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儿童大脑是如何记住数学知识的?

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随着儿童学习简单的算法,他们会逐渐从通过数指头来解决问题转变到回想记忆里的事实

科学日报报道,随着儿童学习简单的算法,他们会逐渐从通过数指头来解决问题转变到回想记忆里的事实,而在某些儿童身上,这种转变比其它儿童发生的更为容易,但科学家们并不知道具体的原因。最新的大脑成像研究提供了来自一项纵向研究的首批证据,从而解释了当儿童在学习数学知识时大脑是如何自我识别的。一个精确编排的大脑变化集合很多涉及到名为海马体的记忆中心,后者对这种转变至关重要,根据美国斯坦福大学医学院的一项研究表明。

这项发表在8月17日的期刊《自然·神经科学》上的研究揭示了认知技巧正常发展过程中的大脑识别,这将作为未来与具有学习障碍的儿童大脑研究进行对比的起点。“我们希望能够更好地理解儿童是如何学习新知识的,并确定为什么有些儿童从记忆中得出事实的能力比他人要强,” 研究高级作者、美国斯坦福大学精神病学和行为科学教授维诺德·梅侬(Vinod Menon)博士这样说道。“这项研究提供了对于每一名儿童认知发展过程中发生的动态变化的新见解。”

这项研究还添加了有关儿童和成人大脑是如何解决数学问题的差异研究。当解决相同类型的数学模型时,儿童会使用某些大脑区域,包括海马体和前额皮质,这与成年人存在极大的不同。“海马体和前额皮质在儿童基于记忆的解决问题方面所起的作用竟然与成人存在如此大的不同,这真是出乎我们的意料,”研究首席作者博士后研究学者秦绍正(Shaozheng Qin)博士这样说道。

转变策略

在这项研究里,28名儿童在解决简单的数学问题时同时接受两次功能性磁共振成像大脑扫描,这些扫描之间的时间间隔为1.2年。研究人员还在单一的时间点扫描了20名青少年和20名成年人。在研究伊始,儿童年龄为7-9岁,青少年年龄为14-17岁,成年人年龄为19-22岁。被试者都有正常的IQ。由于这项研究调查的是正常的数学学习,具有与数学相关的学习障碍以及具有注意力不足过动症的潜在被试者则被排除。儿童和青少年是在学校学习数学,研究人员并未提供任何数学指导。

在研究中,儿童的平均年龄为8.2至9.4岁,他们在解决数学问题时变得越来越快和越来越精确,且更多地依赖于从记忆里取回数学知识,更少依赖数数。随着这些策略的转移,研究人员观察到儿童大脑里的几处变化。在一年之后,儿童大脑在塑造新记忆方面起着好几项作用的区域海马体被激活得更多。涉及数数,包括部分前额皮质和顶叶皮层,的区域,则被激活的较少。

科学家还观察到海马体与儿童大脑其它区域相关性的程度的变化,一年之后前额皮质、前颞皮层和顶叶皮层与海马体的联系更加强烈了。至关重要的是,这些联系越强烈,每一名儿童从记忆里取回数学知识的能力越强,这项发现提供了有关数学学习障碍的未来研究的起始点。

尽管一年之后儿童会更多使用海马体,但青少年和成年人在解决数学问题时只会最少量使用海马体。相反,他们会从新(大脑)皮质里完好发展的信息存储里取回数学知识。

记忆脚手架

“这意味着海马体搭建了儿童学习和巩固数学知识形成长期记忆的脚手架,” 梅侬说道。儿童大脑正在建立一个数学知识的架构,随着用于解决数学问题的类似成年人的神经连接逐渐被建立起来,海马体帮助支持了大脑其它部分。“在成年人身上,这种脚手架不再需要,这是因为数学知识的记忆已经在新(大脑)皮质里巩固加深了,”有趣的是,这项研究还显示,尽管成年人大脑里的海马体并不如儿童大脑里的一样积极参与活动,但它似乎保存了成年人常从新(大脑)皮质里取回的数学信息的备份。

研究人员对比了儿童、青少年和成年人在正确解决数学问题时,大脑活动样式的变化程度。与儿童相比, 青少年和成人的大脑活动样式相对较为稳定,这暗示着随着大脑活动变得越来越一致,大脑也越来越擅长解决数学问题。

接下来的一步便是将正常数学学习的最新发现与具有数学学习障碍的儿童的情况相对比。“对于那些具有数学学习障碍的儿童而言,我们知道流畅的取回数学知识是个基本的问题,但对于已经进入高中甚至大学的他们来说却仍是个瓶颈。这是因为在学习早期阶段,海马体无法提供可靠的脚手架以在大脑其他部分搭建好的数学知识的架构,因此儿童持续的使用效率较低的策略来解决数学问题?我们想要对这一猜想进行测试。”

这项研究的其他合作作者还包括斯坦福大学前博士后学者赵秀贤(Soohyun Cho)博士,博士后研究员陈天文(Tianwen Chen)博士以及精神病学和行为科学指导者米里亚姆·罗森博格-李(Miriam Rosenberg-Lee)博士。这项研究得到了美国国家卫生研究院、斯坦福儿童健康研究所、露西尔帕卡德儿童健康基金会、斯坦福临床和转化科学奖和荷兰科学研究组织的支持。(来源:凤凰科技)