执行功能各成分的脑机制及其在教育中的应用

戚娅玮，何清华

西南大学心理学部（中国重庆 400715）

执行功能（executive function）是一系列高级认知过程的总称，与学业成就密切相关［1］，主要包括抑制控制、工作记忆、认知灵活性等“冷”执行功能［2］，以及“热”执行功能［3］。虽然以往研究者们对执行功能的具体定义有不同的说法，但都一致认为，它是一种需要自上而下的意识控制行动、思想和情绪，并且涉及前额叶皮质（prefrontal cortex）神经系统［4］的认知过程，与推理、决策等行为密切相关［5-6］。儿童期执行功能发展较好的表现除了与更好的学业成就、就业状况、生活质量、身心健康、幸福感等有关，还与较少的青少年和成年期破坏性行为和较低精神病发生率有关［7］。虽然执行功能的个体差异在整个生命周期中相对稳定，但也有证据表明执行功能可以通过练习得到改善，并伴有相应的神经功能变化。这种稳定性和可塑性的结合凸显了促进执行功能健康发展的潜在价值。目前，执行功能已在心理学、教育学、认知神经科学等领域得到了广泛研究和探讨，并且越来越深入、具体地揭示其脑机制，这些研究结果不但具有重要的理论意义，而且对儿童的发展与教育具有重要的实践价值。

1 执行功能不同成分的发展趋势

1.1 抑制控制

抑制控制是指个体通过控制自己的注意、行为、想法或情绪来抵制内在反应倾向或外在诱惑的心理过程，是执行功能的核心成分之一［8-9］，一般包括反应抑制和干扰抑制2个方面。研究［10］表明，抑制控制可以控制工作记忆的瞬时内容。不良的抑制控制会导致工作记忆内容更加复杂和混乱，对相关和非相关信息间的时间分配不合理，并产生不恰当的反应。抑制控制能力减弱会影响学习、检索和理解等认知加工过程。

抑制控制在婴儿期就已经出现，在幼儿期、儿童青少年时期得到快速发展，经历3个发展关键期：3~4岁、7~9岁、10~12岁。在第一关键期内， 3~3.75岁时抑制控制获得快速发展，幼儿在3岁时抑制能力还没有完全表现出来，到3.75岁时产生了抑制技能策略［11］。在第二关键期内，儿童抑制控制能力显著提高［7］；儿童在反应抑制方面最重要的提升出现在7~9岁，该年龄段儿童抑制优势反应的能力相比于6~7岁儿童显著提高［12］。在第三关键期内，儿童早期抑制控制能力发展至10~12岁时接近成人水平，成年后开始下降，个体差异对其发展水平的影响持久［13］。研究［10］表明，抑制控制的减少与年龄的增长有关。对抑制控制能力与学业成就的关系研究［14］发现，高中生的抑制控制能力已经达到比较高的水平，并且与学业成就关系密切，是有效学习的监控系统。总之，与其他阶段比较，关键期内抑制控制能力的发展水平更高、发展速度更快。

1.2 工作记忆

工作记忆是指个体在执行认知任务过程中对信息暂时保持与操作的能力［15-16］，是流体智力的核心成分［17］，在学习、推理等高级认知活动中起重要的作用［18］。工作记忆主要包括4种成分：语音回路、视-空间模板、中央执行功能以及情景缓冲器［19］。其中语音回路、视-空间模板负责言语信息和空间信息的存储；中央执行功能主要负责工作记忆中的信息控制、各子系统功能的协调和操纵注意管理系统［15-16］；情景缓冲器是容量有限的能够存储多维编码的系统，它不仅是工作记忆的组成成分之间的缓冲存储器，而且还将工作记忆与感知和长时记忆联系起来［19］。

工作记忆在个体2岁时开始发展［20-21］，3岁幼儿出现认知抑制与工作记忆功能分离的趋势［22］。工作记忆的发展经过3个关键期：6~8岁、9~11岁、12~13岁（青春期早期）。研究［23］发现，4~6岁开始上学的儿童就已经具有一个不同于中央执行和语音回路的模块化结构——情景缓冲器。工作记忆的基本模块结构——语音回路、视-空间模板和中央执行功能，从6岁或更早就存在，并且直到青春期每个部分的能力都在增长［24］。在第一和第二关键期内，语音回路功能显著提升［25-26］，分别在8岁和12岁达到峰值［12］。8~9岁儿童和19~24岁成人的工作记忆中保存临时约束信息的能力（情景缓冲器）有所提高［27］。儿童在9岁左右就已经掌握了工作记忆中保留视觉信息的任务，而如果这项任务还涉及信息处理，那么大约在12岁时达到顶峰［28］。工作记忆的发展一直持续到成年，在15~19岁时明显提高，之后随着年龄的增长，提高的速度减慢［29-30］。

1.3 认知灵活性

认知灵活性，也称定势转换或反应转换，是指个体在进行适当的反应变化以符合新情境的要求时，保持反应定势的思想和动作的灵活性［14］，它的前提是理解在给定的情况下至少有2种可能的行动方式或观点［9］。与抑制控制和工作记忆不同的是，认知灵活性很难独立出来。认知灵活性是一种较晚出现的执行功能成分，因为成功的转换假设是以特定水平的工作记忆（即牢记规则）和抑制为前提的。例如，被试抑制或转换任务的设置［9,21,31］。由此可见，认知灵活性属于较高级的任务，需要工作记忆和抑制控制的协调。

认知灵活性的发展经过了2个关键期：7~9岁和青春期。研究表明：2岁左右的幼儿能够对构造、空间定义明确的物体进行分类［32］；2~3岁儿童的认知灵活性与工作记忆的关系密切；3~3.5岁儿童的认知灵活性与抑制控制的关系密切［33］；3岁和4岁儿童只能根据物品的共同特征进行分类［34］；5~9岁儿童在反应灵活性上呈发展趋势，5岁儿童有着较低的概念灵活性，9岁儿童在概念灵活性上相比5岁儿童具有很大的提升［35］；7岁儿童在转变行为时会遇到困难；7~9岁儿童的认知灵活性经历了一个关键的发展阶段，其多维任务转换能力大大提升；12岁时相对成熟。从错误中学习和设计替代策略的能力出现于童年早期，并在童年中期不断发展［36］。研究者［37］以7~82岁个体为被试探究执行功能发展的变化，结果发现，转换任务的表现呈U型函数，儿童早期、青春期直到成年期反应时呈线性降低，表明认知灵活性不断提升，至成年早期达到顶峰，老年期出现衰退。

1.4 “热”执行功能

MIYAKE等［38］从执行功能的生理基础和任务特性的角度出发，将执行功能分为“冷”执行功能（无情感动机卷入的纯认知）和“热”执行功能（受情绪动机激活的认知）2个方面。在此分类框架下，抑制控制、工作记忆和认知灵活性属于“冷”执行功能；“热”执行功能通常被称为情感决策。大量以儿童为研究对象的研究发现了冷、“热”执行功能运行的不同及其相关因素［39-42］，以及表现出与其他指标不同的关系模式，比如言语心理年龄［43］、学业成就［39,42］、心理理论［44］以及行为问题［42,45］等。

“热”执行功能相比“冷”执行功能发展得更慢［46］，可能遵循与“冷”执行功能不同的、有延迟的发展轨迹。“热”执行功能的发展经历2个关键期：3~4岁和青春期。对爱荷华赌博任务的研究［47］发现，4岁儿童做出的有利选择多于随机水平，而3岁儿童做出的不利选择多于随机水平，儿童情感决策在学前阶段发展迅速（尤其是女孩）［48］。到目前为止，“热”执行功能和“冷”执行功能的因素分析研究主要集中在年龄≤6岁的儿童，在该年龄段，两者的区别可能才刚刚开始显现［49］。这与神经系统功能专门化的一般过程相一致。神经系统最初是相对未分化的，但随着经验的增加，作为适应发展过程的一部分，变得更加专门化［50］。HOOPER等［51］对9~17岁儿童进行了1项“热”执行功能和2项“冷”执行功能的测试，结果发现，随着年龄的增长，被试在3种任务中的表现都有所提高，但年龄较小组的儿童（9~10岁组和11~13岁组）主要表现为“冷”执行功能的提高，而“热”执行功能任务表现良好的仅限于年龄最大组的青少年（14~17岁组）。PRENCIPE等［52］研究发现，8~15岁的儿童在“热”执行功能测试中达到了与成人类似的表现水平；且相较于“冷”执行功能，“热”执行功能达到成人水平儿童的年龄更大。虽然“热”执行功能的发展相对“冷”执行功能较晚，但是青春期依旧是其发展的关键期。

2 执行功能的脑机制

一般认为，大脑前额叶皮质是执行功能的神经基础，而不同方面的执行功能由不同的脑区负责。“冷”执行功能主要涉及纯认知方面，参与“冷”执行功能的主要是外侧前额叶皮质，包括背外侧前额叶皮质（dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC）和腹外侧前额叶皮质（ventrolateral prefrontal cortex,VLPFC），以DLPFC为基础，主要与解决相对抽象的、去情景化的问题有关。“热”执行功能主要涉及情感方面，与解决需要情感和动机参与调节的问题相关。参与“热”执行功能的主要脑区包括后扣带回（posterior cingutate cortex, PCC）、内侧前额叶皮质（medial prefrontal cortex, MPFC）、眶额叶皮质（orbitofrontal cortex OFC）和腹侧前扣带回（ventral anterior cingulate cortex, VACC）。此外，“热”执行功能与参与情绪和动机处理的边缘结构紧密相连，包括杏仁核、脑岛、纹状体（壳核、尾状核和伏隔核）、海马和脑干［53］。

抑制控制主要是以腹侧前额叶皮质、DLPFC、前扣带回为基础［54-55］。DLPFC对抑制控制有着重要影响。经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）靶向DLPFC的研究［56］发现，健康被试的抑制控制能力有所提高。通常认为DLPFC的功能在于选择恰当的反应而抑制不恰当的反应，并且与脑干、基底神经节等区域（即冲动系统）协同控制冲动性行为［57］。DLPFC的损伤可能会导致个体出现对空间位置无法准确定位、记错时间顺序、身体运动控制缺陷及注意分散或分散过度等认知障碍。此外，DLPFC在反应抑制和自我控制方面也具有重要作用［58］。前扣带回是大脑中与注意力和抑制控制有关的最重要的区域之一［59］。神经影像学研究［60-61］表明，成功的抑制控制与多个脑区的共同作用有关，包括前辅助运动区 （pre-supplementary motor area,pre-SMA）、右侧额下回（right inferior frontal cortex,rIFG）、DLPFC、丘脑底核（subthalamic nucleus ,STN）等区域。

工作记忆主要是以前运动皮层、辅助运动区域、布洛卡区、背外侧前额叶皮质、顶叶后部为基础。对学龄儿童拼音文字阅读的功能磁共振成像 （functional magnetic resonance imaging, fMRI）研究［62-63］发现，左侧背外侧前额叶皮质（left DLPFC）与儿童的工作记忆和阅读理解有密切关联。执行控制网络和背侧注意网络组成的额顶叶连接是工作记忆能力发展过程中的重要神经基础。神经机制的研究［64］发现，工作记忆训练引起大脑额-顶叶区域激活减弱，而皮层下结构包括纹状体和尾状核区域的激活增强；工作记忆训练减少了大脑灰质的数量，增强了大脑白质的功能连通性；工作记忆训练引起尾状核上多巴胺受体的变化。此外，扣带回、后顶叶皮质、纹状体、感觉运动区也与执行功能有着密切的联系［13］。

认知灵活性主要是以前扣带回、顶叶后部、DLPFC为基础［55,65］，包括外侧和眶额顶叶、中扣带回岛叶和额纹状体区域在内的大规模大脑功能网络，这些区域在整个生命周期中支持认知灵活性。儿童早期和中期认知灵活性的发展具有可塑性，其中前额叶皮质发挥了重要作用。例如：与年龄相关的几个大脑区域的活动增加与认知灵活性有关，包括右侧前额叶皮质、左侧顶叶皮质、前扣带回和纹状体。同大脑区域发展一致的是，认知灵活性在儿童早期和中期迅速提高，表明这可能是一个对发育和环境驱动的变化敏感和高可塑性时期［66］。“热”执行功能与大脑前额叶皮质紧密关联。大量脑成像研究表明，MPFC、OFC、VLPFC以及VACC等前额叶皮质区域与涉及情感、动机、奖赏/惩罚和社会刺激的“热”执行功能相关。在情绪刺激的认知控制中，常常激活MPFC和OFC。OFC的损伤会引发情绪失调、主动性与自发性欠缺、行为冲动等方面的问题。总体来说，“热”执行功能以大脑OFC为基础，以高度的情感卷入或情感意义评价为特征。

3 执行功能与学业成就及学习障碍的关系

执行功能的良好发展有利于学业成就，但同样地，执行功能的障碍也与多种学习障碍有关。AHMED等［67］评估了儿童早期（4.5岁）和青少年（15岁）执行功能成分及其对学业成就预测之间的纵向关联，同时保持重要的人口统计学和早期家庭环境变量不变。结果发现：4.5岁时的工作记忆能够显著预测15岁时的工作记忆。元分析研究［68］发现，执行功能与学业成就呈中度正相关，且该相关不因执行功能结构、年龄或测量类型而有所不同。这些发现证明了早期儿童执行功能在预测后期执行功能以及学业成就方面的重要作用。

作为高级的认知功能，执行功能能够预测儿童的学校表现［1,69］。执行功能的损害是各种临床条件的突出特征，如注意缺陷多动障碍（attention deficit and hyperactivity disorder, ADHD）和其他外部性问题［70］。对6~13岁ADHD儿童和非ADHD儿童的执行功能进行测试发现，ADHD儿童的执行功能更差［71］。国内学者的元分析［72］结果显示：学龄前儿童执行功能与ADHD症状具有显著相关性，其中抑制控制、工作记忆，尤其是工作记忆与注意缺陷的相关程度最高，并且学龄前儿童执行功能能够预测后期ADHD症状。

研究者［73］通过与正常组儿童比较发现，阅读障碍儿童的执行功能（包括选择性注意调节过程、转换和抑制控制）存在困难，这些困难似乎受到语音工作记忆缺陷的影响，通常与阅读障碍有关。抑制控制和工作记忆能力与发展性阅读障碍有关，能够预测儿童的阅读能力。未来的研究应该探索执行功能训练作为阅读障碍儿童的干预手段，因为核心执行功能似乎可以随着训练而改变，并可能转移到提高阅读能力上［74］。

总之，一系列的研究已经证明执行功能的良好发展有助于个体发展更好的学业成就，这使得执行功能的可塑性在教育实践过程中的应用具有了必要性。

4 执行功能的可塑性与教育启示

执行功能具有可塑性，认知训练是常用的提高执行功能的方法，其中，最直接的是工作记忆训练。由于执行功能对学业成就具有很好的预测性，所以，以执行功能为重点，同时寻求提高孩子学习能力的早期教育方法，有助于在学龄早期培养孩子的学习准备和学习能力。促进执行功能的教育实践被当作是促进学业能力的一种方式，如思维工具课程（Tools of the Mind Curriculum）。有研究［75］调查了一系列旨在间接提高执行功能的活动，包括有氧运动、冥想练习（正念训练）和玩电子游戏，结果表明间接的训练方法也可能非常有效。

工作记忆训练是不关注学业能力而提高执行功能的直接途径之一。目前已有多个计算机化的认知训练程序，如Cogmed（www.cogmed.com）、LumoSity（www.lumosity.com）、CogniFit（www.cognifit.com）以及Mind Sparke（www.mindsparke.com）等［64］。计算机训练已经被证明可以提高工作记忆和推理能力，其优点是能够以一种加法的方式增强认知能力，产生更大的迁移效果。但尚不清楚它是否可以提高抑制控制能力，并且难以确定产生的认知增强真正决定哪个成分及其具体机制。在基于中央执行功能对儿童工作记忆可塑性机制的研究［76］中，被试大多为15岁以下的正常儿童和特殊（多动症、智力低下等）儿童，训练周期一般为15~30 d，每天训练时15~25 min。结果发现，工作记忆训练不仅可以提高儿童的工作记忆能力，而且还能迁移至其他高级认知功能（流体智力、数学能力等），甚至可以改善多动症儿童的临床症状，且这种训练效应可以保持3~6个月。但同时需要注意的是：虽然越来越多的研究发现工作记忆训练效果可转移到儿童的学术能力（academic abilities），但相比于近迁移，其远迁移效果是不确定的［75］。尽管工作记忆训练不关注学业能力，但能够提升学业能力。随着我国教育的发展，计算机在各地区已经广泛使用，各中小学可将工作记忆训练内容作为兴趣课程，引导学生进行训练。

思维工具课程是一门受维果斯基（Vygotskian）思想启发的课程，该课程通过鼓励社会情境表演和自我调节的语言来促进学龄前儿童的自我调节和读写能力［77］。虽然初步评估发现参加思维工具课程的学龄前儿童的表现优于未参加课程的儿童［78］，但是之后的研究未能复制这种效果［79］。相比思维工具课程，蒙特梭利课程对执行功能的影响更加稳健。在认知灵活性测试上，参加蒙台梭利课程的5岁儿童的表现明显优于未参加课程的儿童［80］；在秋季至春季期间，相比参加低保真度（lower fidelity）蒙台梭利课程和传统课程的学龄前儿童，参加经典蒙台梭利课程（仅使用蒙台梭利材料）学龄前儿童的执行功能显著提高［49］。此外，早期的执行功能训练最有益于低收入家庭、低工作记忆广度儿童，ADHD儿童和男孩（男孩的抑制控制能力较女孩更弱）［81］。因此，经济欠发达地区应该更注重儿童早期执行功能的发展，提供相应的训练课程。

有氧运动可以显著改善前额叶皮质功能和执行功能［82-83］。运动训练对儿童心理功能的改善在涉及执行功能的任务中表现得最为明显。相关研究表明：有氧跑步提高了8~12岁儿童的认知灵活性和创造力，经过训练的儿童其认知灵活性和创造力显著高于标准体育教育儿童，但没有影响非执行功能技能［84］；有认知成分参与的有氧运动更有利于执行功能的提升［85］。因此，通过有氧运动提升执行功能的方法可通过中小学体育课堂设计有认知成分参与的有氧运动课程，从而提升儿童的执行功能。

正念是指个体有目的地把注意力不加评判地保持在当下的体验上，并对当前心理事件进行觉知的一种方法。有研究者［86］对3~4岁幼儿进行正念训练，每周2次，每次20~30 min，共12次。结果发现：相比于未训练组（对照组），训练组的抑制控制和认知灵活性得分更优，2组的工作记忆差异不显著。这表明，正念训练能够促进3~4岁幼儿执行功能的发展，且主要表现为抑制控制和认知灵活性的提升。由此可见，3~4岁幼儿的抑制控制能力提升可以通过正念训练来实现。此外，正念训练还有助于情绪调节，3~4岁儿童正值热执行功能发展的第一关键期，该阶段的正念训练对儿童热执行功能的提升亦有帮助。学校应该合理利用心理健康教育课堂，将心理健康理论知识与正念训练实践相结合（尤其是小学3~6年级以及初中生课堂），这不仅有益于儿童心理健康发展，还有助于提升儿童的抑制控制和认知灵活性。

此外，运用脑科学方法改善执行功能的方式近年来得到广泛研究。例如：在检验tDCS对抑制控制、工作记忆、认知灵活性影响的研究［56］中，27项单次tDCS激活DLPFC的元分析结果显示有效率为0.71，提示tDCS对工作记忆任务有显著影响，并且能够改善一般执行功能。以上研究结果证明了执行功能的可塑性，并且可以通过行为和脑刺激等多种方法提升。

随着执行功能可塑性研究的深入，研究者们开发了多种提升执行功能的训练方法，对于教育实践和教育质量的提升具有重要意义。但是，众多训练方法的选择还需要遵循一定的原则，在此框架下进行适当的训练才能够更有效地提升个体的执行功能，促进我国教育的发展。第一，已有大量的研究表明执行功能是可以通过训练提升的，具有扎实的训练基础；第二，随着大脑功能的发展，个体执行功能的发展具有关键期，在各执行功能成分发展的关键期进行重点训练，更有利于增强训练效果；第三，在训练的过程中，需要关注个体差异，根据个体执行功能的发展特点选择相应的训练方式、时长、难易程度等；第四，在未来的执行功能训练过程中需要结合脑的训练方法（tDCS、经颅磁刺激技术等），更要注重多种方法的结合（课堂教学、计算机训练、体育活动、正念训练、脑刺激与神经反馈等）。