天赋数感•大脑可塑
认知与神经科学研究所助理教授张智宏
摄影:中央大学采访许碧纯
婴儿天生有数感,知道一加一等于二。 然而,大脑何以能形成抽象的数学概念?如何应付书写的文字和数字? 当共通的基本认知能力和后天文化建构而成的能力相互竞争时,大脑有何策略? 《科学人》特别专访以研究数感成名的法国认知神经科学家狄昂。
狄昂是法兰西学院实验认知心理学教授、巴黎国家卫生暨医学研究院认知神经造影研究部主任,主要的研究是数字认知、阅读的神经机制以及双语学习。 他原主修数学和资讯科学,因为不想成为一名研究数学的学者,却发觉数学思考是大脑最奇特的心理历程之一,于是转攻认知科学,师承知名认知科学家也是《天生婴才》的作者梅勒(Jacques Mehler)。 狄昂在2005年以40岁年纪获选为法国科学院院士,2010年获选为美国科学院院士。 发表专业论文之外,也着有多本科普书,他目前最有兴趣的研究议题是意识。
科学人:我们的第一个问题是关于你在1997年出版的《数字感》(The NumberSense)这本书,它应该是认知心理学中第一本有系统描绘人类数学认知的书籍。
狄昂:这是很好的起头,因为我刚好就在今年夏天开始修订《数字感》,预计明年4月出版。 新版会新增一个很长的结尾篇章,内容包含了过去15年的研究进展。
这真是太好了! 我们的读者可以得到第一手资讯。 其实这也跟我们的问题有关,你在这本书中对数感天赋论举出许多实验证据,特别是对于大脑如何处理数量讯息,提出了概算和精算两种策略,并证实负责这两个处理历程的神经机制。 这些年来在大脑数学认知方面有什么新发现或突破吗?
狄昂:据我所知,其实有很多新的进展和突破。 其中最重要的是如同过去行为实验结果所预期的,动物脑中有负责辨别数量的神经元。 这是由德国杜宾根大学的奈德(Andreas Nieder)和他在美国麻省理工学院的合作者进行的一项出色研究,显示动物脑中的神经元对特定的数量有很大的反应。美国伊利诺大学的罗伊特曼(JDRoitman)、杜克大学的布赖农(EMBrannon)与普莱特(ML Platt)这组人的研究则显示,动物脑中的神经元会随着数量的变化而有递增或递减的反应。 这些研究最令人着迷的地方在于思考如何用数字感的理论去解释这些神经元的运作,它们分别说明了动物有数感,也有概算数量的能力。
另一个重要的突破是研究者试图了解儿童如何发展出数字感。 美国哈佛大学史培基( Elizabeth S. Spelke )的研究指出,数感这项婴儿天生就有的能力,跟他们长大后在学校学习算术的能力有很高的相关性。 我们也有许多直接的研究证据说明,数字感如何在儿童学习算术的早期发展过程中提供学习的鹰架。
在这个领域里,有很多研究取向是从动物身上得到初步结论后,再放到人类去做重复验证,或是反过来进行。 我和义大利特伦托大学的皮亚查(Manuela Piazza)利用神经元有适应转变的特性,以功能性磁共振造影(fMRI)技术来显示人类大脑和动物一样,都有对数量变化特别敏感的神经元。
「数」虽然是很抽象的概念,但认知心理学家很早就已证实婴儿有简单的算术能力,只是数不过三,研究显示,这项运算最多只达到四。
整体说来,我们对于大脑概算数量的神经回路已有相当的了解。 现阶段最大的挑战是去了解人类大脑如何在与生俱来、负责处理数字感的神经回路上,建立学习数学的神经系统。
顶叶与数学能力之谜
你方才提到的突破之一是儿童的概算能力与他们未来学习算术的能力相关。 有任何关于数字认知的理论可以解释为什么有些人天生对数学很在行而有些人碰到数学就竖起白旗? 拥有优异数学能力的孩子是因为他们天生就有较好的数字感吗?