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脑智科学研究的最新进展与实践应用

时间:2018-05-07 作者:左西年 苏学权 杨宁 张蕾 黄钰晶 颜志雄 李强

21世纪是脑科学时代,人类越来越对自身的大脑产生浓厚兴趣,相关科学研究的进步也一再丰富着大众对于脑科学的认知。与此同时,脑科学与教育实践相关性的研究也成为国际组织以及各国政府普遍关注的重要课题。如何借助脑科学研究成果促进儿童青少年脑智的提升。如何通过搭建脑科学、认知科学和教育学习三个领域之间沟通交流的桥梁,更好地引领和促进广大儿童青少年的学习与发展,既是当前公共卫生健康和教育发展领域的工作核心,也对于国家可持续发展具有重大战略意义。“脑智”一般是脑与心智的简称,囊括了人的心理行为和认知情绪的各维度。本文围绕当前在国际上备受关注的脑智发育影像学研究,梳理国内外相关研究成果及其在教育领域的实践应用,希望为广大教育工作者提供启发和借鉴。

一、多学科交叉的脑智科学研究发展迅速

进入21世纪以后,国际上关于脑与认知领域的研究发展迅速。世界各国都加大投入,推动技术创新,开展多学科交叉和多层次的脑智科学研究。

例如:美国在2010年启动了人类脑连接组计划(HCP),大大推动了磁共振成像用于成年人脑网络组织特性与心理行为的关联研究。在此基础上,奥巴马政府又于2013年启动了更为宏大的脑科学研究计划(BRAIN),并获誉“脑科学领域人类登月计划”。随后,欧盟也启动了人脑计划(HBP),致力于“模拟人类大脑计算”这一信息化终极目标。在国内,中国科学院“率先行动计划”于2012年启动了战略性先导科技专项(B类)“脑功能联结图谱”项目,在此基础上,“中国脑计划”经过五年多的紧张筹划和部署将于2018年下半年正式启动,儿童青少年脑智提升计划作为其中的重要组成内容,对当前和未来教育意义深远。

近年来,伴随直接研究人脑的科学手段的普及,人们对人脑的工作机制,特别是高级功能的脑机制研究取得很多突破性进展。其中,磁共振成像技术在脑智发育影像学研究中的作用功不可没。磁共振成像技术的工作原理简单来说,就是在成像设备产生的磁场环境中,受检者身体里的氢原子会发生共振,脑成像设备接收这个共振释放能量进行成像。在磁共振成像过程中,成像设备产生的磁场几乎能够使人体内无处不在的氢原子发生共振,然后通过变化磁场强度或方向,使氢原子逐渐停止共振进而释放能量,然后脑成像设备捕捉量化这些能量进而完成成像过程。

在使用磁共振成像过程中,人们最担心的两个问题是电离辐射和噪音。首先就辐射而言,在磁共振成像过程中,对人体发生作用的是磁场变换和由氢原子共振产生的能量脉冲。磁场和能量脉冲产生的电离辐射就像我们生活中使用的电器所产生的辐射一样,不存在像平片和CT检查中由X射线产生的放射性伤害,因此对人体是非常安全的。其次是噪音问题。常规磁共振成像设备产生的噪音一般在65~95分贝,虽然这个数值在安全范围内,但也会影响检查交流,增加受检者的恐惧、焦虑情绪。因此在磁共振成像过程中,需要为受检者提供耳塞或耳罩进行噪音防护,这样最多可以使噪音下降30分贝,能够保证受检者的听力和情绪不受影响。总之,正常的磁共振成像对人体而言是非常安全的。

二、国际脑智发育研究成果已在教育领域应用

近年来,国际上已经开展多项针对儿童青少年脑智发育的大型研究,这些研究推动了人类对于脑智发育一般规律的深入认识。

1. 国际脑智发育研究成果日渐丰富

美国国立卫生研究院(National Institutes of Health,简称NIH)于上世纪最后十年开始启动对人类正常脑发育的研究,目前已收集了550名正常儿童的脑成像数据,受检者范围从刚出生的婴儿直至22岁的青年,同时每个受检者的脑部磁共振成像数据都被常年纵向追踪。这一向公众开放的数据库构建了人类从出生到青春期后期的正常脑发育情况,可为诊断脑损伤儿童提供健康脑发育参考。基于上述数据样本,美国科学家于2006年揭示出人类智商和脑发育的关系:超高智商的儿童大脑皮层变薄的过程显著长于普通智商的孩子。[1]

2015年,挪威奥斯陆大学脑与认知毕生发展研究组开展大型终身发展脑智研究,进一步证实:毕生发展历程也反映了上述脑智关联规律;[2]来自荷兰的科学家团体更是发起了GenerationR项目:他们从2002年起至目前已完成对1万名怀孕母亲的实验招募,并实现了在流行病学框架下对这些家庭连续十多年的追踪,以及对这些家庭的儿童各项心理行为及脑发育的追踪测试,旨在探明从胎儿到青春期发育过程中,环境和基因对儿童脑智健康发育的影响情况,从而回答“先天和后天”的科学问题。2017年,该项目又新增GenerationR Next大型研究队列,旨在探索母亲孕前的身体健康和生活方式对下一代脑智发育的影响。

近年来,随着磁共振成像技术的快速发展,美国NIH的脑发育项目也得到了相应扩展和升级,包括研究各类复杂表型发育轨线的费城神经发育队列(PNC)、儿科影像神经认知和基因队列(PING)、各类心理精神障碍风险因素的美国青少年脑智发育队列(ABCD)、美国健康人脑网络队列(HBN)以及由HCP所衍生的各类脑连接组发育队列(如dHCP)。

上述神经影像大数据的公开和网络神经科学的快速发展,推动了学术界对于脑智发育一般规律的研究进展(详见图1),大脑皮层七大功能网络图谱被揭示和绘制完成。[3]其中,额顶控制网络负责各类不同网络之间的信息交互,[4]参与学习和记忆的转换过程,和人类的创造性活动密切相关,是流体智力的主要贡献者;[5][6]默认网络则是人脑连接组的枢纽网络,具备进化和遗传基础,处理自我认知的相关过程(如情景记忆等),是晶体智力的主要贡献者。此外,通过对同卵与异卵双胞胎的比较研究发现,[7]大脑这七个功能网络及其之间的连接受到遗传和环境因素的调控,比如额顶控制网络的顶叶记忆模块自身受到遗传影响,但它与其他网络的连接则主要受到环境影响。同时在人类的毕生发展历程中,该顶叶记忆模块或网络相比默认网络表现出更显著的个体差异和动态变化。[8]

人脑皮层图

2. 脑智发育研究成果走向中小学课堂

国际上脑智发育神经科学的研究结果为人类心智毕生发展规律提供了人脑网络神经科学基础,提示我们人类流体智力可通过后天环境调控而发生变化,同时也已经开始推动教育教学领域的改革。

如上所述,大脑的两个网络系统,一个系统在我们注意力集中、专注做事时活跃,属于“向外”的任务指向系统,依赖于额顶控制网络;一个在我们休息放松或“走神儿”时活跃,依赖于默认网络,属于“向内”的自我指向系统。当一个系统持续工作时,另一个系统就会受到压制,人在不同状态下需要在两个系统之间互相切换,保持系统平衡。此外,虽然自我指向的默认网络系统常常在人们“走神儿”时活跃,但研究发现,这一系统的功能同样关系到人类的心理和行为表现,通常与自我、反思、回忆往事、想象未来、体会与人交往等自我认知和感受有关。因此,这种思维方式的发展不仅能够帮助儿童建立健康的情绪和认知,也有助于其学业提升。

例如:一项针对中学生的研究发现,[9]在考试之前,教师引导学生围绕“考试成绩对未来生活的影响”这一话题进行写作,可以帮助学生改善考前焦虑并提升考试成绩。另一项类似研究也发现:[10]引导学生对美好未来进行展望,并将这种展望与学生当前的行为和选择挂钩,能够改善学生的学习成绩和动力。由此我们获知,儿童对内和对外的活动需要平衡,让学生适当地“走神儿”并非与学习成绩对立。相反,如果儿童没有或得不到充分时间进行玩耍或安静思考,可能会产生一些负面结果,如他们的情绪健康以及完成任务的能力都会受到影响。

上述脑智研究成果和教育教学一线相结合的研究,大力推动了国内外基础教育的改革。如在美国,一些中小学已经开始在校内有针对性地开设“走神课程”。这些课程经过特定设计,学生们在基本的纪律约束下,被要求“自己尽量放松,进入休息状态,脑中可随意思考”,这样的状态约持续一刻钟;接下来,学生们会进入高强度的执行功能训练和学习,如大量的阅读和数学计算训练,持续一刻钟后再次进入放松状态,从而达到在45分钟的课程里面充分和高效利用脑网络组织特性,有效平衡脑网络使用效率的目的。[11]

三、“彩巢计划”要创建中国人脑智发育规律全国常模

与国际上脑智发育影像学研究形成鲜明对照的是,中国健康学龄儿童脑智发育影像学的起步非常晚。为逐步积累中国人脑影像大数据进而刻画毕生发展(6~85岁)的健康中国人脑发展轨线,从而为临床检测脑健康和脑智发展评估提供科学的常模依据,中国科学院心理研究所启动了“彩巢计划(ChineseColor Nest Project,简称CCNP)”的队列研究,[12]将历经2013~2022年的十年跨度。[13]其中学龄期既是人脑生长发育的关键时期,也是各种常见心理障碍和精神疾病的易感年龄段,因此被作为CCNP项目中重点关注的部分率先开展研究,即devCCNP,进而推动了“中国脑计划”儿童青少年脑智提升研究立项。

1. 研究发现:人脑发育具有群体共性及个体差异性

2013年11月至2017年1月,devCCNP预研项目“彩巢计划-成长在中国”在重庆市北碚区完成了对192名志愿者的纵向追踪数据采集。项目组按照“一岁为一个年龄组,一个年龄组16人(8男8女)”的总体设计思路招募志愿者(详见图2),共有192名6~18岁(招募年龄)的学龄儿童青少年及其监护人自愿参与了devCCNP项目研究。

彩巢计划设计方案图

在历经五年的追踪研究中,项目组对每名志愿者先后进行了三轮脑智发育监测,每两轮间隔一年零一季度,每轮的测查均包括基本生理指标、大脑磁共振成像、智力测试、认知行为测试、情绪问卷等涉及脑智发育情况的内容。每一轮采集工作全部完成后,项目组会为每一位志愿者撰写和制作个人发育报告,展示其在该轮所有的测查结果及多轮结果反映出的个体脑智发育情况,从而完整记录志愿者个人脑智发育历程。目前,项目组对数据的整理分析及对志愿者家庭的反馈仍在持续进行中。

通过三轮的脑结构和功能测试变化的结果我们发现:无论在个体还是群体方面,人类的脑智发育都表现出一定的规律特点。如在个体发育报告中我们发现,每个孩子相对于同龄人,大脑不同区域的脑智发育都表现出一定差异性。例如:根据大脑皮层七大功能网络的发育情况,某个孩子如果在特定功能网络(如体感运动网络)表现出显著的发育优势,则其在相应功能(如身体运动能力)方面也比同龄人表现出一定优势。从群体层面来看,不同的脑功能网络快速发育期也表现出时间上的先后差别,如初级脑网络先于高级联合脑网络发育。这些在个体或群体层面表现出的脑发育规律特点,在很大程度上与教育领域的学龄儿童身心发展规律一致,也从认知神经科学研究的角度为因材施教提供了客观理论依据。

2. 成果应用:脑智常模将为教育教学提供精细化和个体化指导

虽然目前我们掌握的数据量有限,尚不足以据此得到更强有力的结论推广到全国其他地区,用于进一步指导教育教学实践,但是上述初步发现让我们看到:脑智发育规律全国常模的建立将为教育教学提供精细化和个体化指导,从而有助于解决当前教育教学过程中面临的一些挑战。这里我们以学龄儿童教育中的核心工作—德育工作为出发点,结合“彩巢计划”中特别关注的人格与脑发育的关系来阐述脑科学与教育实践的创新结合。

培养儿童健康完善的人格是教育的终极目标之一。已有的对成年人群体进行的研究发现:人格与脑结构功能存在关联。人格的不同维度表现会反映到脑网络的内在功能组织架构上,每个维度可以借由独特的脑网络进行预测,诸如动机、同情心和未来导向思维的认知和情感处理功能。[14]这一人格与脑关联规律提示我们:尽管个体间的核心脑网络功能结构是一致的,但除此以外的脑网络特异性连接则是围绕人格的个体差异而形成,体现了个体的可塑性。

此外,人类的人格特质还与青少年期的大脑皮层发育有关。如来自挪威的一项针对青少年的纵向研究发现:[15]学龄儿童的责任心或自觉性、情绪稳定性和想象力与大脑皮层厚度的随龄降低相关。这提示我们:一方面,人格特质的个体差异一部分可以由青少年期的大脑皮层发育成熟加以解释,也从脑智发育角度解释了在成人中观察到的人格与脑关联规律;另一方面,脑发育对人格也表现出一定的预测效应。例如:额顶网络的核心脑区—右半球背外侧前额叶就可以很好地预测个体创造力;左半球额顶和右半球额颞区域内灰质密度下降得越慢,则预测个体具有更强的创造力表现,而且额叶纵向变化与创造力发展之间的关系也会受右半球背外侧前额叶和工作记忆能力关系的影响。

上述一系列研究表明:人格与个体的先天脑结构功能有关,同时也受到后天环境和经验的影响,儿童青少年期既是大脑自然生长发育的关键期,又是学习高度集中期,因此是终身人格塑造的黄金阶段,学校和家庭对此应该高度重视。

3. 研究展望:推动区域性脑智发育队列建设

改革开放40年来,我国西部与东部发达地区不仅在经济方面的差距在拉大,在教育方面的差距也日渐扩大,尤其在基础教育领域,这一趋势更加明显。结合教育领域自身区域间资源的差异性和特异性,如何推动不同地区的脑智发育队列建设及其与教育学界的通力合作,成为“中国脑计划”中大型脑智发育队列建设面临的根本挑战。为此,早在2015年,中国科学院、广西师范学院、广西医科大学、广西师范大学等机构就通过整合自治区内外的资源,构建东西结合的互补发展战略,建设了中国科学院心理研究所脑智毕生发展研究中心、广西师范学院认知神经科学与教育实验室。目前,该研究机构可以通过配合广西教育厅与各地市教育局开展大规模学生行为调查,以及与各地市中小学的紧密联系,积累丰富的科研经验和珍贵的被试资源;同时通过逐步推动大型脑智监测仪器设备平台的建设,结合最新脑发育科学进展在当地中小学和家庭开展学生生长发育监测等科普活动,为其他西部地区开展相关工作提供策略参考。

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