学习珠心算和没学过珠心算的大脑脑象图变化，珠心算值得学

—— BABRI团队在《Cerebral Cortex》杂志发表认知老化相关最新研究进展 ——

近日，BABRI团队在《Cerebral Cortex》杂志发表了题为“Age-Related Decline in the Topological Efficiency of the Brain Structural Connectome and Cognitive Aging”的文章。本研究基于BABRI团队多年收集的中国社区老年人大样本脑影像数据库，聚焦于大脑的正常老化，揭示了在正常老化过程中人脑结构连接组的拓扑结构随年龄的改变模式，并探索了这些改变与老年人多种高级认知功能下降之间的关系。本文的共同第一作者是北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室的李馨老师，硕士生王野舟与博士生王文潇，通讯作者是北京师范大学的张占军与舒妮老师。

—— 周新林研究团队在《Developmental Science》发表封面论文揭示知觉训练干预计算障碍及其认知机制 ——

2020年7月，发展心理学权威期刊《Developmental Science》（《发展科学》）以封面论文的形式发表了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室周新林教授研究团队关于发展性计算障碍的知觉训练干预的重要发现。发展性计算障碍（Developmental dyscalculia, 简称DD）属于一种特定学习障碍，表现为数字加工和理解困难、计算的准确性和流畅性差（精神障碍诊断与统计手册第五版，DSM-5）。根据国内外流行病学调查，DD在学龄期儿童中的发病率约为5%。计算障碍的数字和计算能力缺陷严重影响了儿童认知发育，降低了儿童的日常生活和学习质量。同时，数学能力发展滞后也会影响社会进步和发展，根据经济合作与发展组织的分析报告，数学和科学成绩在个体水平提高0.5个标准差，人均GDP年增长率将提高0.87%。认知心理学的研究证实，DD儿童的核心认知机制是数目加工或近似数字系统缺陷。数目加工训练能够促进DD儿童的计算能力，但其认知机制尚不明确。领域一般性的观点认为，基本认知能力是符号运算和非符号数字的基础。本研究假设，视觉形状知觉是数目加工训练促进DD儿童计算成绩的认知机制。本研究将80名DD儿童随机分为干预组和对照组，对干预组儿童实施为期8天的数目加工训练，提高其数目的心理表征、数目之间、数目与符号之间关系的表征能力。使用的训练程序是改编自数目比较任务的小猪收苹果游戏（见图1），训练者的任务是用鼠标来收集尽可能多的苹果，同时避开炸弹。对照组接受英语听写的训练。两组被试在干预前后都要接受认知测试：心理旋转、词语辨析、简单减法、数目比较和图形匹配任务等，目的是测量被试的视觉空间能力、句子理解能力、算术成绩、非符号数量加工能力和视觉形状知觉能力。

图1 小猪收苹果游戏示意图

结果发现，干预组经过训练后，计算能力、近似数字系统敏感度、视觉形状知觉等有了显著提高，但并未表现在空间加工和句子理解方面（见图2）。并且，训练引起的计算成绩的提高源自视觉形状知觉能力的提升。因此，非符号的数目加工训练可以促进DD儿童的算术流畅性，视觉形状知觉是训练效应的认知基础（见图3），证实了DD儿童数目加工能力和符号运算成绩之间的因果关系。数目加工训练能够促进符号运算能力，表明视知觉对数目加工和数学运算同等重要，并进一步支持了本课题组之前的研究观点，即视知觉构成了计算和阅读共同的认知机制。知觉训练不但对DD儿童有效，对视知觉缺陷的学习障碍儿童同样有效。

图2 干预组和对照组前后测的认知任务成绩

图3 符号算术能力的训练效应受视觉形状知觉能力的调节

本研究首次使用随机对照的方法考察了非符号数目加工训练对计算障碍的干预效果，证明了计算障碍儿童的近似数字系统和符号运算之间的因果关系。本研究是神经认知发育理论在实践中的应用，为计算障碍的干预及其潜在机制提供了实验证据。根据本研究结果，当儿童经常观察物体的不同数量时，虽然这个过程看起来没有任何数字的参与，但其实对于数字计算是非常有益的，这种益处尤其体现在那些计算能力较差的儿童身上。因此，为了提高儿童的计算能力，适当的使其参与一些数量估计相关的益智游戏或训练（如小猪收苹果游戏）可能是一项有效的训练方案，有助于培养儿童的数学能力。此外，本研究结果提示，形状知觉能力在数学学习中起着重要的调节作用，在DD儿童的数学教育教学中，需要更加重视学生基本认知能力的发展，重视符号视觉形状加工的作用，提高DD儿童对数学符号的形状表征与加工能力。该论文第一作者为周新林教授的博士生程大志（现首都儿科研究所副研究员），通讯作者为国家重点实验室周新林教授，河北师范大学崔佳歆副教授和加州大学尔湾分校的陈传升教授参与了合作研究。此研究获得到了国家自然科学基金、111计划项目、未来教育高精尖创新中心项目等基金的资助。

—— 周新林研究团队发现珠算课程可以消除计算障碍 ——

发展性计算障碍，又称计算障碍，是一种特定的数学学习困难。学龄儿童中，计算障碍发生率约为3-7%。这类孩子智力正常，但在“数量感知、数字相关知识、计算”上存在缺陷，在“利用数学概念、算术事实、程序性知识解决数学问题”中存在困难，且在数学学业成绩上远落后于同龄儿童。很多患有计算障碍的孩子，也伴随着阅读困难、注意力缺陷多动障碍、焦虑、抑郁、学业自信低下。很多孩子在学龄早期就存在罹患计算障碍的风险，在孩子大脑高速发展的学龄早期，进行计算障碍的预防预警尤为重要。近年来，针对珠算珠心算训练的研究已发现了珠心算训练对学习者算术能力的促进作用。有些研究还表明，珠心算可以提升基本的数字加工效率、工作记忆、注意能力。脑科学研究显示，珠心算可以塑造大脑，其中就包含计算障碍群体可能发育不良的大脑顶叶区域。那么，既然又能提高算术计算能力，又能塑造大脑，早期的珠算课程是否可以消除计算障碍？周新林团队为了验证珠算课程对于计算障碍的作用，选取了江苏省南通市和常熟市，来自12个自然班的479名二、三年级的学生参与了测试。这些学生在入学时，随机被分配到珠心算班级，或者不学习珠心算的非珠心算班级。6个珠心算班级的学生（245人），一年级起即开始接受珠算课程，珠算课程内容和他们的数学课程相融合。而6个非珠心算班级（234人）学生不接触任何珠心算训练，接受常规数学课程学习。由于学生随机分班，所以可认为两类班级孩子入学时数学水平相当。研究者通过对比两类班级，检验珠算课程对于计算障碍的预防及干预作用。研究结果显示，二、三年级时（即经过2-3年珠心算学习）两类班级的计算障碍发生率存在显著差异。珠心算班级没有学生被诊断出计算障碍，而非珠心算班级总体的计算障碍发生率为6.4%（各班级计算障碍发生率见图1）。

图1 各班级计算障碍发生率

研究者随后比较了两类班级学生一般认知能力的差异。结果显示，在控制了性别、年龄、除本身外其它认知能力因素后，珠心算班级的学生在空间工作记忆、注意能力上，都显著性优于非珠心算班级的孩子。最后，为了检验是否由于期待效应——珠心算班级为珠算课程试点班级，受教师期待较高——导致珠心算班级学生各项任务表现均更好。研究者控制了性别、年龄、所有一般认知能力，也控制了学生的阅读能力（用字音匹配的任务测量，呈现一个拼音，让孩子从7个备选的汉字中选出来读音为屏幕上拼音的汉字），结果显示，珠心算班级学生算术计算任务表现仍然显著性更好。而当控制性别、年龄、所有一般认知能力，也控制了学生的数学能力后，两类班级孩子的阅读能力并不存在显著差异（见图2）。这证明，珠心算学习并不会引起广泛的学业成绩的提升，并不是单纯的期待效应导致的学业相关认知能力普遍提高。

图2 控制年龄、性别、一般认知能力后，两类班级数学能力（算术计算任务）、阅读能力（字音匹配任务）差异比较。

两类班级仅在数学能力上存在显著差异，阅读能力上并不存在显著差异。

借助珠算班级与非珠算班级的比较，该研究首次揭示了珠算课程对于计算障碍的预防及干预作用。研究启示我们，中国的珠算课程，可能可以用于早期的学校数学教育，发挥早期预警作用，用以避免孩子出现计算障碍。该研究由北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室周新林课题组。北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室陆彧捷、马美为第一作者，周新林教授为通讯作者，外单位合作者包括江苏省财政厅文教处陈国忠秘书长。该研究获得国家自然科学基金委（No. 31600896，31671151）、北京师范大学等单位的经费支持。

—— 舒华教授、丁国盛教授参与eLife论文揭示中法儿童具有跨语言普遍性阅读神经回路 ——

文字的产生使得口耳相传的知识和经验得以记录和传承，对人脑的进化产生了革命性的影响。不同文化中的文字在设计规则、形音义之间的映射方式等方面都存在很大差异。有关人脑对不同文化的文字符号处理是否依赖一个普遍的阅读神经回路，一直存在分歧。近期，认知神经科学与学习国家重点实验室舒华教授、丁国盛教授参与完成的一项跨文化比较脑成像（fMRI）研究，为回答该问题提供了研究证据。

该研究由北京师范大学、北京大学、法国巴黎高师和法国国家健康与医学研究院的研究者合作完成。研究者在中国北京和法国巴黎共招募96名小学儿童。根据学习的文字及阅读水平，这些儿童又分为四组：汉语正常发展儿童，汉语阅读困难儿童，法语正常发展儿童，法语阅读困难儿童。研究者使用相同参数的核磁共振仪记录了这些儿童在被动观看文字、面孔、房子等视觉材料时的大脑活动信号。

首先，全脑水平的激活分析发现，汉语和法语正常儿童在经典的阅读脑区（左侧梭状回、颞上沟、中央前回、额中回）表现出对文字加工的选择性。此外，这两组被试在左腹侧颞枕区表现出经典的马赛克式的激活分布模式，即从外侧到内侧分别对不同的视觉类别（文字，面孔和房子）有选择性反应。但汉语和法语阅读困难儿童则没有在左侧颞枕区表现出对文字加工的选择性（见图1）。进一步将这四组儿童对文字的反应进行语言×组别的方差分析，发现左侧中央前回(PCG)，颞上沟(STS)和梭状回(FFG)表现出阅读水平的主效应，左侧顶内沟(IPS)表现出语言主效应，但即使在宽松阈限下也未见脑区表现出二者的交互作用（图2）。这说明汉语和法语这两种截然不同的书写系统依赖一个普遍的阅读神经回路，且两种语言的阅读困难儿童都表现出相同的神经活动异常。除了上述传统的全脑分析，研究者还进行了脑-行为相关分析，也发现不论汉语还是法语儿童，左侧额中回(MFG), 颞上回(STG), 梭状回(FFG)等脑区对文字的激活程度在两种语言中都与儿童的阅读水平呈正相关，表明它们是阅读发展的核心脑区。

研究者进一步选取文献中报告的与阅读障碍相关的脑区作为感兴趣区，提取这些区域对文字的反应进行2 （语言：汉语，法语） × 2 （组别：正常发展，阅读困难）方差分析。结果发现左侧额中回(MFG), 顶上小叶(SPL), 颞上回后部(pSTG)表现出语言的主效应，具体为汉语儿童的激活大于法语儿童；此外，左侧梭状回(FFG), 额中回(MFG), 中央前回( PCG)表现出阅读水平的主效应，具体表现为阅读困难儿童在该区域表现出激活的减少。没有发现语言和阅读水平的交互作用。贝叶斯分析同样支持了上述结果。

上述分析中阅读困难儿童激活的减少并不能排除另一种可能性，即阅读困难儿童对文字的激活强度其实是正常的，只是由于阅读困难儿童个体间差异大、激活的peak(极值)点更为分散，从而组间平均下来使得其平均值低于正常发展组。研究者为了验证这一可能性又进行了基于个体peak点的分析。结果发现即使找到每个被试加工文字时在上述感兴趣脑区(ROI)里激活最强的体素，阅读困难组的激活也依然在上述脑区低于正常发展组。此外，peak点的位置分析发现不存在显著的组间差异。多体素模式的分析（MVPA）也有相同的发现，从而排除了阅读困难激活的降低是由更大的组间变异带来的可能性。

最后研究者锁定在腹侧颞枕皮层(vOTC)区，考察书写系统在视觉特征上的差异是否会带来视觉区域激活的差异。此外，考察阅读困难儿童的神经活动的异常是否只局限在文字加工上，以及是否只出现在腹侧颞枕皮层特定的区域，如视觉词形区(VWFA)上。结果发现：（1）汉语儿童加工文字时更多激活右侧的vOTC区，这与汉字更复杂的空间视觉特征有关；（2）阅读困难儿童和控制组儿童最显著的差异在于对文字的反应上，而非在非文字的视觉类别上，且差异最显著的位置位于最经典的VWFA上。总之，通过全面而广泛的分析（全脑激活分析，感兴趣区的ROI分析，个体Peak点分析，多体素的模式分析（MVPA），针对vOTC特定区域的分析和贝叶斯分析），发现汉语和法语儿童在加工文字时激活了大脑上相同的神经回路。同时汉语和法语阅读困难儿童存在一致的神经活动异常。且在上述所有分析中均并未发现阅读水平与语言的交互作用。

基于上述结果，该研究指出，尽管中法语言结构、正字法深度、表音表意规则存在很大差异，儿童阅读获得/发展过程仍然依赖一个跨书写系统的普遍核心阅读回路，该阅读回路受到阅读水平的调节，揭示了阅读习得和阅读困难神经机制的跨语言普遍性。

该项研究于2020年10月29日在线发表于eLife评审意见认为，该研究填补了一个很重要的空白。在已有元分析提出正字法深度不同的拼音文字中阅读障碍神经机制具有普遍性 (VWFA)的基础上，该研究通过实验研究把该发现扩展到了完全不同的文字系统—中文和法文—中。