兒童青少年的執行功能發展與腦發育

伍子昀 | 西南大學心理學部研究生

何清華 | 西南大學心理學部教授

隨著腦科學的飛速發展，個體的基本認知功能發育規律也逐漸揭開了神秘的面紗，兒童青少年時期作為大腦發育的重要階段，在這一時期的認知功能變化引起了研究者的廣泛關注。但相比于基本認知功能，一些較高級的認知功能（如執行功能等）則探索不夠。已有研究發現執行功能對于兒童青少年的學業成就、行為表現、心理健康有較好的預測作用，因此，如何基于腦科學探索兒童青少年的執行功能發展規律，從而為兒童青少年教育提供合理方案成為一個重要課題。

“冷”執行功能和“熱”執行功能

執行功能是個體在完成目標導向任務時，所運用的一系列復雜的高級信息加工能力，主要通過對呈現問題進行計劃、實施和評估來實現最終目標。執行功能是個體在解決現實問題時所發揮的人腦前額葉功能的總和，是人與動物最重要的區別之一，也是人腦在進化過程中所獲得的最卓越成果之一。其中一個重要的分類是根據前額葉的損傷情況將其分為“冷”執行功能和“熱”執行功能，那些背外側前額葉損傷的患者，往往會在傳統的、主要聚焦于純認知過程的執行功能任務上表現出損傷，被認為是一種“冷”執行功能損傷；而眶額葉皮層損傷的患者，則在有高度情緒或動機卷入等貼近現實的任務中表現不佳，被認為出現“熱”執行功能受損。隨后，研究者通過比較兒童“冷”“熱”執行功能與智力的關系，發現智力和“冷”執行功能的表現有顯著相關，而和“熱”執行功能任務的表現無關，初步證明了兩者的雙重分離。

“冷”執行功能包括抑制控制、工作記憶、認知靈活性等。首先，執行功能中比較核心的功能是抑制控制，是在沖突任務中抑制住沖動反應的能力，一個常見的測試是Stroop任務，這一任務需要被試快速讀出這個顏色詞到底用的是什么顏色，比如用紅色書寫的“藍”，字本身的意思和顏色存在沖突，我們需要讀“紅”，同時抑制住讀“藍”的沖動。其次是工作記憶，在這個過程中會不斷更新和替換已經過時的一些信息，然后加入新的信息，比如你剛剛記住了345這樣的三個數字，然后接下來要記住567，而不要再記住345了，這時候就需要在記憶中把345刪掉，同時把567放進去。我們對于工作記憶的考察也采取了類似的模式，即給被試一系列這樣的數字讓他去記，比如我說5—9—0，然后他就需要回答說5—9—0，我們會看他到底能夠記住多長這樣的數字。如果需要提高難度，也可以讓被試倒著記數，比如我說5—9—0的時候，他要回答0—9—5，同樣被試能記住的數字長度就代表他的工作記憶能力。最后是轉換，簡單來講，就是你旁邊站了一個美國人，另一邊站了一個中國人，所以你需要在講中文和講英文之間不斷進行切換。一種常見的測試任務是卡片分類任務，比如兔子和船它們是兩種不一樣的東西，同時它們又分別用紅色和藍色來進行描繪，被試的任務就是要根據提示，按照顏色或者按照物品類別來對圖片進行分類，當按照顏色進行分類時，紅色兔子和紅色小船是一類；當按照物品類別分類時，紅色兔子和藍色兔子是一類。被試在不同規則間的切換正確率就代表了他的轉換能力。

而“熱”執行功能則主要包括抑制沖動選擇和在抑制過程中的堅持性，也就是在獎懲條件下，個體受到情緒左右的抑制控制能力。在抑制沖動選擇方面，研究者們一般采用跨期決策任務和風險決策任務來對“熱”執行功能進行考察。跨期決策任務包含兩種選擇模式：小的即時獎賞（SS）和大的延遲獎賞（LL）。例如：你是愿意現在得到50元還是一個月后得到100元。選項的立即獎賞金額、延遲獎賞金額、延遲時間在每一次選項中進行改變。而常見的風險決策任務有愛荷華賭博任務和劍橋賭博任務。

第一，愛荷華賭博任務共有4副紙牌A/B/C/D，紙牌背面是獎勵或懲罰，其中紙牌A和B在總凈損失上等效，而紙牌C和D在總凈收益上等效。每張牌獲勝和損失的設置方式如下：紙牌A、B每次給100元的獎勵，但是紙牌A連續10次中會有5次不可預測的懲罰，10次后懲罰的總金額是1250元，凈損失250元；而紙牌B在連續10次中會有1次1250元的懲罰，凈損失也是250元。而紙牌C、D則每次給50元的獎勵，相似地，紙牌C在連續10次中會有5次不可預測的懲罰，10次后懲罰的總金額是250元，凈收益250元；而紙牌D在連續10次中會有1次250元的懲罰，凈收益250元。因此紙牌A、B是“不利”紙牌，而紙牌C、D是“有利”紙牌，被試要達到盡可能多贏的目的。

第二，劍橋賭博任務由一排10個紅色和藍色的色塊組成，紅色和藍色色塊的數目比例按照1:9—9:1變化，其中一個黃色的代幣藏在它們后面，被試需要猜測黃色代幣可能出現的位置，并且為自己的選擇下注，下注金額越大代表其越偏好冒險。對抑制過程中的堅持性考察主要通過延遲滿足任務進行。早期的延遲滿足任務為棉花糖測試，被試需要在立即得到一個棉花糖還是等待15分鐘后得到兩個棉花糖之間做出選擇，參與者往往是學齡前兒童。但由于其測試內容簡單，對于年齡稍大的兒童青少年并不適用，因此逐漸衍生出了更多更精確的延遲滿足任務。比如采用高、低飛機的圖案對等待時間進行可視化操作，讓被試在及時小獎勵（2、4、6、8元）和需要等待（5s/10s/20s/30s/60s）才能獲得的大獎勵（10元）之間做出選擇，一旦被試選擇大獎勵，那么他需要真實經歷等待相應的時間后才能獲得獎勵。

兒童青少年的執行功能發展

執行功能包含如此多的子成分，但它們其實并不是在學齡階段統一發展的，甚至每個個體的執行功能發展軌跡都是不一樣的，執行功能的發展趨勢存在著個體差異性，但已有研究都說明執行功能的發展可能會有兩個重要的時期。

第一個大概是學齡前，即3—6歲時，而另一個在青少年時期（8—15歲）。而在不同成分上，有研究表明抑制控制發展相對較早，在5—7歲之間表現出顯著的增長，之后發展趨于平緩，直到成年晚期，抑制控制能力才開始出現下降。而轉換能力則在5—11歲之間發展較快。工作記憶能力在4—15歲之間呈線性增長，且那些相對復雜的工作記憶任務，成熟時間會更晚。有研究針對7歲、11歲和15歲三個年齡組探討了“冷”執行功能的發展，結果表明三種執行成分在15歲左右達到成人水平。

與“冷”執行功能相比，“熱”執行功能的發展更為緩慢。4歲兒童在延遲滿足任務中的等待時間顯著長于3歲兒童，但是“熱”執行功能在學齡前期的發展仍不完善，受制于實驗范式選取的難易程度，比如有研究者發現，4—5歲兒童的延遲滿足能力已經顯著好于隨機水平，而3歲兒童的延遲滿足能力則與隨機水平無顯著差異，即在各試次中的選擇都是隨機的，并未體現一定的規律性。

然而，在兒童版本的愛荷華賭博任務中，3歲兒童的表現顯著低于隨機水平，4—5歲兒童的表現雖然顯著好于3歲兒童，但仍然與隨機水平不存在顯著性差異。而這可能是由于兒童愛荷華賭博任務中，懲罰的頻率相對較低造成的，不足以提示年齡較小的兒童采取暫時低收益但是低風險的優勢選項。研究者采用不同獎懲頻率的愛荷華賭博任務考查了3—5歲兒童的“熱”執行功能，結果表明當懲罰頻率提高時，兒童更會避免選擇不利選項，“熱”執行功能任務表現有所提高。此外，有研究考察了較大兒童的“熱”執行功能隨年齡的變化情況，結果發現，兒童從6歲開始，其年齡發展與“熱”執行功能能力呈顯著的正相關關系。

盡管現有行為研究關于“熱”執行功能在青春期階段（12—17歲）發育規律的結論不太一致，但總體來說個體的“熱”執行功能仍呈現出與年齡相關的改善，目前研究表明這種改善存在三種可能的發展趨勢：線型、U型和J型。青少年的風險雙系統模型認為該時期下的風險行為主要是由于抑制控制和獎勵尋求之間的不平衡造成的，抑制控制隨個體發展呈線性增長，一直到成年期才發育成熟；而獎勵尋求則在青少年早期達到峰值，隨后則不斷下降，因此當青春期個體在進行“熱”執行功能任務時，雙系統的不平衡性在高度卷入情緒和動機的場景中體現出來，從而促成“熱”執行功能表現的差異。

例如在青少年群體中進行劍橋賭博任務測試，結果發現相比于青春期早期和后期，處于15歲青春期中期的個體有更高的冒險程度、會更偏好及時獎勵，表現出較差的“熱”執行功能，表明個體的“熱”執行功能隨年齡發展呈現出U型變化。然而也有研究認為青少年中期和早期個體的“熱”執行功能水平相差不大，但在青少年后期其“熱”執行功能有顯著提高，從而總體上呈現出J型變化，比如當個體在愛荷華賭博任務中面對高風險選項時，處于青少年后期的個體會誘發更多的反應前皮膚電信號，表明其在面對不利選項時的情緒喚醒——憂慮程度較高，對個體做出不利選項起到示警作用，從而表現出更好的“熱”執行功能。而包含了9—23歲年齡群體的縱向追蹤研究卻表明，愛荷華賭博任務可能不足以讓個體“失控”，抑制控制掩蓋了對獎勵的尋求，使得個體“熱”執行功能呈現出與抑制控制發展相似的規律，表現出隨年齡線性增長的特性。另外有研究發現青春期“熱”執行功能表現還受到性別、人格特質、青春期性成熟等因素的影響。

執行功能的腦發育

北京師范大學左西年教授一直在做一個彩巢計劃，他們通過追蹤很多孩子，發現他們在青春期左右經歷了非常明顯的大腦工作模式切換，相當于說青春期以后是和成人一樣，而青春期以前和兒童差別不大。由于兒童和成年人的大腦工作模式完全不同，這也就使得青春期的大腦確實處在一個較為混沌的狀態，所以也更容易出現抽煙喝酒之類的不良行為。由于執行功能的行為發展規律并不一致，這也推動我們猜測執行功能的發展是否會與個體腦發育情況密切相關。

參與“熱”執行功能的腦區主要位于額葉皮層，學前期兒童的腦結構與功能尚未成熟，該時期下兒童的“熱”執行功能可能與“冷”執行功能共用相同的神經機制。有研究利用fNIRS來收集3—6歲兒童完成延遲滿足任務時的腦活動信號，相比于非任務態下，被試在完成延遲滿足任務時，右腹外側前額葉有顯著的激活，但與成年人研究的結果相反，學前期兒童的腹外側前額葉腦區在即時選項下表現出更強烈的激活，而非延遲選項，這種異常的激活表明右腹外側前額葉可能在兒童學前期未實現完全的功能進化，并不能較好完成延遲滿足任務。而學齡期兒童的腦區激活，特別是功能連接正趨于成熟，表現出與成年人類似的模式。有研究基于“冷”“熱”系統的注意集中理論，認為當被試在目標獎勵（如食物）上集中注意力時，更難忍受誘惑，更容易選擇即時選項，因此該研究利用fMRI對7—9歲兒童完成延遲滿足時的注意偏向與腦活動進行了檢測，結果表明，當兒童更多注意延遲滿足目標（如糖果）時，其伏隔核和腹外側前額葉、內側眶額葉之間的功能連接較弱。還有研究表明，腹內側前額葉—背外側前額葉的功能連接在被試年齡和延遲滿足選擇之間起中介作用，該功能連接越強，兒童越傾向于做出延遲選擇；基于整合控制評估理論，腹內側前額葉對輸入大腦的信號起整合作用，其中也包括與行為控制有關的信號，年齡較小兒童的腹內側前額葉—背外側前額葉功能連接較弱，從而更難控制行為。因此，與“熱”執行功能相關腦區的發育不成熟、功能連接較弱都可以很好地解釋為什么“熱”執行功能的發展緩慢，而“冷”執行功能則受影響較小。

在青少年階段，個體的腦灰質體積和皮層厚度逐漸變薄，同時其大腦的白質體積也不斷增加，為大腦的精細化加工和高級認知功能（如“熱”執行功能）的改善提供前提。研究者認為大腦白質完整性與沖動的抑制控制能力有顯著的正相關關系，因此在青少年時期，個體大腦的白質尚未發育完整，抑制控制能力較弱，更容易做出沖動的決定。此外，皮層灰質體積在對個體“熱”執行功能的調控中發揮著重要作用，研究者認為青少年表現出更多的風險行為，例如吸煙成癮和酗酒等，這與其眶額葉皮層的灰質體積逐漸降低密切相關。青少年時期執行功能的變化規律還與認知控制系統和獎賞系統之間的發展不均衡性存在十分緊密的聯系。大腦獎賞系統的發育十分迅速，在青少年早期則達到巔峰，相比之下認知控制系統則呈線性增長發育緩慢，一直到成年期才完成發育，因此青少年時期兩系統的發育不均衡可能是影響其“熱”執行功能表現的主要原因。針對青少年和成年人的跨期決策任務研究發現，個體在即時選擇條件下的沖動程度隨年齡增加而降低時，腹側紋狀體、腦島、扣帶前回等邊緣—皮層—紋狀體系統活動隨年齡增長激活減弱，而左側腹內側前額葉等抑制控制系統區域則隨年齡增長激活增強；腹側紋狀體被認為表征了對獎賞和預期獎賞的敏感程度，腦島則參與了時間和獎勵的信息整合，前扣帶回與預測錯誤能力有關，而腹內側前額葉則是對刺激本身價值編碼的關鍵腦區，這些腦區構成了青少年“熱”執行功能的雙系統，因此該雙系統的發育不均衡可能是青少年更加沖動、“熱”執行功能表現較差的作用機制。

我們也進行了一些研究的嘗試，比如說利用了跨期決策任務，我們發現北京和重慶兩個大學生樣本里其實都存在一定程度的個體差異，那么大腦的激活情況，是否能預測這樣的個體差異呢？我們也確實發現與“熱”執行功能相關的區域，比如眶額葉皮層，它能夠有效地預測我們的跨期選擇，而且我們還發現在個體做風險選擇的時候，這個區域也會激活。除此之外，我們在新冠肺炎疫情防控期間測了兩次大概有900多名大學生的跨期決策情況，我們用新冠肺炎疫情之前的大腦數據來看能不能預測他們在疫情后，在這種壓力情況下的跨期決策改變，結果也證實了我們的猜想，同時還存在一定的性別差異，男生的這種改變量和可預測性相對于女生來講更強一些。

執行功能作用

“冷”“熱”執行功能，都在學生學習過程中發揮著重要的作用，對語文、數學等學科學習都必不可少。比如在完成閱讀任務時，學生需要存儲和加工上下文信息，同時需要抑制無關信息的干擾，從而形成完整的文本意義表征，這些過程與執行功能的抑制控制和工作記憶能力密切相關。同樣在完成數學任務時，學生需要選擇和操縱相關的數字、忽視不相關的數字、選擇最優的計算策略、在不同的步驟和方法間進行切換等，這些過程均涉及執行功能。并且“冷”“熱”執行功能還對學生的情緒勝任力有重要影響，執行功能高的個體會更善于識別、理解、表達和調節情緒。此外，經典的棉花糖實驗也表明，具有更高“熱”執行功能的人會有更好的學習表現、更高的未來成就。

執行功能干預

執行功能在發育過程中也可能會面臨一些異常狀況，比如說一些病理性群體，像成癮、多動癥等，他們執行功能不同成分的受損情況均不相同。那么基于執行功能對教育的重要作用，我們可以通過什么樣的方式能夠去改變甚至提升個體的執行功能呢？

首先是有一些腦刺激的方式，比如可以在大腦上面放幾個電極，這些電極我們采用干電池供電，利用這樣的方式可以達到給大腦提供一個電廠的作用。我們在實驗室中已經做過這樣的研究，會讓我們的被試戴上一個電極帽，然后為被試提供一些真實的風險場景，比如小明要過馬路去買東西，但他所站的位置沒有人行道，而100米以外有一座天橋，但是小明仍然決定橫穿馬路，這就是一個風險行為。我們讓被試讀完之后，讓他們去評價這個行為的好壞，如果他們是小明，是否會選擇這樣做，我們同時測量了他們的風險態度和意圖。結果發現，經過腦刺激干預后，他們會認為這些場景的風險指數更高了，也就不愿意去選擇這樣做了。但是他們在控制場景上的表現沒有任何改變。當然腦刺激的方式雖然能夠有效預防和改善執行功能，但是在現實生活中可能很難實現。

而一些更方便的干預策略是什么呢？在兒童期，第一可以增加孩子的體育活動，有研究表明，傳統跆拳道相比于普通體育課更強調自我控制、紀律和性格發展，因此能提高孩子的執行功能。第二可以開展一些音樂訓練，研究者發現為期6個月的音樂訓練即可刺激大腦皮層的活動，改善執行功能行為。第三是雙語訓練，當兒童在使用雙語時，需要在兩種語言之間不斷進行轉換，可以提高他們的認知靈活性。最后是一種自我疏離的策略，教兒童以第三人稱的方式與自己對話，或者把自己想象成一個模范角色，這時，兒童往往能更好地控制自己的想法，從而避免一些沖動行為。到了青春期，執行功能的干預可能更加具有針對性，比如利用計算機訓練以及教育課程，還可以采取一些有氧運動，哪怕是短時間（30分鐘）的有氧運動都可以誘發執行功能腦激活模式的改變。當然更好的辦法是通過正念或瑜伽，利用冥想從而促進感官覺察，進一步對自我身體掃描，從而使青少年更關注自我控制。