教育影响文字、数字识别与空间、时间感知的神经加工能力

本·哈维

运用功能磁共振成像技术可以探究大脑是如何加工和组织信息的。大多数功能磁共振成像研究的是某个特定刺激或者任务激活了大脑的哪个脑区。研究发现，身体的部位与大脑皮层表面呈现一种空间对应关系。在视觉中，在视觉皮层的每个记录单元也同样对应视网膜上的一个特定位置，称作“记录位点群感受野”。

研究表明，大脑对空间位置的偏好在皮层上是逐渐变化的，在大脑皮层表面形成映射图结构。我们在初级视觉皮层的记录位点也能测量对于视觉空间的反应有多精确，也就是每個记录位点的响应范围。这些映射图谱的性质能够预测一个人的视觉能力。映射图面积较大的人，或者说初级视觉皮层与视觉位置存在更精确对应关系的人，有更好的视觉空间分辨能力。

在5岁的孩子和25岁的成年人中，这些初级视觉映射图的大小基本没有区别（图1），同时这些区域对视觉空间位置也表现出同样的激活。所以成人与儿童的初级视觉皮层对视觉空间的表征是非常相似的。图2表示，成人与儿童初级视觉区域的视野空间表征基本上是相同的，不受发育的年龄和教育的影响。视觉区域的大小和反应精确度能够预测简单视知觉的精度，这一观点得到了先前研究的证明。早先的研究成果表明，这些简单的视知觉功能在人6个月大的时候就已经得到快速的发展，视觉能力及其对精确的视觉位置信息所产生的神经活动很快就达到成人的水平。大脑对简单视觉感知的准确度，在人5岁的时候就已经发育成熟。这也是我们可以开始用核磁共振技术来测量孩子的年龄。

视觉词形区是负责人类阅读的脑区。成人和儿童识别文字的视觉词形区的大小变化不大，但是他们的激活反应发生了改变，儿童的脑对右侧的一大片区域产生激活，而成人对更精确的一小片区域激活，这个精细的区域就是我们阅读单词的位置。这个结果与我们在阅读中所学会的眼睛的移动方式是一致的。Brian Wandell 教授的团队也发现，随着教育年限的增加，这些区域间连接质量的提高能够预测儿童的基本阅读能力。视觉词形区域的功能连接在儿童学习阅读的过程中发生了明显的变化。所以初级视觉区域的反应和视觉空间感知的能力在6个月左右就基本成型，而阅读技能是在学龄初期得到发展的，与此同时得到发展的是视觉词形区的反应和连接。

人脑具有识别数字、判断数量的能力。当我们看到数量小的一堆物体时，我们就知道看到了多少个物体。这个过程是快速、轻松、准确的，而且不需要计数。许多动物也和人一样拥有这个能力，比如在寻找食物的时候，这个能力能够帮助动物判断多与少。这个能力在学龄初期也还在发展，8岁的孩子能够比4岁的孩子更快地判断出一组物体的数量。即使考虑了年龄和一般智力等因素，那些能够更好地判断物体数量的孩子，在基本的数学任务中也做得更好。

如前所述，视觉空间可以映射在初级视觉皮层上，但是对于更加偏向认知的属性，比如数字的直觉是怎么样的呢？近些年，我们通过更高级的磁共振技术来探寻这些物理量是如何映射到大脑皮层表面的。在大脑中针对不同物理量激活最强的区域存在于不同的区域，例如简单物体加工区域、注意引导区域、决策区域等。在每个映射区域，对物体数量的反应在大脑表面逐渐变化，把对同一物理量激活的神经元组合在一起，就形成了在大脑不同区域对不同数字的激活。因为不同的数字在不同区域会产生强度不一样的激活，磁共振对于不同数字反应的变化也能够预测成人估计他们所看到的物体数量的能力。这表明，这里看到的激活反应也能预测儿童的基本数学能力。遗憾的是，对儿童进行这样复杂的磁共振实验非常困难，而分析大脑激活和数学能力的关系需要大量的数据。

物理量的知觉建立在视知觉的基础上，我们最近的研究发现了对物理量的映射图，在对物理量知觉的精度提高时以及基本数学能力进步时，这些数字映射图背后的神经活动和连接就会得到发展。这一关系与我们已知的关于阅读技能和与单词识别对应的区域的知识是一致的，所以对于数学来说，检验物理量感知区域、物理量知觉能力以及基本数学能力之间的关联，是未来理解大脑中数学基础的挑战。那些能够更好地说出所看到的物体数量的儿童，他们的基本数学能力也会更好，他们也更擅长于需要注意力的任务。当然注意是教育的关键因素。这样看来，孩子的注意和数字视觉任务与基本数学能力相关，这两种能力可能都依赖于相关的大脑区域。但是对于更加抽象、更加概念化的数学任务，数字视觉能力并没有发挥任何作用，只有注意发挥了作用。当然在这个研究中，注意力也预测了一般智力。数字视觉能力对于复杂抽象的数学任务用处不大，同时数字视觉能力和简单数学能力在成人时已经得到了充分的发展。成人与儿童的区别在于高等数学的能力，而高等数学能力和数字知觉之间不存在紧密的联系。

对于高等数学能力，我们前面看到的视觉物理量的神经网络并不重要。如果我们关注负责比较、运算的脑区，就会发现另一个神经网络。这个网络可能负责物理量和语言之间的交互作用，可能这两者对于高等数学是必须的。然而我们才刚开始研究简单的数学运算，对于高等数学我们还有很长一段路要走。遗憾的是，许多先前的研究将物理量的激活和附近的大小比较的激活反应混淆了。目前，我们认为，负责比较和运算的区域对于高等数学更重要，这些区域可能与负责物理量的区域相连接或者建立在这些区域的基础上。这也印证了在数学教学中，基础数学一般是通过实际的物体来教学的，而在理解了物理量的概念之后，就可以在此基础之上，通过复杂的方式来构建抽象的概念性的数学知识和科学了。所以复杂数学的理解能力出现在教育的中后期，很多自然科学家在学校时并不是个优等生，有些人甚至到大学才开始显示出才华，比如爱因斯坦。于是，过早地放弃那些学习差的学生是不明智的，他们可能会在高等数学中展现出天赋。

目前为止，我们只看了静态图像中大脑的空间激活规律。但当我们要理解与真实世界的互动时，时间就成为一个重点。人类可以在视觉、听觉和触觉中融合时间，形成一个统一的对时间的知觉，而且我们可以根据这个知觉做出有规律的动作，比如跳舞。这种对时间的知觉一般与较短的事件有关，许多这种动态的事件都持续不到1秒钟的时间。时间感在知觉中有重要的地位，尤其是从不同感觉中整合信息并计划行动，但是大脑处理时间的机制才刚开始研究。

根据前面的知觉的共通特征，对于事件时间的激活可能也和前面提到的空间和数字加工类似。我们发现了多个时间映射图，在脑中的每个记录区域都有一个偏好的时间节奏产生最大的激活，在大脑表面呈逐渐变化的分布方式。对时间反应最强的区域和对响应特定数量的区域有较大的重合。所以，对特定时间节奏的激活是支持对时间的数量知觉的证据，人脑可能参与了数量认知的过程，比如在物理学、数学中，尤其是基础数学的过程。这个过程也可能支持了多方面的协调能力，比如体育中的表现。当然也包括音乐知觉和演奏乐器的能力，这些节奏对时间的把握有很高的要求。

总之，人脑对于外在的物理量的概念集中于上述几种激活。这些物理量可能是建立数学、科学、工程学中更复杂的思想和技能的基础。大脑的时间加工甚至可能解释音乐、运动、智力之间的联系。