儿童情绪与认知发展的脑功能重组模式

/ 北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室教授

我们大脑是世界上最为复杂的智能系统。一方面，我们拥有强大的学习记忆能力，能获取各种各样的知识技能，促进人类改造世界、创建文明。另一方面，我们大脑却又非常脆弱，诸如精神压力或是焦虑情绪等，都会极大影响大脑认知功能。我的研究团队主要是关注情绪与认知之间相互作用的机制，以及情绪对儿童青少年脑发育与认知发展的调节及相关障碍。

现代认知神经科学认为，我们大脑长时记忆系统储存的知识由各种不同信息单元（如物体、事实和概念等）组成，掌握了这些知识信息后，我们可以通过不同的方式来提取并灵活运用。这些信息单元通过不同重组方式，会涌现出不同意义和功能，以便解决新的问题。如果将不同知识信息单元比作大脑长时记忆系统中存储信息的“节点”，好比知识网络的节点，那么不同重组连接模式就会涌现出不同的大脑功能，进而体现出不同个体在学习能力和学业成绩上的差异，比如高才生、学习困难和情绪行为问题儿童等。

我们的大脑究竟是如何学习和存储各种知识和技能的（比如语言、数学等）？大脑又是如何提取并迁移运用这些知识？这方面的科学研究，是国际公认的重大科学前沿课题，被国际权威期刊《Science》列为世界尚待解决的125个重大科学问题之一 。

以学龄儿童获取算术知识为例，儿童学习“4+7等于多少”这样的知识，一开始需要掰手指来计算，一般从小数4数到11，得出答案；某天孩子可能自己发现，或者老师教他，从大数7开始数比从小数4开始数更简捷；而后经过不断学习和训练，孩子会采用联想加工的策略，把问题“4+7”跟“11”形成牢固联结，看到这个问题时，就能够直接提取答案。这就产生了一个问题：儿童是如何从依靠较低级的数数来解决算术问题，然后逐步转换到灵活使用较高级的直接提取策略，最终达到非常自动化并灵活迁移运用的呢？很多数学学习困难的儿童在这个转换过程中发生了什么问题，是哪个步骤出了问题呢？

脑功能重组可以促进儿童认知发展

▪儿童认知发展的重波理论(overlapping waves theory)

儿童从低级的数数手指策略逐步转换到能够直接提取答案的高级策略，大脑在这个转换过程中究竟发生了什么变化？早期最具影响力的皮亚杰心理发展理论认为，这个转换过程是阶段性的，从较低级阶段直接跨越到更高级阶段。后来，美国心理学家Robert Siegler基于大量实证研究提出了重波理论（overlapping waves theory）认为，儿童在算术问题解决早期阶段，主要依赖于具体掰数手指，随着不断学习发展，开始使用较高级的心里默数策略，接着开始越来越多的使用联想策略——把问题和具体答案连接起来，最终学会更高级且最快捷的直接提取策略。这是一个循序渐进而不是阶段跨越式发展过程，在这个转换过程中，往往存在多种策略重叠并存的非稳定状态，故此被称为“重波理论”。特别重要的是，联想策略起到非常关键的承前启后的“支架式或桥梁”作用，帮助儿童的大脑实现从低级到高级认知策略过渡的过程。随着年龄和经验成长，儿童采取较低级数数策略频率会越来越少。采用直接自动化提取策略的频率越高，这些儿童算术问题解决能力越强，通常数学成绩也会发展得更好。如果长期倾向于停留在数数的阶段，那么这些儿童后续数学能力发育就会相对迟缓。

但是，究竟联想策略是如何涌现、从较低级策略转换到更高级策略的过程中大脑如何发展？对于学习困难儿童，这个发展过程什么时候发生了异常？联想策略不仅在数学问题的学习，还在包括语言学习等很多高级认知能力发展过程中起着非常关键的作用。对此，目前传统心理学和行为学方法，很难直接观测到联想策略如何涌现的具体过程。

近年来，随着脑功能性的磁共振技术迅速发展，我们大脑的心理行为活动在一定程度上变得“可视”了。通过脑功能成像技术对大脑活动模式进行系统观测和分析，可以推测其背后隐含的认知加工过程。譬如，当我们在解决数学问题时，与看电影和听故事时相比，大脑活动模式有非常大的差别。

我们给学龄儿童看一系列的算术问题，然后让他们同时给出答案，并通过大脑磁共振仪记录大脑的活动，再对这些大脑图像数据进行分析，解码里面的一些大脑活动信号。通过观测和分析大脑的活动模式，可以一定程度上解码这个孩子数学能力的发展状况。通过对正常发育儿童和数学学习困难儿童的系统分析和比较，我们发现，在解决算术问题的过程中，大脑的活动模式是存在非常大的差异的。学习困难的儿童大脑活动的强度非常低，这可能跟大脑对相关知识信息的表征和存储障碍有关。

这些数学学习困难儿童，在数学的学习过程中往往会表现出更高程度的数学焦虑，他们在解决非常简单的算术问题时，大脑主管情绪的相关网络系统会变得过度兴奋，而主管奖赏、控制的脑区兴奋性则会下降。与焦虑相关的大脑情绪网络过度激活，往往会导致学习效率降低，不仅阻碍新知识在大脑里的有效存储，还会影响大脑灵活提取和运用已经学会的知识，比如过度考试焦虑导致“名落孙山”的案例在中高考时有发生。

值得一提的是，儿童认知能力的发展随着年龄成长会不断变得更好，直到一定成熟稳定的水平，但是大脑结构和功能的发育过程却十分复杂，呈现一种动态非线性发展趋势。大脑认知功能存在特定敏感期，比如视听知觉系统的敏感期发育较早，而与运动相关的脑区，还有与语言相关的脑网络系统及前额叶高级认知功能的敏感期发育相对较晚。

我们通过多项长期追踪和基于神经网络的计算模拟研究发现，7～9岁是学龄儿童算术问题解决能力发展过程中，海马与额顶皮层联想加工策略涌现的敏感期。具体来讲，儿童从低级策略到高级策略转换的过程中，需要以海马为中心的联想策略作为“支架式”功能，以及大脑皮层中和执行功能和数量表征相关的前额叶、后部顶叶系统相互协同和功能重组，来支持从较低级转换到更高级认知能力的发展。当这个转换过程在青少年和成人阶段完成，且相关知识信息稳定存储下来后，海马的参与程度降低，大脑皮层对算术知识和技能的表征模式变得更加稳定，海马的“支架式”功能则转换到其它新知识和新技能的学习。

■ 大脑海马系统通过支持学习与记忆功能，在儿童算术技能习得早期起着关键促进作用

Shibata et al.,2017 Nature Neuroscience

此部分课题主要发现了大脑海马与新皮层之间在认知发展中的功能重组模式。简而言之，海马在儿童早期获取算术知识和技能过程中参与程度不断增加，以此来促进儿童从低级数数策略到高级直接提取策略的转换。了解了大脑这样的功能重组模式和过程，不仅有利于优化儿童学习和教学方案，还能有助于理解现实中数学困难儿童脑功能发育异常的具体过程，研发相关干预措施和方案。

认知训练可以改善大脑功能重组

我们训练 7～9岁学龄儿童使用联想策略方式去学习解决算术问题，在训练后记录儿童解决算术问题时大脑的活动模式。通过五天的互动训练，我们可以看到儿童解决算术问题时显著的学习曲线。通过分析每个儿童学习曲线的快慢情况，我们发现学习越快的孩子，更倾向于使用更多较高级策略来解决算术问题，能够更好地把新学习的知识和策略运用到解决新算术问题上去，即一种“近距离迁移”。也就是说，认知训练过程中学习越快的儿童，能够把知识和策略迁移去解决新问题的能力越强。

通过分析大脑功能图像，我们发现：经过训练后，儿童海马及其海马旁回的大脑活动强度增强，很可能跟海马“支架式”功能改善有关；另外与视觉空间和数量表征相关的后部顶叶激活强度也增强了。此外，还可以看到大脑更广脑区之间建立起了更强功能连接。这预示着儿童领悟知识越多，在大脑里面建立的有效连接越多，与此同时在运用或提取知识时就更容易。

对于数学学习困难的儿童，我前同事Luculano博士对一批孩子进行了8周认知训练。通过分析训练前后大脑解决算术问题时的活动模式，能够较好预测8周训练后儿童数学能力水平和改善状况。研究显示，通过认知训练后，孩子大脑的数学焦虑水平明显改善，情绪神经环路激活水平降低了。虽然目前尚不清楚这种训练改善焦虑情绪的效应能够保持多久，但无疑，认知训练是缓解学习焦虑和考试焦虑的有效方法。

这里也需要提醒，是不是认知训练越多越好？ 过度学习之后，知识信息可能因过度牢固，反而不利于迁移，知识越牢固可能就越容易形成定势。近来，日本科学家一项颇有影响力的研究发现，过度的训练会导致大脑启用一种抑制性为主的神经活动模式，这种神经活动模式会抑制你学习关联的知识。所以有一些训练可能会过犹不及，但是这个“度”需要结合实际经验和更多实证科学研究来探讨。

此部分告诉我们，优化的认知训练可以有效促进大脑的功能重组和近距离迁移，缓解学习焦虑。但是，单一且非优化训练，还有过度训练，很可能是适得其反，不利于脑功能促进。

■ 积极态度通过以海马为中心联想策略为中介，从而促进儿童数学成绩

态度与情绪可以影响儿童脑功能重组及学业成绩

我们最近一项研究，由Chen博士主导收集两百多名7～9岁儿童数学能力和积极学习态度的心理行为数据，发现儿童数学学习态度积极性越高，他们数学成绩越好。通过分析和比较大脑活动模式，发现学习积极性越高的儿童海马的兴奋程度越高，跟海马“支架式”功能在促进从低级到高级策略转换密切相关。也就是说，积极学习态度对实现数学成绩提高，很可能是通过海马功能的参与程度来实现的。

另一方面，我们从2005年开始关注更多消极情绪，比如说压力和焦虑，对大脑功能重组的调节作用。在高度学习压力条件下不光学习压力，很多其他方面的压力条件下前额叶的执行功能下降了，情绪敏感性会提高，海马里面的联想加工策略或者是精准记忆能力下降了。这预示着我们学校和家庭环境的学习过程中，是否可以考虑适当缓解他们的压力和焦虑情绪，过度压力不仅不利于获取新知识，还会对儿童青少年大脑功能发育造成极大影响，并出现情绪行为问题，甚至后面会产生焦虑和抑郁的障碍。

在高强度的学习压力下，我们体内自主神经系统变得过度活跃，HPA-轴皮质醇压力激素分泌过多，对我们大脑产生不良的影响。过度压力激素分泌会导致大脑功能发育迟缓，甚至有很长潜伏期，到青少年期甚至成年之后才表现出来。比如，我们研究发现，7～9岁儿童证实处于大脑情绪环路功能整合与分化敏感期，过度的焦虑水平会导致情绪网络环路之间功能连接过强，往往会导致过度敏感，长期“神经过度紧绷”可能会导致不同程度的情绪问题：如焦虑、抑郁症。过度压力和消极情绪不仅影响到情绪神经网络的功能，而且还影响海马在构建新知识和联想策略转换过程中的“支架式”功能。同时，过度压力还会阻碍已有知识信息的快速有效提取和灵活运用，比如考试焦虑导致高考失利的案例时有发生。

总结起来，我们研究发现：（1）以海马为中心及相关新皮层功能重组，对于联想策略涌现、促进知识信息整合，从较低级形象思维策略转换到高级抽象策略，可以说起到了非常关键的“支架式”促进作用。一旦这个过程完成了，海马参与程度降低，并得以释放，从而支持学习新的知识和技能。（2）认知训练一定程度上能有效促进大脑功能重组和知识迁移，并缓解焦虑，但是单一过度训练会导致信息过度固化，阻碍知识灵活运用和迁移。（3）积极学习态度能够促进海马“支架式”功能，消极情绪如过度学习压力和焦虑会导致情绪神经环路的敏感性过度增强，并阻碍海马的联想学习记忆功能和前额叶执行功能，从而导致学习效率降低以及灵活提取与运用知识的能力受损。