【背景分析】
學(xué)習(xí)過程中，我們的大腦是如何運(yùn)作的?如果能對(duì)學(xué)習(xí)過程中大腦運(yùn)作方式進(jìn)行了解，并實(shí)施積極干預(yù)，提高學(xué)習(xí)能力就成為可能。
【研究進(jìn)展】
2018年和2019年，來(lái)自德國(guó)圖賓根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，在《Scientific Reports》和《Developmental Neuropsychology》(發(fā)育神經(jīng)心理學(xué))上發(fā)表了兩篇研究報(bào)道，對(duì)學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過程中，大腦的運(yùn)作方式進(jìn)行了全面的分析。
【研究過程】
研究團(tuán)隊(duì)在當(dāng)?shù)匦W(xué)選取了24名五年級(jí)的學(xué)生(女生9名，男生16名)，進(jìn)行乘法計(jì)算測(cè)試。測(cè)試通過專門的軟件進(jìn)行，方法如下圖所示：
如上圖所示，屏幕下方為需要計(jì)算的題目(如13X4)，學(xué)生需要從上面3X4，共12個(gè)方格的數(shù)字中，選出正確的答案。選錯(cuò)、或者沒有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)選出答案，都不得分。測(cè)試共96道題目，16道為一組，共進(jìn)行6組測(cè)試，每組中間進(jìn)行短暫休息。同時(shí)，在測(cè)試過程中，記錄學(xué)生腦電(EGG)變化情況。
如上圖所示，記錄了學(xué)生在測(cè)試過程中，腦電的數(shù)據(jù)變化。其中紅色表示升高，藍(lán)色表示降低。
ERD代表事件相關(guān)去同步化，它表示大腦某一皮層區(qū)域活躍起來(lái), 特定頻率的節(jié)律性活動(dòng)表現(xiàn)為幅度的降低;ERS代表事件相關(guān)同步化，它表示在大腦靜息、或者惰性狀態(tài)，表現(xiàn)出明顯波幅增高。ERS升高、ERD降低，有助于增加θ波段的大腦活動(dòng)。
如上圖所示，記錄了24名學(xué)生，第1組至第6組測(cè)試中，計(jì)算用時(shí)和平均錯(cuò)誤率的變化情況。可以看出，隨著大腦4-7Hz的theta(θ)波段功率的增加，測(cè)試中計(jì)算錯(cuò)誤率呈現(xiàn)下降趨勢(shì);研究團(tuán)隊(duì)判斷，這種變化，即大腦theta(θ)波段功率的增加，提高了學(xué)生相關(guān)腦區(qū)的執(zhí)行功能、信息檢索能力，進(jìn)而提高了計(jì)算的準(zhǔn)確率。
這項(xiàng)結(jié)果也驗(yàn)證了該團(tuán)隊(duì)在前一年(即2018年)針對(duì)兒童和成人在數(shù)學(xué)計(jì)算中，大腦運(yùn)作方式區(qū)別的研究。當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)：在乘法計(jì)算測(cè)試中，成人大腦theta(θ)波段功率、alpha(α)波段功率都出現(xiàn)了增加;而兒童大腦只有theta(θ)波段功率明顯增加，說明成年人和兒童，在處理數(shù)學(xué)問題時(shí)，大腦運(yùn)作方式是不同的。
【提升學(xué)習(xí)能力的研究】
近年來(lái)，關(guān)于通過tDCS提高數(shù)學(xué)計(jì)算能力、提高記憶能力(如記憶單詞等)的研究發(fā)現(xiàn)，tDCS促進(jìn)學(xué)習(xí)，主要通過以下三方面的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)：
1、降低大腦中起抑制作用的神經(jīng)遞質(zhì)—γ-氨基丁酸的水平，而γ-氨基丁酸已經(jīng)被證明和學(xué)習(xí)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān);
2、通過改善突觸連接，提高神經(jīng)可塑性，以此來(lái)改善學(xué)習(xí);
3、通過增加腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)的分泌，保護(hù)大腦皮層神經(jīng)元細(xì)胞。
tACS可以看作是tDCS的一種特殊版本，它將電流設(shè)置為在電極之間呈正弦波動(dòng)(即交流電)，而不是顯示出恒定的極性(即直流電)。tACS對(duì)于學(xué)習(xí)、記憶能力的影響，主要通過theta-gamma交叉頻率耦合機(jī)制實(shí)現(xiàn)。
如上圖所示，是德國(guó)奧爾登堡大學(xué)兩位教授，研究tACS對(duì)短時(shí)記憶的影響，發(fā)現(xiàn)在gamma(γ)波為42Hz的情況下，theta(θ)波從7Hz降低到6Hz，學(xué)生的短時(shí)記憶能力得分從6分提升到了7分，這也在他們后面試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。
【研究結(jié)論】
tDCS和tACS都屬于無(wú)創(chuàng)腦刺激技術(shù)(NIBS)，以往由于他們的作用機(jī)制不同，干預(yù)方式不同，限制了相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前已經(jīng)可以將tDCS和tACS、以及CES(經(jīng)顱微電流)等進(jìn)行集成，整合在一臺(tái)設(shè)備上，(tDCS和tACS最大的區(qū)別，就是電流的輸出形式不同)國(guó)外相關(guān)設(shè)備已經(jīng)問世，并在醫(yī)療、教育、健康等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
【參考文獻(xiàn)】
Soltanlou M, Artemenko C, Ehlis A C, et al. Reduction but no shift in brain activation after arithmetic learning in children: a simultaneous fNIRS-EEG study[J]. Scientific reports, 2018, 8(1): 1-15.
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