儿童对不同任务珠心算训练任务的脑功能磁共振成像研究

儿童对不同任务珠心算训练任务的脑功能磁共振成像研究

自20世纪80年代初出生以来，朱心已经经历了20多个春秋。它在中国的许多地区得到了普及，甚至在其他国家也得到了普及。珠心算是珠算技术发展的新发掘,它是以珠算为基础,通过实际拨珠训练到模拟拨珠训练,再过渡到映像拨珠,最终在脑中形成珠像运动进行计算的一种计算技能。教学实践和已有的一些研究提示,珠心算训练能够增强学生的计算能力,提高注意力、观察力和记忆力,而且还可以促进儿童右脑的开发。功能磁共振成像(fMRI)技术的迅猛发展为认知过程中大脑活动的研究开辟了一条新途径,它可以确定参与某一特定认知功能的脑区,并有助于理解各功能区之间的联系,成为认知神经科学中的重要研究方法之一,具有广阔的应用前景。本研究通过应用fMRI-BOLD成像对接受过珠心算训练的儿童在完成计算任务时的相关大脑皮层活动区进行定位,并探讨珠心算的工作机制。1数据和方法1.1儿童基本认知情况12名小学五年级在校学生,接受过3年珠心算训练,年龄11~13岁,平均12岁。所有儿童在年龄、家庭背景、教育背景及学习成绩方面无明显差别,均经过基本认知能力测验和瑞文标准推理测验筛选显示智力中等,并经中国人利手判定标准调查,均为右利手。双眼裸眼视力或矫正视力正常。均无精神障碍和已知脑及全身器质性疾病。1.2运算刺激变式实验采用组块设计,静息组块(不给予计算任务)与刺激组块(给予计算任务)交替出现,循环3次。实验任务分别为加、减、乘、除4种运算。静息时要求被试者注视屏幕中央的“十”。运算刺激内容由算式和答案两部分组成,刺激时要求被试者迅速心算给出的算式,然后将结果与所给答案比较,认为正确时按左键,认为错误时按右键。加、减法计算为两个两位数相加或相减,乘法计算为两位数乘以一位数,除法计算为三位数除以一位数。为了尽可能保证实验结果不受视觉刺激及手指运动的影响,从而设计了数物对照判断实验,其刺激内容为数字(3~8)或物体(由3~8个圆圈组成的图片),要求被试者注视屏幕,看到数字按左键,看到物体按右键。1.3bold成像扫描被试者进入扫描室前戴上防噪声弹性耳塞,以减小噪声干扰。取仰卧位,用海绵填塞头部两侧与线圈之间的空隙,最大程度限制被试者的头动。将被试者送入磁体内,让其调整线圈上反射镜的位置及角度,将屏幕上的内容全部包括在视野范围内,然后要求被试者手握反应盒,并告知左右键的使用。所有fMRI信号采集均使用Siemens公司Trio3.0T磁共振扫描仪及头部正交线圈完成。功能成像扫描采用回波平面成像技术(echoplanarimaging,EPI),进行BOLD成像。扫描参数为:TR/TE2000/30ms,FA75°,FOV220×220mm,Matrix64×64,分辨率3.37mm×3.37mm,层厚4mm,间隔0.4mm,共32层,120组图像。扫描时间为4min。功能像完成之后进行矢状位解剖像T1WI扫描,扫描参数为:TR/TE2530/3.37ms,TI1100ms。FOV256×256mm,Matrix256×256,层厚1.33mm,无间隔,共144幅图像。扫描时间为8分7秒。1.4空间gaus虾n平滑处理采用“统计参数图(SPM2)”软件在数学软件包Matlab6.5上对原始数据进行分析。首先对图像数据进行头动校正,然后将对齐后的图像进行空间标准化,再采用正割内插法以2mm层厚进行重建。最后对图像进行空间Gaussian平滑处理,以减少空间噪声,提高信噪比。对运动校正过程中检测到的头部平移超过一个体素大小,即超过3.5mm的被试者的数据舍弃。经过预处理后,对符合要求的被试者的数据进行统计分析:分别将其4种运算的数据与数物对照比较,观察统计结果时统计概率的阈值设定为0.01~0.005之间,激活范围阈值设定为10个像素,即连续激活像素数达到10个及以上的区域考虑为有意义激活区。分别提取、链接被试者的加、减、乘、除4种运算的个体分析后的实验数据,并分别进行统计分析,获得平均激活图,叠加于Talairach标准三维模板脑,并与T1WI进行重叠,记录脑激活区的中心坐标,确定其解剖部位。2材料引起的激活性实验中,11名被试者顺利完成实验内容,并符合要求,有1名被试者身体不适,未能完成实验任务,将其实验数据舍弃。将数据进行分析得到其加、减、乘、除计算实验的脑激活情况:加法计算实验引起双侧楔叶、右侧楔前叶及右侧舌回激活。部分被试者引起左侧额中回、右侧额上回、右侧梭状回及左侧舌回激活。减法计算实验引起双侧楔叶、右侧顶下小叶、右侧楔前叶及左侧舌回激活。部分被试者见左侧顶上小叶、左侧前额皮层、左侧额内侧回、扣带回前部及右侧颞中回激活。乘法计算实验主要引起右侧楔叶、左侧楔叶、左侧舌回、左侧楔前叶、右侧中央后回及右侧梭状回激活。部分被试者引起右侧额上回、左侧额中回、左侧额内侧回及右侧楔前叶激活。除法计算实验主要引起双侧楔叶、右侧舌回、右侧顶上小叶及左侧中央后回激活。部分被试者见左侧额中回、右侧额内侧回、扣带回、右侧楔前叶、右侧中央前回、右侧梭状回及左侧舌回激活。此外,4种计算实验均引起双侧小脑半球激活。不同计算实验的脑激活区、Brodmann分区及Talairach坐标分布见表1和图1~4。3珠心算训练对心算的作用本实验是国内首次对珠心算儿童进行fMRI研究,结果显示多数儿童可以很好地配合并完成计算任务的脑功能成像实验。本研究结果显示,接受过珠心算训练的儿童在执行加、减、乘、除计算任务时,双侧枕叶明显激活。枕叶被认为与视空间信息的处理有直接的关系。在以往的很多研究中,发现枕叶视皮质不仅与真实的视觉相关,而且在视觉想象实验中也会激活。Hatano和Osawa通过对5组珠算水平不同的被试者的实验结果显示,珠心算技能越熟练,越不易受到听觉-言语干扰任务的影响,反而容易受到视觉-空间干扰任务的影响,其研究表明珠算能手在记忆数字时使用了心理算盘。Hishitani的实验证明珠算能手能瞬间把数字串转化为心理算盘,而新手只能通过言语解码。梁凤仁的研究结果表明珠心算儿童在心算中更依赖视觉空间画板。尹文刚等通过眼动轨迹揭示,珠心算训练形成了特定的视觉扫描过程,这种扫描过程是视觉-心理活动的指征,表明训练组儿童在心算中可能利用了表象。右侧额顶区是视觉空间和视觉运动的处理区,珠算专家这些区域的激活,可能反映了执行任务时采用的计算方法权重不同,专家更依赖于视觉空间策略,普通人更依赖于语言策略。Tanaka等通过事件相关fMRI的研究结果亦显示,在处理数字时,珠算能手的视觉-空间工作记忆的相关脑皮层区(包括双侧额上回和顶上小叶)激活更明显,相反,新手则以激活语言工作记忆的相关脑皮层区为主,由此为神经生理学提供了依据:珠算能手在数字记忆中利用了视觉-空间工作记忆。Hanakawa等的fMRI研究表明,珠算能手的心算引起了右侧运动前区和顶叶的激活,其中珠算能手顶上小叶后部的激活较新手明显增强,这进一步说明了珠算能手可能增强了在二维空间的视空间信息处理中的神经资源的参与。本研究结果显示,珠心算训练儿童右侧顶叶(右楔前叶、右侧顶下小叶及右侧中央后回)不同程度激活,与以上观点一致。但本实验中仅有部分被试者出现额叶的激活,笔者推测这可能与采用的具体任务不同有关,亦可能与珠心算儿童的熟练程度有关。目前对前额叶在珠心算训练儿童的计算中的作用有待于今后的深入研究。Dehaene等指出,双侧的颞叶,尤其是双侧梭状回主要与数字形式的加工有关。阿拉伯数字刺激可能在右侧梭状回区域进行加工,然后通过右侧的颞中回传入右侧的顶叶区域,而在左侧,同样的机制则可能同时对阿拉伯与言语数字进行加工。本实验部分结果支持这种观点,本研究结果均可见小脑半球明显激活,越来越多的证据表明小脑除了具有平衡躯体、调节肌张力和管理共济运动的功能之外,还和个体的认知活动有关。但具体的作用机制尚需进一步研究。一般认为,数字加工主要由大脑左半球负责。青、老年组在进行简单心算任务时,左脑激活率均显著高于右脑。这一结果与有关心算障碍病人的神经心理学研究结果是一致的,正表明大脑左半球是心算加工的优势半球。Hatta等运用Kinsbourn和Cook的时间分享实验检查珠算能手脑半球的工作情况,结果表明能手的右脑比左脑更