神经影像工具与教育神经科学的发展
作者: Michael I. Posner / 2455次阅读 时间: 2016年2月22日
来源: 《心智、脑与教育》 标签: 神经影像 教育神经科学
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神经影像工具与教育神经科学的发展
作者:Michael I. Posner

教育神经科学得以发展的关键要素就是20世纪80年代末认知神经影像技术的进步。这些方法为我们的读写能力、计算能力和专长的获得以及教育的其他方面都带来启发。

一、血液动力学影像

很久以来,科学家一直试图对人脑进行成像,但是直至计算机断层扫描技术“CT”的出现才开启了神经影像的新时代。CT用数学算法将X射线结合起来,形成脑结构的扫描图像。然而我们最急需的是能够反映日常任务执行过程中脑功能的图像。绘制脑功能图像的努力开始于对血流量的测量。放射性核素在与介质形成联系时会发射光子,研究者就利用这一特性统计不同脑区的发射频率来记录血流量的变化。绘制这些图谱的主要方法是单光子发射计算机断层扫描(SPECT)和正电子发射断层扫描(PET)

(一)PET成像的运用

在20世纪80年代末,研究者已经能够检测到人类在执行思维任务时整个脑的变化。其中用到的一个方法就是正电子发射断层扫描。我们知道,当脑细胞处于活跃状态时,它们会改变自身局部的血液供应。PET正是利用这一原理来呈现激活脑区的位置。

(二)1990年的一个重大进展就是运用磁共振(MR)技术来测量局部血氧量的变化。它无放射性、无创伤性,并且可以运用于儿童。这一技术(fMRI)不仅能比PET更好地呈现局部脑的激活,而且还有另外两个特点,这两个特点对认知和教育的研究都非常重要。

第一,由于fMRI不使用任何放射性物质,因此它可以用于对儿童的研究,并且可以通过重复扫描来比较个体脑激活的差异。

第二,因为个体可以接受多次扫描而没有危害,fMRI可以让研究者在相同的实验中将不同类型的试次结合起来,这样被试就不能对每个任务形成特定的应对策略。

使用fMRI不仅可以研究很多与认知加工(如阅读、听力、想象等)有关的脑神经网络,还可以探究情绪、社会以及与个性相关的加工过程。

(三)联结

正如阅读和脑激活的研究所揭示的,一些神经区域在执行任务时都会按照一定的顺序被激活。探究这种联结的一个方法是使用fMRI来研究脑区激活的时间顺序以及激活脑区间的关系

二、脑电图成像

由于fMRI是基于血流量成像的,它的变化相对较慢,因此可能很难检测到时间上的微小差异。但是记录头皮电生理活动的脑电图(EEG)是一种时间精确性非常高的技术。

(一)事件相关电位

当多次呈现一个刺激(例如一个单词)时,电活动或者磁活动可以叠加抵消背景噪音而保留刺激出现时间的波形,从而形成事件相关电位。事件相关电位反映了刺激对脑的影响,并且在刺激呈现后以毫秒为单位产生反应。它展现的是信号诱发的脑激活图谱。

(二)脑电波

来自头皮电极的复杂电信号可以解析成正弦波或余弦波而分离出来。研究者对这些脑电波非常感兴趣,包括它们所代表的脑状态以及不同系统间脑激活的整合。

(三)婴儿与幼儿

电生理记录是完全无创的研究技术,可以用于对幼儿的研究。因此这一技术对探究婴儿期脑的变化具有非常重要的价值。

研究发现,在说英语的家庭成长的婴儿在这一时期如果能经常听到另一种语言(例如汉语普通话),就能够保持他们区分这种语言音素的能力,同时,也能够促进英语(他们的母语)音素的掌握。这类研究结果表明,婴儿听觉系统的发展会受到他们所处环境的语言特征的影响。

(四)损伤

来自脑损伤研究的数据可以解释诸如阅读障碍和计算障碍这类学习障碍的起因。

损伤数据和神经影像技术可以用来验证并拓展学习和脑发育的理论。尽管教育者并不经常接触由中风引起的特定脑区损伤的患者,但由这些患者所得到的研究结果往往能够解释一些特殊的学习困难,例如阅读障碍和计算障碍。

三、基因:神经网络效能的个体差异

教育者对学生间的个体差异非常感兴趣,而这一兴趣往往涉及对智力的研究。神经影像技术为研究个体差异的先天因素提供了新的视角。尽管大多数使用神经影像技术所得到的神经网络研究结果对所有人都是通用的,但不同人的神经网络效能却有差异,而这在一定程度上可能取决于遗传变异。这些遗传变异的表达也会受到经验的影响。基因对不同蛋白质的编码会影响神经递质(如多巴胺)的效能。这些神经递质是因其受体而产生的,或者与其受体相结合。而这些神经递质反过来又与神经网络效能的个体差异有关。

人类在高级神经网络的解剖结构上有很多共同之处,这是由基因决定的。与个体差异有关的基因,同样也可能在人类所共有的神经网络的发展中起到非常重要的作用。通过学习,我们可以在之前就存在的神经网络之上构建新的功能。例如人在婴儿期就已经表现出对数字的初步理解能力,当与语言神经网络共同激活时,这种先天的数感就可以形成数字计算的基础。

尽管基因对共同的神经网络及其效能的个体差异非常重要,特定经验也起到非常重要的作用。一些基因与父母养育质量存在交互作用。研究证明,儿童成长的环境会影响基因塑造神经网络的方式,并最终影响儿童的行为。

如果神经网络受父母养育和其他文化因素的影响,那就应该有可能开发出特定的训练方法来影响其神经网络。

鉴于注意效能具有很大的个体差异,我们预测注意训练对初始效能很低的那些儿童特别有帮助。这类儿童或是注意网络发生病变,或是有着与较差的注意表现相关的遗传背景,又或者在成长过程中注意受到不同程度的剥夺。

四、总结

神经影像技术为研究者提供了新的方法,来研究人脑在执行学习任务(如阅读和计算)时是如何运作的。神经网络在执行大多数日常任务时是相互联系的。随着练习的增加,脑区之间的联结性得到增强,因而任务执行也变得更加高效。临时或永久的损害会阻断神经网络,进而引起特定功能的丧失。神经影像研究的结果表明,每个人都拥有的一般神经网络与引发个体独特性的神经网络的不同效能之间存在重要的联系。目前大多数神经影像研究多关注早期教育的一般性。但是这一领域正在不断拓展,以考察专家与新手间的差异。这些研究可以进一步拓展神经影像技术在中等教育和高等教育研究中的应用。

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