珠心算练习对儿童认知发展及脑可塑性的影响

胡玉正[e-mail]浙江大学物理系交叉学科实验室.2010年1月珠心算练习对儿童认知发展及脑可塑性的影响提纲一．珠算、心算和珠心算二．珠心算相关研究三．珠心算练习对儿童认知能力的影响(本实验室工作）四．珠心算练习对儿童脑结构的影响（本实验室工作）提纲一．珠算、心算和珠心算二．珠心算相关研究三．珠心算练习对儿童认知能力的影响四．珠心算练习对儿童脑结构的影响一、珠算、心算和珠心算1.1筹算算筹十进制│─│─（1111）祖冲之（公元429～500年），借助算筹作为计算工具，成功地将圆周率π值计算到小数点后的第7位，即在3.1415926至3.1415927之间，成为当时世界上最精确的π值，比西方国家数学家的相同成就要早1100多年。1.2珠算算盘://普通心算和珠心算普通心算主要基于语言策略数字使用语言表征珠心算视觉、空间策略数字使用珠像表征385三百八十五385提纲一．珠算、心算和珠心算二．珠心算相关研究三．珠心算练习对儿童认知能力的影响四．珠心算练习对儿童脑结构的影响二、珠心算相关研究1.行为表现2.数字记忆3.加工方式4.训练效应2.1珠心算者在计算任务的行为表现哈塔诺等人(Hatanoetal.,1977,Cognition,)考察了珠算专家的计算技能10个珠算专家，完成3-5个十位数字相加结果：1.珠算专家可以不借助实际的算盘完成这项任务；2.珠算技能中等的人在完成任务的过程中手指要运动，好像在操作一个实际的算盘一样；3.在完成任务的同时能够回答数学无关的问题，但是很难回答数学相关的问题他们的实验表明：珠算专家头脑中有一个虚拟算盘；他们对想象的算盘进行操作；珠心算技能与数学认知系统相关2.2a数字工作记忆的行为学研究哈塔诺和奥萨瓦（Hatano&Osawa,1983,Cognition）在1983年对珠算专家的数字记忆广度进行了研究发现珠算专家在数字记忆广度方面显著优于普通人，但是在其他方面和普通人一样。而且珠算专家在完成数字记忆任务时容易受到视空间任务的干扰，而语言任务对他们影响比较小。珠算专家的数字记忆广度依赖于珠像表征，具有特异性。语言任务的影响视空间任务的影响珠算等级:1)新手2)中等偏下3)中等4)中等偏上5)专家头脑中用来做计算的算盘转化成数字记忆的工具塔纳卡（Tanakaetal.,2002,NeuroReport）用事件相关的功能磁共振成像实验对珠算专家的工作记忆进行研究发现：普通人依赖语言工作记忆神经结构为布洛卡区珠算专家依赖视空间工作记忆神经结构涉及双侧额上回和顶上小叶.2.2b数字工作记忆的神经基础2.3珠心算加工的神经机制哈塔和艾克达（HattaandIkeda，1988，Neuropsychologia）1973年用行为学实验的方式发现：珠心算专家主要使用右脑进行计算普通人主要使用左脑进行计算哈纳卡瓦（Hanakawaetal.,2003，Neuroimage）2003年利用功能核磁共振成像实验发现：珠心算主要依赖二维视空间信息处理相关的神经资源，如前运动区和顶叶后部台湾学者陈等2006年用功能核磁共振实验得到了与哈纳卡瓦类似的结果Chenetal.,2006,NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearch.fMRIstudy台湾学者吴等2009年用正电子发射断层扫描也得到了和上述两个实验相吻合的结果Wuetal.,2009EurJNuclMedMolImaging,PETstudy2.4珠心算的训练效应提高计算能力--更快、更准、操作位数更多[斯蒂格勒(Stigler)1984，哈塔诺(Hatano),1977]提高数字工作记忆容量[哈塔诺和奥萨瓦(Hatano&Osawa)1983,哈塔诺等(Hatanoetal.)1987,塔纳卡等(Tanakaetal.)2002]提高儿童的推理能力[艾尔文等(Irwingetal.)2008]艾尔文等人2008年所做的工作研究了珠心算训练对儿童推理能力的影响[Irwingetal.(2008)PersonalityandIndividualDifferences]苏丹被试量很大：3185，年龄在7到11岁，训练34周，每周训练2小时完成时间得分对珠心算研究的一些结论1.珠心算练习者的算术计算能力比一般人强2.珠心算练习者的数字记忆广度比普通人高3.珠心算使用视空间策略和相应的神经结构来完成心算任务4.珠心算练习可能会影响到儿童的智力发展局限和存在的问题1.被试大多都是成人2.都是视觉刺激珠心算者采用视空间策略3.几乎不关注珠心算对练习者的数字认知是否产生影响4.较少关注珠心算技能是否发生了迁移5.没有关注珠心算练习对脑可塑性的影响①珠心算儿童是否有类似成人的心算网络？②听觉和视觉刺激模式下的心算网络是否有差异？③珠心算练习是否对数字的自动化加工产生影响？是否对练习者的数量表征产生影响？④珠心算练习是否对儿童的工作记忆产生影响？是否对儿童的心理表象操作产生影响？⑤珠心算练习是否影响到脑的结构？提纲一．珠算、心算和珠心算二．珠心算相关研究三．珠心算练习对儿童认知能力的影响四．珠心算练习对儿童脑结构的影响1.珠心算儿童是否有类似成人的心算网络？8个珠心算儿童(女生4个,年龄11.75±1.39岁)8个对照儿童(女生4个,年龄12.29±0.38岁)珠心算组被试的练习时间为4–6年(平均年龄5.5年)，每天练习0.5–1h被试加法任务下fMRI的激活模式在复杂心算时珠心算专家组和对照组参与的脑区，专家组顶上小叶后部与视觉空间表征相关的区域有显著激活，而语言区域则没有参与，对照组则相反。珠心算组被试在简单任务中的脑激活珠心算被试在复杂任务中的脑激活对照组被试在简单任务中的脑激活对照组被试在复杂任务中的脑激活儿童也有类似成人的珠心算网络从儿童在简单和复杂两种任务下的脑激活模式来看，双侧颞叶后部可能和静态珠像的识别更相关；而双侧顶叶后部和前运动区可能和珠像更新操作更相关2.听觉和视觉刺激模式下的心算网络是否有差异？听觉视觉3.珠心算练习是否对数字的自动化加工产生影响？数字自动化加工被试：本研究包括30名年龄在9-11岁珠心算儿童（男17人，女13人，平均年龄=10.20±0.535岁）和30名同样年龄段的普通儿童(15男，15女，平均年龄=10.08±0.543岁)研究范式：数字冲突实验（stroop）中性条件顺应条件冲突条件数字任务形状任务产生效应易化干扰在形状比较时，珠心算组的干扰效应要显著大于对照组（反应时：t(54)=-2.578,p=.013,准确率：t(54)=-2.841,p=.007）。反应时：准确率：干扰率=（冲突-中性）/中性；易化率=（中性-顺应）/中性数字比较反应时形状比较反应时数字比较正确率形状比较正确率易化干扰易化干扰易化干扰易化干扰易化\干扰率易化\干扰率易化\干扰率易化\干扰率对照组珠心算组4.珠心算练习者是否对练习者的数量表征产生影响？两组都显著p0.025，组间差异不显著对照组：t(26)=-1.121,p.10珠心算组：t(28)=-3.550,p.005斯纳克（SNARC）效应：数字圆点珠算组对照组（右手反应时-左手反应时）=常数项+K*(数量大小)数字大小与5比较圆点多少与5比较数字数字距离效应距离效应有组间差异t(54)=3.462,p=.001反应时=常数项+K*log(距离)数字圆点距离效应没有显著组间差异珠算组珠算组对照组对照组距离距离结论：珠心算练习对练习者的符号数量表征影响大，而对非符号的数量表征影响较小。5.珠心算练习是否对儿童的工作记忆产生影响？数字（t=5.43,P=0.00）字母(t=4.65,P=0.00)数字记忆广度与字母记忆广度是显著相关的(r=0.53,P=0.00)Huetal.,2010HBM,accepted儿童的珠心算训练也许会将对数字的记忆特长迁移到其它对象，比如字母。1.短时记忆广度：字母广度数字数字和字母记忆广度珠心算组对照组数字与字母记忆广度的关系数字字母数字广度记忆广度数字广度Nback实验方式数字的0-back2-back空间位置的0-back2-back发现珠心算儿童和普通儿童在数字和空间位置的0-back、2-back任务中的准确率和反应时均无显著差异。2.工作记忆6.珠心算练习是否对儿童的心理表象操作产生影响？心理旋转fMRI结果提纲一．珠算、心算和珠心算二．珠心算相关研究三．珠心算练习对儿童认知能力的影响四．珠心算练习对儿童脑结构的影响训练与脑的可塑性已有大量研究表明特殊技能的训练能够改变脑的物质结构比如音乐训练[Bengtsson,etal.2005;GaserandSchlaug2003;Imfeld,etal.2009;SchmithorstandWilke2002],高尔夫运动[Jancke,etal.2009]等等。问题珠心算训练是否会影响到脑结构呢？如果是，那么这种训练引起的脑结构变化发生在呢些地方？珠心算练习对儿童脑结构的影响假设：珠心算训练会对运动及视空间信息加工相关的神经通路（fibertracts）产生影响被试组别性别年龄男女范围均值标准差珠心算组15109.61-11.5810.480.58对照组13128.89-11.5110.230.52珠心算组持续练习时间超过3年，期间每周练习3-4小时脑的物质结构脑的解剖名称弥散扩散张量成像（DTI），直接测量的是水分子在脑组织中的扩散系数，能间接反映脑组织的结构形状各向异性分数(FA,0~1),综合反映脑组织中神经纤维的密度、排列的整齐度、神经元的直径和白质中突触髓鞘化的情况。[巴瑟尔(BasserP.J.1996)]径向扩散系数:Axialdiffusivity(D//orAD)横向扩散系数:Radialdiffusivity(D⊥orRD)Mori，2006DenisLeBihanetal，1995预处理结果MRI数据统计结果FA均值（灰度图）和FA骨架均值(绿色）R:右侧;L：左侧顶颞枕联合区右侧前运动区投射胼胝体行为与结构之间的关系短时记忆广度与FA有显著的相关关系为什么发生在这些区域？FA有差异的脑区数字记忆广度霍夫和弗拉姆（Hofer&Frahm,NeuroImage,2006）霍夫和弗拉姆（Hofer&Frahm,NeuroImage,2006）前额叶前运动区和辅助运动区初级运动区体感运动区顶叶枕叶颞叶小结A.珠心算儿童的心算网络与普通儿童的不同，他们和成人珠心算专家一样采用视空间策略和相关的神经资源B.无论在视觉还是听觉刺激下，珠心算儿童的心算网络都是一样的；C.珠心算练习会对儿童的某些认知能力产生影响，如数字的数量-空间联结、短时记忆广度，心理旋转等D.珠心算练习对儿童的脑白质产生影响，这种结构上的改变可能是珠心算练习发生迁移、影响到其它认知能力的基础。更多问题珠心算练习的效应能保持多久？珠心算练习对儿童的以后的认知发展、社会发展等存在什么样的影响？感谢：中珠协黑龙江珠协浙江省珠协山东潍坊珠协慈溪市珠协七台河第一小学潍坊北关小学慈溪第三实验小学杭州九堡镇九堡小学杭州康桥小学上海市普陀区小学解放军军事经济学院浙江大学第二附属医院上海同济大学附属医院哈尔滨医科大学附属医院青岛大学附属医院