沒有發揮任何作用，只有注意發揮了作用。當然在這個研究中，注意力也預測了一般智力。數字視覺能力對于復雜抽象的數學任務用處不大，同時數字視覺能力和簡單數學能力在成人時已經得到了充分的發展。成人與兒童的區別在于高等數學的能力，而高等數學能力和數字知覺之間不存在緊密的聯系。

對于高等數學能力，我們前面看到的視覺物理量的神經網絡并不重要。如果我們關注負責比較、運算的腦區，就會發現另一個神經網絡。這個網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學是必須的。然而我們才剛開始研究簡單的數學運算，對于高等數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域對于高等數學更重要，這些區域可能與負責物理量的區域相連接或者建立在這些區域的基礎上。這也印證了在數學教學中，基礎數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學知識和科學了。所以復雜數學的理解能力出現在教育的中后期，很多自然科學家在學校時并不是個優等生，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學中展現出天賦。

目前為止，我們只看了靜態圖像中大腦的空間激活規律。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，形成一個統一的對時間的知覺，而且我們可以根據這個知覺做出有規律的動作，比如跳舞。這種對時間的知覺一般與較短的事件有關，許多這種動態的事件都持續不到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字加工類似。我們發現了多個時間映射圖，在腦中的每個記錄區域都有一個偏好的時間節奏產生最大的激活，在大腦表面呈逐漸變化的分布方式。對時間反應最強的區域和對響應特定數量的區域有較大的重合。所以，對特定時間節奏的激活是支持對時間的數量知覺的證據，人腦可能參與了數量認知的過程，比如在物理學、數學中，尤其是基礎數學的過程。這個過程也可能支持了多方面的協調能力，比如體育中的表現。當然也包括音樂知覺和演奏樂器的能力，這些節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、智力之間的聯系。