（基础心理学专业论文）有关心算脑机制的一项ERP研究.pdf

有关心算脑机制的一项e r p 研究 摘要 心算是人类重要的思维活动。本研究试图在已有研究的基础上采用“按键与不按键” 实验模式，通过事件相关脑电位( e r p ) 来研究心算活动脑内时程的动态变化( 与心算活动 相关的e r p 成分) ，探讨心算活动的特异性成分。以3 6 名在校学生为被试，采用两种类型与 难度的算术题作为心算任务，实验结果发现了难度主效应：( 1 ) n 1 潜伏期的差异可能反陕数 字或运算符号刺激的注意识别加工速度的不同；( 2 ) p 2 的潜伏期随难度增大而延长，可能标 志了不同难度算式感知过程的结束对程的和记忆材料前提取；( 3 ) n 2 潜值随难度增大增高， 可能代表对信息的早期分析加工强度的不同；( 4 ) p 3 对于复杂心算而言反映了真正的计算操 作过程和记忆系统加工；面对于简单心算而言，仅仅是与算术知识的提取相关；( 5 ) 简单心 算的s w 是储存计算结果到记忆系统及持续保持注意的心理加工过程；复热d 算的s w 则反 映了工作记忆的认知加工过程，实验结果验证了心算中不同时域的事件相关电位成分反映了 心算活动不同阶段抟信息加工过程，证实了心算e r p 受难度因素的影响，并认为7 1 0 - 1 3 5 0 m s 之间的慢波是复杂心算特异性成分， 关键词心算。事件相关电位，复杂心算，简单心算，记忆提取，真实运算 a ne r ps t u d yo nt h em e c h a n i s mo fm e n t a lc a l c u l a t i o n a b s t r a c t m e n t a lc a l c u l a t i o nw a sa l li m p o r t a n tt h i n k i n ga c t i v i t y t h i ss t u d yt r i e d t oi n v e s t i g a t ei n t o e v e n t - r e l a t e dp o t e n t i a l s ( e r p ) o fm e n t a lc a l c u l a t i o nu s i n gt h ep a r a d i g m “r e s p o n s e a n dn o r e s p o n s e ”t h i r t y - s i xc o l l e g es t u d e n t sp a r t i c i p a t e di n t h i se x p e r i m e n t w ed e s i g n e df o u rm e n t a l a r i t h m e t i ct a s k sw i t hd i f f e r e n tt y p e sa n dd i f f i c u l t i e sa n df o u n dp r o b l e m - s i z ee f f e c ti ne r p so f m e n t a lc a l c u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) d u r i n gt h ec o m p l e xa n ds i m p l et a s k ，d i f f e r e n c eo f n 1i nl a t e n c yi nt h eo c c i p i t a lr e g i o n sr e f l e c t e dd i f f e r e n tr a t eo fm e n t a lp r o c e s s e sf o ri d e n t i f i c a t i o n o fn u m e r i cm e a n i n go fd i g i t s ( 2 ) t h em e a nl a t e n c yo fp 2w a ss i g n i f i c a n t l yl o n g e rf o rd i f f i c u l t p r o b l e m st h a ns i m p l eo t i c s i ts u g g e s t e dt h ee n do fm e n t a lp r o c e s s e sf o ri d e n t i f i c a t i o na n d t h es t a r t o fa r i t h m e t i c a lf a c tr e t r i e v a lp r o c e s s ( 3 ) n 2i n c r e a s e di na m p l i t u d eb yr i s i n gd e g r e ei np a r i e t a l r e g i o nw h i c hr e p r e s e n t e dd i f f e r e n ti n t e n s i o ni ne a r l yp r o c e s sb e t w e e ns i m p l ea n dc o m p l e xp r o b l e m ( 4 ) f o rc o m p l e xp r o b l e m s ，p 3r e f l e c t e dt h ep r o c e s so f b o t ha c t u a lc o m p u t a t i o na n dm e m o r y s y s t e m s ；f o rs i m p l eo n e s ，p 3 j u s ta s s o c i a t e d w i t ha r i t h m e t i c a l f a c tr e t r i e v a l ( 5 ) s l o w w a v e w h i c h w i d e s p r e a d e do v e ra l lt h eb r a i nc o n t a i n e dd i f f e r e n tm e a n i n g sf o rs i m p l ea n dc o m p l e xc a l c u l a t i o n ， o n ew a sap r o c e s sa s s o d a t e dw i t hm e m o r i z i n ga n dk e e p i n gt h er e s u l to ft h es u ma n da n o t h e rw a s w i t hc o g n i t i v ep r o g r e s si nw o r k i n gm e m o r y t h e s er e s u l t sv a l i d a t e dt h a tam e n t a la r i t h m e t i ci nt h e t i m ec o u r s eo fe v e n t - r e l a t e db r a i np o t e n t i a l sr e f l e c t e di n f o r m a t i o np r o c e s s i n go fm e n t a lc a l c u l a t i o n i ns e q u e n t i a ls t a g e ；m e a n w h i l et h er e s u l t sa l s om a d es u r et h a te r p sw e r em o d i f i e dt o d i f f e r e n t d e l e sb yc h a n g i n gt h ed i f f i c u l t yo fm e n t a la r i t h m e t i ca n ds l o ww a v e sw i t h i n 7 1 0 - 1 3 5 0m s r e s t r i e t e dt oc o m p kc a l c u l a t i o n k e yw o r d s m e n t a lc a l c u l a t i o n e v e n t - r e l a t e dp o t e n t i a l ( e r p ) ，c o m p l e xc a l c u l a t i o n ，s i m p l e c a l c u l a t i o n ，a r i t h m e t i c a lf a c tr e t r i e v a l ，a c t u a lc o m p u t a t i o n 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 弋8 u i , 7 6 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他入或其它机构已经发表 或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所傲的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名：盘：考题 日 期：虹：i ! 塑 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定， 作者签名：_ = 缸! 孝篚 日期：盟i ：塾 刖吾 心算能力包括多种成分的认知功能，包括寻找解题步骤，控制步骤序列；从记忆中提取出构 成中间结果的算术知识，保留在脑中直到使用，然后将它遗忘以保持记忆负荷最小；最后，应用 基本的计算规则。除了理解刺激和产生反应，简单和复杂运算仅仅是各自分解了记忆提取成分， 包括提供的中间结果和最后结果。对有计算缺陷的脑损伤病人研究表明，他们通常在提取数字知 识或乘法表的表值，或在进行复杂多数字操作程序时出现障碍。在某些失算症病人身上，这两种 能力的损伤表现出了分离，暗示了两种运算操作需要相关却又不尽相同的能力。 就目前已有的采用事件相关电位的心算研究表明，心算活动所牵涉的脑激活不仅包括解剖空 间上的脑区位置，还包含在时域维度上所涉及的基本认知成分。同时程的事件相关电位( e r p ) 波形依次反映了不同的脑功能：e r p 早成份( 视觉刺激呈现后的3 0 0 毫秒内) 反映了刺激识别 的加工过程( s i m s o ne ta l ，1 9 8 5 ；c z i g l e ra n dc s i b r a ，1 9 9 0 ) ，要想完成心算任务就必须正确识别数 字；后慢波成分则和记忆系统的参与有关( p r a t cc a 1 ，1 9 8 9 ；h o n d ae ta 1 ，1 9 9 6 ) ，而与心算相关的 主要成分就是后慢波艰u c h k i ne ta 1 ，1 9 8 8 ，1 9 9 1 ；r o s i e ra n dh e i l ，1 9 9 1 ；p a n l ie ta 1 ，1 9 9 4 ) 。 关于心算事件相关电位难度效应的研究报告显示，心算任务诱发的正慢波会随着问题难度增 加而增大( p a u l ie t a l ，1 9 9 4 ) 。相反，负慢波只在困难度高的心算任务和刚开始练习时才产生。p a u l i 等人( 1 9 9 6 ) 在另一个研究中更进一步地提出正慢波反映了心算任务中和记忆提取加工有关的神 经生理基础，而负慢波则与计算过程有关，该结果与其它研究稍有不同。k o n g 等人( 1 9 9 9 ) 在 心算问题大小效应的事件相关电位研究中，要求被试进行加法心算任务，任务内容为两位数和一 位数的加法( 例如，2 9 + 8 ) 。以一位数来区分问题难易( 1 - 2 为简单，7 - 9 为困难) 。结果发现， 所诱发的e r p 表现出相似的波形，包括n 1 0 、p 1 0 0 、n 2 0 0 ，晚正复合波l p c ( p 3 a p 3 b ) 和第2 个加数呈现后的慢波( s w ) ，但两类问题诱发出的e r p 在波幅上表现出显著差异：在f 3 点上 1 6 8 - 1 8 4 m s 的p 2 0 0 ，复杂计算问题比简单计算问题的电位更大( 更正) ；在f 7 点上的p 2 0 0 与f 3 点和f 4 点上的p 3 0 0 b ，复杂问题比简单问题的潜伏期要显著长；慢波成分在f 7 点上的 8 2 0 - 1 2 9 0 m s ，在f 3 点上的8 6 0 - 1 1 4 0 m s ，简单问题的平均波幅分别比复杂问题的明显更负。 相较于其它脑成像技术，事件相关电位应用于心算的研究为数不多，主要原因在于心算活动 涉及的心理活动比较复杂，且受到诸多因素的影响。本研究采用事件相关电位为研究手段，设计 了“按键与不按键”的实验模式，旨在阐明完成心算任务的时间进程，比较不同类型、难度心算 事件相关电位在时域及空间域的变化，进而探讨心算活动的特异性成分。实验以3 6 名校大学生 和研究生为被试，采用2 ( 简单、复杂) x 2 ( 乘法、加法) 被试内实验设计，实验任务采用简 单加法、复杂加法、简单乘法、复杂乘法共2 0 0 道算术题。 实验结果表明，按键与不按键两种模式下的心算e r p 出现差异：与不按键心算e r p 相比， 按键的e r p 波形走势要更负，且左半球因按键反应造成的差异要明显于右半球。造成差异的原 因在于无按键反应活动得到的是纯粹心算e r p ，而有按键反应的心算e r p 多一个反应准备和运 动执行韵过程，其e r p 中含有运动前准备电位( b e r e i t s c h a f t sp o t e n t i a lb po rr e a d i n e s sp o t e n t i a l r e ) 。通过按键反应活动可得到被试完成心算的行为数据，以反应时和正确率为心算能力的指标， 发现反应时与正确率皆只受到难度因素的影响。 在e r p 分析上，本实验选择对四脑区典型的e r p 成分( n 1 、p 2 、n 2 、p 3 、s w ) 进行分析， 通过对这些成分波幅与峰潜期均值的比较发现，各任务诱发出的波形走势大体一致。但n 1 、p 2 、 n 2 成分仍遵循这样的差异趋势：复杂心算比简单心算的峰潜期短，但波幅更大；p 3 的差异走势 恰与此相反。方差分析发现，心算类型主效应均不显著，心算难度对部分脑区的峰潜期、波幅产 生影响，包括n 1 在顶区的峰潜期、波幅；p 2 在项区、枕区的峰潜期；n 2 在顶区的波幅；p 3 在 中央区、顶区的波幅。最显著的n l 成分来自大脑后部枕颞区的激活，其波幅在后部脑区显著增 大、峰潜期延长，反跃了刺激的注意识别加工过程。与复杂心算相比，简单心算的n 1 波幅要小， 峰潜期要长。这可能因为n 1 受到算式物理属性的影响，即视觉负荷更大的刺激引起的注意更快、 更强。n 1 之后的p 2 成分可能标志了感知过程的结柬。随着衄题难度的增加，p 2 的波幅也随之 增大，很可能因为复杂心算需要提取更多的算术知识，因此p 2 成分( 特别是顶区的p 2 ) 还可能 反映了记忆材料的提取。本研究中n 2 可自代表了对信息的早期分析加工过程，因此项区n 2 波 的差异很可能是在观察数字特征，投入不同注意力在顶叶的反映。p 3 反映了心算过程中认知加 工的问题。对于简单心算，从按键的行为反应时上可以知道。被试在7 1 0 m s 左右就已经得出心 算结果，因此可以判定此后的慢波可能与心算结果的记忆与存储相关。如果这样，对于简单心算， p 3 成分只与算术知识的提取有关。对于复杂心算，被试在1 3 0 0 m s 之后才完成心算任务并按键反 应，这与复杂心算的慢波时程几乎吻合，因而可以判断复杂心算的p 3 与之后的谩波成分都与运 算密切相关，即与真正的计算操作过程以及运算中产生的中间结果的保持、存储相关。 慢波成份的差异趋势大致为：前部脑区复杂心算的平均波幅比简单心算的更正，后部脑区复 杂心算的平均波幅更负。从方差分析中可以看到，在7 5 0 - 1 1 5 0 毫秒，顶区、枕区的慢波受到类 型因素的影响：在5 5 0 1 1 5 0 毫秒，额区与中央区的慢波均受心算难度显著明显，难度主效应主 要表现为心算难度愈大，前部脑区的波幅愈正。本研究中出现的负相慢波广泛参与到复算和简算 的脑区中。正如以上已经推断出的：简单心算中7 1 0 m s 之后的慢波成分表征了被试完成运算后， 2 对结果的储存、保持、并等待答案完成判断任务的过程。而复杂心算的“运算”时程与整个心算 e r p 时域相吻合，直至慢波结束。因此可以认为复杂心算的慢波与真实运算中不断保持并更新 计算结果于工作记忆有关。简单心算与复杂心算慢波的比较，实际上是算术结果存储、保持与“真 实运算”之间的比较，这里也可以有充足理由认为复杂心算在7 1 0 m s 后的慢波是才是真实运算 的e r p 。 本研究通过“接键与不按键”的实验模式将心算行为数据与e r p 数据有机结合，探讨了与 心算活动相关的e r p 成分，验证了不同时域的e r p 成分反映了心算活动不同阶段的认知加工过 程，证实了心算e r p 受至n 难度因素影响，并发现7 1 0 m s 后的馒波是心算特异性成分。 3 1 文献综述 1 1心算界定及e r p 含义 心算( m e n t a la r i t h m e t i c ，m e n t a lc a l c u l a t i o n ，a r i t h m e t i ct h i n k i n g ) 是指在没有外界工具帮助下 完成的算术操作过程( s o w d e r , 1 9 8 8 ) 。执行运算需要许多不同认知成分的参与：首先，从长时记 忆中直接提取储存在那里的算术知识( 如5 2 ，或6 + 3 ) ；其次，运用程序性知识指导多位数运算 的算法和步骤；第三个成分是概念知识，用来提供对算术操作和原则的理解。 事件相关电位( e v e n t - r e l a t e dp o t e n t i a l s ，简称e r p ) 狭义上指凡外加一种特定的刺激，作用 于感觉系统或脑的某一部位，在给予刺激或撤消刺激时，在脑区引起的电位变化；广义上指凡外 加一种特定的刺激作用于机体，在给予刺激或撤消刺激时，在神经系统任何部位引起的电位变化。 与传统的心理学反应时和错误率的指标相比，e r p 揭示的认知过程更加明确：分析峰潜期。可 以估计加工事件的时间进程；分析波幅，可以估计信息加工时的心理过程强度：分析头皮分布， 可以估计对刺激加工起作用的脑内源，其独特的时间分辨率优势使其成为人类心理活动脑机制研 究的一种重要手段。 1 2 心算的加工机制 1 2 1心算理论 解释心算加工过程的主要有计数理论( c o u n t i n gt h c o f i 酷) 和提取理论( r c m e v a lt h e o r i e s ) 。按 照认知活动的信息加工观点，算术问题的解答过程可分为四个阶段：问题编码、计算、决策和反 应执行( g r o e n p a r k m a n ，1 9 7 2 ) 其中，计算所需要的时间是决定总体反应时间的主要阶段， g r o e n p a r k m a n 的解释称为。计数理论”。 算术知识的记忆提取理论有几个基本假设：( 1 ) 算术知识以一定的联结强度有组织地储存于 长时记忆网络中；( 2 ) 算术答案是从长时记忆中提取的：( 3 ) 算术知识提取的速率和正确率多取 决于问题在记忆结构中的表征强度。因此，总体反应时反映的是算术知识在记忆网络中的特性( 强 度、网络中各节点的相互关系、运算数大小等) 。 多数研究者都认为算术知识存储在长时记忆的相关阿络中( i m a l r e s i e g l e r , 1 9 9 5 ) 。基本观 点是成人和较大的儿童拥有大量的简单算术运算知识( 比如加法、乘法) ，它们以联合的语义网 4 络形式组织起来。例如，4 6 的答案一般不需要任何形式的运算就可以获得。相当可观的资料 证实了类似的语义记忆网络模型( 如表搜模型、联系模型) 能够较好地解释心算中发现的四种典 型效应。首先是问题大小效应( p r o b l e m - s i z ee f f e c t ) ，当问题中的运算数增大时，获得答案的反 应时变长、错误率变高；区分效应( s p l i te f f e c t ) ，算术问题中越接近正确答案的错误答案较之那 些差异大的要更困难，比如2 + 3 = 6 比2 + 3 = 1 0 更难辨别；干扰效应( i n t e r f e r e n c ee f f e c t ) ，当呈现 的错误答案匹配另一种运算中的正确答案时，比如7 + 5 = 3 5 比7 x 5 = 1 2 ，错误率会更高，反应时 也会更长；奇偶效应( p a r i t ye f f e c t ) ，当等式呈现错误答案的奇偶状况与正确答案的奇偶不一样 的时候，辨别起来会更快更准。 1 2 2心算策略 完成心算的操作需要两种策略：从记忆中直接提取、运用类似计数或基于某种规则的运算程 序( p r o c e d u r e ) 。对此，人们通常使用混合而非单一策略，且选择那些自己认为最有效的策略来 解决相应问题。在长时记忆网络中，算术题与所有潜在答案之间的联系强度越大，就越有可能从 记忆中提取出来。通过记忆提取解决简单算术的方式最初是以计数策略的使用为基础，也就是说， 频繁运用计数方法最终导致由计数方法产生的问题和答案形成联系，从而为直接提取、分解和手 指策略提供了基础。基于记忆提取的加工过程受到所谓“自信标准”( c o n f i d e n c ec r i t e r i o n ) 的调节， 自信标准指所提取答案正确与否的内在评价。如果答案已被提取且超出自信标准，那么问题解答 完成：若答案不能提取或提取答案的自信标准没有超出。那么将使用备份策略，即前面提及的计 数策略和分解策略。算术技能的发展表现为问题解答所使用的混合策略的变化，即备份策略使用 的减少，提取过程使用增加。 b u r b a u d 等人于2 0 0 0 年的研究表明，心算时采用言语策略( 直接提取) 的被试主要激活了 整个左背外侧额叶皮层，下顶叶皮层也被激活；而那些采用所谓的视觉策略( 运用运算规则) 的 被试激活了双侧前额叶皮层和左下顶皮层。负责数字加工的脑区是一个分布式的皮层网络，因此 脑区定位明显受到被试心算策略的影响。所以在研究心算加工机制时必须将心算策略作为考虑 因素之一。 5 1 3心算的脑成像研究 1 3 1心算的p e t 和f u r l 研究 1 3 1 1 算术知识提取和复杂运算过程的分离 计算能力包括多成分的认知功能，在运算的同时进行着多个过程，包括数字知识或表值提取， 数字空间排列，程序性存取和对先前结果中任一整数的保持和运用。对有计算缺陷的脑损伤病人 研究通常表明，他们在以下两种情况中存在缺陷：第一，在提取数字知识或乘法表的表值时；第 二，在进行复杂多数字操作的程序时。在某些失算症病人身上，这两种能力的损伤表现出了分离， 这暗示了两种操作需要相关却又不尽相同的能力。 k a z u i 等( 2 0 0 0 ) 的一项f m r i 研究证实了上述算术知识提取和算术运算的分离。研究发现， 对乘法表算术知识的语义记忆存储于沿左侧顶内沟的区域；而算术运算4 带来了右侧顶叶和双侧 前额叶的激活。一些研究者在对有算术障碍的脑损伤病人进行研究时，也发现了算术知识提取障 碍和算术运算障碍这两种障碍模式。c o h e n 、d e h a e n e 等( 1 9 9 7 ) 研究过的两位病人就存在这种双分 离现象。一病人左脑皮层下受损，有机械算术知识提取障碍( 乘法知识) ，相对保留了算术运算 的能力( 减法运算) 而另一病人右下项叶受损，有算术运算障碍( 减法运算) ，相对保留了机械 算术知识提取的能力( 乘法知识) 。事实上，每个正常成年人的头脑中都存储着一些已知的算术 结果，不需要使用任何形式的运算规则。这类算术闯题的结果是作为陈述性知识存储在语义记忆 中的，通常可以直接提取，但如果要解答一些复杂的算术问题( 如2 4 + 4 9 或2 3 4 7 ) ，就必须使 用专门的规则系统而不能仅仅依靠记忆提取。 1 3 1 2 算术知识摄取的臆成像研究 简单的单数字计算问题的结果( 如，解3 + 4 ，或3 4 这样的表知识) 作为陈述性知识被存贮在 语义记忆网络中，通常直接提取不需要真实计算( a s h c r a f t ，1 9 9 2 ) 。有人将算术知识看作是基于 言语表征调节的言语联合物来学习和存贮的( d e h a e n e ，1 9 9 2 ) 。根据这一观点，算术知识的提取 过程就要依赖左半球经典语言区，包括额下回( 布洛卡区) 、颢上回后部和颞中回后部( 威尔尼克 区) ，还有基底神经节和丘脑核团( d e h a e n ea n dc o h e n ，1 9 9 5 ) 。但对计算提取( 乘法和加法) 的神经 功能影像研究都无法证明外侧裂语言区的参与。一项p e t 研究将视觉呈现单数字乘法和静息状 态作对比，发现左中央前回和下顶皮层的激活，而属于语言区的额下回和颞上回都没有激活 ( d e h a e n e ，e ta 1 ，1 9 9 6 ) 。 6 还有一些研究者认为算术知识提取过程所激活的区域潜藏在依赖于语言的、有着言语联合物 的精算知识的编码下面，尽管其中并不包括经典语言区( d e h a e n e ，e ta 1 ，1 9 9 9 ) 。神经心理学研究 已经表明，算术知识提取的损伤会在伴随皮层( d e l a z e r , e ta 1 ，1 9 9 9 ；s e r o na n dn o e l ，1 9 9 2 ) 或皮 层下( d e h a e n ea n dc o h e n ，1 9 9 7 ；h i t t m a i rd e l a z e r , e ta 1 ，1 9 9 4 ) 伤后的语言障碍同时发生，尽管大 多数有皮层下损伤的病人通常不会表现出基本的计算障碍。但值得指出的是，许多神经心理学研 究都报告了某些严重失算症患者身上都保留了基本的计算技能，且观察到了左顶叶损伤时没有失 语症的算术知识提取的损伤。这意味着算术知识提取和语言过程的密切关系的问题依然是开放式 的。 虽然神经影像数据对算术提取过程中语言区的涉入提出了质疑，但强调了左项叶皮层和中央 前皮层的参与。 1 3 1 3 复杂运算的脑成像研究 要解答较为复杂的阀题f 比如3 7 + 6 4 或3 2 x 2 4 ) 必需使用专门的运算法则。对专家计算者的研 究表明，运算法则知识和练习是影响成绩的关键因素( c h a s e ，1 9 8 2 ；p e s e n t i ，e ta 1 ，1 9 9 9 ；s t a s z e w s k i ， 1 9 8 8 ) ，但是对于非专家个体如何解决复杂问题却知之甚少。对此，一个重大发现是：错误率和 反应时的显著增加( 依据操作数和问题，时间从至少十秒到几十秒不等；见h i t c h ，1 9 7 8 ；f a u s t ，e t a 1 1 9 9 6 ) ，与对算术知识高度准确而快速的回答( 平均一秒) 形成了鲜明对比。 通常认为认知过程参与到包括短时呈现的数字存贮、操作( h i t c h ，1 9 7 8 ) 及对专司问题解决策略 的选择和应用中来。因此必须找到解题步骤，并且控制步骤序列；必须从记忆中提取出构成中 间结果的算术知识，保留在脑中直到使用，然后将它遗忘以保持记忆负荷最小；最后，应用基本 的计算规则。因此，除了理解刺激和产生反应，简单和复杂运算仅仅是各自分解了记忆提取成分。 包括提供的中闻结果和最后结果。在这种情况下，复杂运算的特殊性与工作记忆机制相对应 ( b a d d e l e y , 1 9 9 2 ) 。然而。参与运算的工作记忆类型仍然悬而未决。许多作者认为，言语工作记 忆特定的语音复述环有助于计算成绩c x - i i t e h ，1 9 7 8 ) ，而另一些人则认为是由于视空间工作记忆和 视觉心象过程的参与( h a y e s ，1 9 7 3 ) 。后一种观点至少有一例来证明：一个言语短时记忆受损的 病人多数字计算能力却保存完好( b u t t e r w o r t h ，e ta 1 ，1 9 9 6 ) 。这暗示了复杂心算并不仅仅依靠 言语工作记忆。一些模型表明言语和视空间工作记忆都参与了复杂计算( i ) e h a e n ea n dc o h e n ， 1 9 9 5 ) 。事实上，参与心算的脑区和参与工作记忆的脑区存在着相当大的重叠，这在某种程度上 说明了工作记忆与心算的密切关系。 神经心理学对复杂计算神经基础的研究资料有限，其脑图谱研究以及对计算受损病人或失算 7 症病人的研究表明，后顶叶皮质和额叶皮质( p f c ) 在计算中起着重要作用。值得一提的例子是 一名左顶叶受损的病人，他的复杂运算受损但计算提取却保存完好( d e l a z e ra n db e n k e ，1 9 9 7 ) ， 这一计算障碍被解释为算法概念知识的缺失。这表明计算过程中左顶叶皮层有着特殊作用。然而 这些皮质区域参与计算时楣应的加工时程仍不清楚。 尽管所观察到的脑区激活模式有相当大的可变性，但大量功能神经影像研究都证实顶叶和额 叶参与了心算。 1 3 2心算的事件相关电位研究 1 3 2 1 心算e r p 袭征连续的认知加工 心算活动所牵涉的脑激活不仅包括解剖空间上的脑区位置，还包含在时域维度上所涉及的基 本认知成分：事件相关电位的早成分反映了刺激识别的加工过程，后慢波成分则和记忆系统的介 入有关( p a u l i ，e ta l 。，1 9 9 4 ) 。 i g u c h i 等人( 2 0 0 0 ) 研究心算过程中序列信息加工( s e q u e n t i a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) 的事 件相关电位，分析各阶段电位成分，实验要求被试进行三项任务：( 1 ) 将显示器上依次呈现的阿 拉伯数字加总( a d d ) ；( 2 ) 数出所呈现阿拉伯数字的个数( d i g r r ) ：( 3 ) 数出所呈现图形的个 数( p a t t e r n ) 。结果发现：在加法任务中，左半球的额、中、顶区域在反应时都有n 1 2 0 - p 1 8 0 - n 2 2 0 复合波在加法和数阿拉伯数字时，额区的p 3 0 0 波幅增大，这只特定于阿拉伯数字的呈现。因 加法任务而引起的正慢波显示出两种时空分布：一个是在4 0 0 8 2 0 m s 内在额、中、颞、项区观察 到的广泛的脑活动。另一个刚是持续至1 1 5 0 m s 只限于颧区活动。 对于这些结果的讨论，i g u c h i 认为，e r p 的早成分与刺激识别的两个过程有关：一是数字物 理特征的识别，这点反映在左侧额叶区，中央区和项叶区的n 1 2 0 - p 1 8 0 - 2 2 0 复合波的峰潜期较短， 表示大脑在进行加法任务时必须先集中注意识别数字的形状；另一个过程是数字意义的再认，这 个过程主要反映在额叶和颞叶脑区的p 3 波幅增大。心算的事件相关电位正慢成分主要是反映了 主动的心理加工过程。在加法任务中有两个不同的正慢波成分。出现在不同的空间时间位置， 各自代表完成加法任务前后的两个不同的信息加工过程；个和计算有关，主要出现在4 0 0 - 8 2 0 毫秒之间，分布较广泛，包括额叶、中央区、颢叶区和顶叶区：另一个和储存计算结果到记忆 系统有关，出现的时间从8 2 0 持续到1 1 5 0 毫秒，只分布在额区。因此，从i g u c h i 的研究发现显 示，心算的每阶段信息加工过程可以反映到事件相关电位的各个不同波形成分上。 1 3 2 2 心算e r p 的难度效应 8 k o n g 等人( 1 9 9 9 ) 在心算的问题大小效应的事件相关电位研究中，要求被试进行加法心算 任务，任务内容为两位数和一位数的相加( 例如，2 9 + 8 ) ，算术问题依据第二个加数将其分为两 种难度类型( 1 - 2 为简单，7 j 9 为复杂) 。结果发现，诱发出的e r p s 表现出相似的波形，包括n l 、 p 2 、n 2 ，晚正复合波l p c ( p 3 a p 3 b ) 和第2 个加数呈现后的慢波( s w ) 。两类型问题诱发出的 e r p s 在波幅上表现出显著差异：f 3 点在1 6 8 1 8 4 m s ，难计算问题比简单计算问题的电位更大( 更 正) ：f 7 点在8 2 0 1 2 9 0 m s ，f 3 点在8 6 0 1 1 4 0 m s ，简单问题盼平均波幅分剐比难问题的明显更负。 地形图结果显示p 2 波主要分布在左侧额区头皮，p 3 a 成份主要分布在颞顶头皮，s w 慢波主要 集中在中央顶部头皮。 关于心算事件相关电位慢波研究报告显示，心算任务诱发的正慢波会随着问题难度增加而增 大( p a u l i ，e ta 1 ，1 9 9 4 ) ；与此相反，负慢波只在困难度高的心算任务和刚开始练习时才产生。p a u l i 等人( 1 9 9 6 ) 在另一个研究中更进一步地提出正慢波反映了心算任务中和记忆提取加工有关的神 经生理基础，而负慢波则与谨慎且受控制的计算过程有关；这结果与其它研究稍有不同。在p a u l i 的研究中注意到了两个影响心算表现的因素，练习( p r a c t i c e ) 和问题大小效应( p r o b l e ms i z e e f f e c t ) 。 从实验结果来看，随着任务难度的增加，p 2 波幅更大，平均潜伏期延长，所以支持这样的 观点：前额皮质p f c 的活动不但参与了工作记忆，且参与了计算认知过程算术知识的提取，即 p f c 直接参与了计算过程中的认知加工。该研究作者认为在额区p 2 成分的峰潜期增长和伏值增 大反映了算术材料的提取：p 3 b 对难问题潜伏期延长支持这样的观点：可能包含了认知结束的过 程。因为难问题可能需要花费更长的时间来解决问题。p 3 b 表征了任务的结束，我们很自然地推 测心算中的p 3 a 可能与计算程序的执行有关。因为功能磁共振成像研究表明后顶叶皮质与计算中 起着重要作用，而本研究又表明p 3 a 成份主要分布在颞顶头皮，因此认为后顶叶皮质可能与计算 程序的执行有关。 此外，当大脑进行心算时，往往会依据任务的类型，内容或反应的形式等条件不同而执行不 同的神经网络途径。因此，事件相关电位不仅能反映心算过程中的各个基本认知成分，当心算任 务的要求不同时，事件相关电位也能反映出其问的差异。 1 4 问题的提出 心算是一个非常复杂的认知系统，刺激的早期感知觉过程与后期加工过程有着密切联系，对 照实验的设计需十分谨慎，要充分估计到影响心算高级活动的因素。相较于其它脑成像技术，应 9 用事件相关电位的心算研究为数不多，主要原因在于就是尚未找到更为合适的实验模式把心算 e r p 成分有机分离，心算活动涉及的心理活动比较复杂，受到诸多因素的影响，且不同人可能 采用不同的问题解决策略。 本研究从心算的事件相关电位研究入手，在前人研究的基础上，假设在心算任务中，不同时 域的事件相关电位波形成分反映了心算活动中不同阶段的信息加工过程，具体探讨不同难度、不 同类型心算问题的e r p ，并将观察心算特异性成分作为重点。因为早期文献中关于心算的主要 问题即是心算慢成分的特征问题，慢波与心算的关系在以前的研究中曾探讨过，但慢波否是特征 性的心算e r p 成分，必须做进一步提取工作。 总而言之，本研究将阐明心算任务时的激活顺序和时间进程，比较心算事件相关电位在时域 及空间域的变化关系，比较不同类型、难度运算加工时程与皮层定位的不同，探讨心算活动的特 异性成分，以期加深对心算脑机制的认识和理解。 1 0 2 1被试 2研究方法 3 6 名健康的右利手被试，均为在校大学生和研究生( 年龄在2 0 - 2 5 岁之间) ，受教育年限在 1 5 年左右，男女生各半，视力或矫正视力正常。实验前他们都表示非常愿意参与该项有偿实验。 2 2实验设计 本实验采用2 2 被试内实验设计两个因素分别为算术类型与算术难度：算术类型为乘法 和加法；算术难度依据第二位操作数大小来区分。其中，简单运算包括一位数的加法和一位数的 乘法；复杂运算包括两位数的加法、两位数和一位数的乘法。难加法在运算过程中保证只进一次 位( 如2 9 + 4 7 ) ，难乘法在运算过程中也保证只进一次位( 如1 7 x 4 ) 。 2 3剌激材料 2 3 1 刺激材料特征 2 3 1 1 刺激材料类型及形式 简单加法、复杂加法、简单乘法、复杂乘法四类题型各五十道。运算形式以产生与证实性判 断的复合式出现，即在被试算完后判断所提供的答案是否正确，其中的正误答案各占一半。 2 3 1 2 刺激标识类型 简单乘法算式类型l简单乘法算式答案类型1 1 ，1 2 简单加法算式类型2复杂乘法算式答案类型2 1 ，2 2 复杂乘法算式类型- 3简单加法算式答案类型3 1 ，3 1 简单加法算式类型- - - - - - 4简单加法算式答案类型4 1 ，4 2 2 3 1 3 刺激材料编制 所有算式、答案是经由i m a g e w o r d 程序转化t x t 文件后自动生成的c u t 文件，字号4 6 号， 字体l u c i d ac o n s o l e ，字型规则，白色字色，黑色背景。每个算式、答案都呈现在显示器中央。所 ” 有呈现算式的c p t 及s e q 序列文件皆在s t i m 软件中编制。 2 3 2 刺激材料排序 2 3 2 1 算式内部排列设计 为减轻被试最初感知觉负荷，本实验采用具有相同加数、相同乘数的作为一组题( 难加法加 数的个位数与简单加法加数相同的被列为一组) 。对于简单加法问题而言，小数加数在后相同更 易于计算；对于简单乘法问题，小数被乘数在前相同更易于计算；对于难加法则仍然是大数在前 比较有利，而对于难乘法而言大数在前更有利于被试默算，又因简单乘法算式易于视觉转换，因 此所有的加法与乘法算式都采用大数在前的形式里现。 2 3 2 2 刺激组呈现顾序 每组题和每道题的出现顺序对于每一被试都是随机的，且满足以下条件：算数相同的问题之 间至少间隔1 0 个其它问题，答案相同的问题之间至少相隔1 个其它问题。为了避免被试直接匹 配答案而省略精确心算，故将算式和答案分开呈现。 实验组及控制任务刺激材料相同。 2 4 刺激呈现的时间参数 算式和答案之间的刺激间隔( s o a - s t l m u l u so n s e ta s y n c h r o n y ，指一个刺激出现到下一刺激出 现的时间间隔) 为3 5 0 0 - 4 0 0 0 m s ，答案和算式之间的刺激间隔( s o a ) 为2 6 0 0 - 3 2 0 0 m s 。依次呈 现任务刺激，包括一个加法或乘法算式及与其相匹配的答案，每个都呈现( d u r ) 2 0 0 m s ，它们 之间间隔3 3 0 0 - 3 8 0 0 m s ( 前3 0 0 0i m 为给被试计算反应的最长时间，后3 0 0 - 5 0 0 m s 为算式呈现后 至答案呈现前的随机时间) ，在答案消失后间隔2 6 0 0 - 3 2 0 0 m s ( 前2 1 0 0 m s 为给被试匹配答案反应 的最长时间，后5 0 0 - 1 1 0 0 m s 为答案呈现后至下一算式呈现前的随机时间) ，接着再呈现下一道算 式。由主试开始实验。 2 5实验任务 心算任务分为两组，每组有两百道算术题，计算机屏幕上每次将出现一道算术题。算完按键 的实验任务与算完不按键的控制任务采用被试问平衡，有一半被试先做实验任务，另一半被试先 做控制任务，要求被试尽可能既准又快地完成任务。实验组中，不同被试的左右手按键进行组内 1 2 平衡。 答寨( 2 0 0 1 1 3 s ， 2 6 实验准备 a = 2 6 0 0 3 2 0 0 m s 答案( 2 0 0 m s 】 圈1 实验流程囝 a = 3 3 0 0 - 3 8 0 0 m s 2 6 1 指导语要求 要求被试熟记实验指导语。包括按键类型及特定按键情况。在实验组中要求被试算完按3 键，匹配答案时若答案正确按“4 ”键，若答案错误按“1 ”键；或答案正确按“1 ”键，答案错 误按“4 ”键在控制组中只需在算完后完成答案匹配时按键，按键情况同实验组。 2 6 2 按键簧略要求 向被试强调按键策略，即在实验组中算完按“3 ”键时必须是默念答案的同时按键，防止没 有算完提前按键。 2 6 3 e r p 实验特殊要求 要求被试注意e r p 实验中特殊的实验要求，如在实验进程中必须保持静坐并防止水平眼动 及过度垂直眼动。 2 6 ，4 练习任务 给定的运算任务部分有赖于被试的精通程度，因此为了核实被试的计算表现水平并熟悉计算 任务，在正式的实验之前，让该3 6 名被试完成与e r 2 记录时所使用的各类型、各难度相匹配的 任务。 2 7正式实验 2 7 1仪器 实验仪器为n e u r o s c a ne r p 工作站。 2 7 2 脑电记录 脑电采集使用美国n c u t o s c a n 公司生产的6 4 导脑电采集分析系统，电极安放采用q c a p 电极 帽，按照国际1 0 2 0 标准记录系统，采用氯化银电极记录6 4 个e e g 电极。参考电极置于双侧乳 突连线，前额接地，同时记录水平眼电和垂直眼电。头皮触阻抗小于5 k o ，脑电记录带宽为 o 0 5 - 7 0 h z ，连续采样频率为5 0 0 h z 。心算e r p 分析时程