“珠心算”(Abacus mental calculation)又称为珠算式心算,就是运用珠算(Abacus calculation)原理进行心算(Mental calculation)的一种方法。经过珠心算训练的儿童,不仅有更快的心算能力,还具有更强的数字记忆能力。珠心算的特点及其练习产生的效果,引起了儿童教育界人士的关注,同时也引起了心理学家、认知神经学家的兴趣。目前,一些研究者通过具体的教育实践认为,珠心算练习不但对提高儿童的计算能力有促进作用,而且对其他方面的大脑功能和认知品质的发展也有促进作用,甚至对开发儿童潜在智力也有帮助,所以他们都主张推广儿童珠心算教学。但由于对珠心算的神经机制及其加工原理还不清楚,另外一些学者反对进行珠心算训练和推广珠心算教学。这就需要进行珠心算研究,为教育实践提供认知科学方面的证据。同时,珠心算是普通心算的一种特殊方式,研究珠心算的神经机制及其加工原理,能够为数字认知和数字加工理论提供支持和补充。并且由于珠心算操作的特殊性,研究珠心算的神经机制和珠心算训练对儿童脑可塑性的影响,可能为特殊的有针对性的珠心算训练提供指导(针对计算能力缺失／智力障碍等特殊人群),也可能为长期训练儿童脑发育和促进儿童脑发展提供一些线索。然而到目前为止,国内现有的关于珠心算练习与大脑功能之间联系的研究,基本上处在行为学的经验观察和描述的水平,国内外也没有一家研究机构对“珠心算的神经机制及珠心算练习对儿童脑可塑性的影响”做过系统的长期的研究。脑成像(Brain imaging)是神经科学的一个新兴的快速发展的前沿领域,利用功能核磁共振技术(fMRI)研究人脑的认知功能是目前国际上认知神经科学的热点。在本研究中,我们利用先进的功能磁共振技术为主要手段来探测人脑在珠心算／心算加工中的活动情况,试图回答这样一些问题：珠心算与哪些大脑区域有关?这些脑区在珠心算加工时是怎样活动的?珠心算训练对儿童大脑发育和发展有什么影响?这种影响是如何起作用的?希望为数字认知加工理论提供补充,为后续的研究提供实验和理论的平台,同时也希望为儿童珠心算教学实践提供参考。论文分为四个章节。第一章综述研究背景、研究方法和研究目的,第二章着重考察儿童珠心算的神经基础,第三章探讨珠心算练习对儿童大脑皮层激活模式和脑网络的可塑性,第四章对研究进行了总结,并讨论了下一步需要进行的工作。在第一章中,我们介绍了珠算、珠心算的特点,总结和分析国内外相关报道,指出珠心算研究有待解决的问题。同时也介绍了心算的研究情况,数字认知的相关理论,及与心算相关的脑区。此外,还介绍了人脑可塑性相关方面的研究。最后介绍了功能磁共振技术的基本原理和基于功能连接的数据处理的方法。第二章着重探讨儿童珠心算的神经机制。经过长期的训练,珠心算专家能够利用大脑中形成的珠像进行快速而准确的心算。既然珠心算是一种特殊的心算方式,那么珠心算和普通心算是否有相同的神经机制?珠心算过程中所依赖的“珠像”是否有相应的神经基础?为此,我们进行了实验一的研究。在实验一中,8个儿童珠心算专家和8个对照组普通儿童参加。实验采用组块设计(Block design),实验任务由对照任务、简单的连续加法和复杂的连续加法组成。通过基于统计参数图(SPM)软件的数据分析,我们发现：(1)专家组在进行简单和复杂任务时大脑的激活模式和对照组有明显的不同；(2)在对照组中,简单心算和复杂心算激活的脑区模式是类似的；(3)在专家组中,参与简单心算和复杂心算激活的脑区是分离的。专家组在进行简单心算时,主要有左右两侧的外侧前运动区(Lateral premotor cortex)、右侧额上回(Superior frontal gyrus)和两侧颞叶后部(Posterior temporal areas)参与加工；在进行复杂心算时,主要有两侧的外侧前运动区和顶上小叶后部(Posterior superior parietal lobule)参与加工,左侧顶下小叶、右侧楔叶、右侧额中回(BA9)和边缘区也有激活,但是左半球的经典语言区／左侧额下回没有明显的激活。对照组中,参与简单心算和复杂心算的脑区基本相似,这些脑区有两侧顶下小叶、左半球的外侧前运动区、左侧额下回、辅助运动区(Supplementary motor area)包括扣带回前部(Anterior cingulate cortex)等。从实验一可以看出：在珠心算加工时,左侧语言区没有明显的激活,而在两侧颞叶后部或顶上小叶后部有显著的激活,这表明珠心算加工不依赖于语言表征,而更多的依赖于视觉空间表征,这验证了Hanakawa等人的观点。对照组在心算时参与的激活区域与前人的研究结果相吻合,进一步证实在心算过程中,普通对照组采用了语言相关的策略,这支持Deheane等人的观点。在实验一中,我们采用视觉刺激,有人回提出疑问,颞叶后部的激活是否可能是视觉刺激本身引起的,顶上小叶后部的激活是否可能是由于眼动或扫视引起的。虽然在实验一中,我们采用了对照任务来减少这种可能的激活,但是还不能提供非常确切的证据来反驳这种可能。因此在实验二中,我们采用了听觉刺激,让参加过实验一的儿童珠心算专家组完成与实验一相同的任务。我们实验的结果表明在实验二中激活的脑区与实验一的激活脑区基本相似,在与实验一的数据进行直接比较时,没有发现明显的差异。实验二的结果有力地支持和验证了实验一的结论,即颞叶后部和顶上小叶后部是与珠心算的加工相关的脑区。在实验一和实验二中,我们关注的是与珠心算相关的脑区／激活模式,没有考察这些脑区之间的关系。因此,在实验一的基础上,我们又利用基于相干分析的功能连接方法考察专家组和对照组在复杂心算加工过程中多个脑区的相互作用。我们发现,在专家组和对照组中,左侧顶上小叶在脑网络中有首要作用(较大的连接系数),专家组右侧顶上小叶也是一个网络中的重要结点,而在对照组中左侧额下回则是普通心算网络中的另一个重要结点。结果表明,珠心算和普通心算的神经网络及脑区间的功能连接度是不同的,这种差异可能是由于不同的认知加工策略引起的,珠心算加工利用珠像操作更多依赖于视觉空间表征,而实验组在进行心算时更多采用语言策略,实验结果进一步支持和补充了实验一的结论。第三章,我们着重考察儿童脑的可塑性和珠心算训练的关系。我们从三个不同的角度来探讨这个问题：(1)珠心算训练对心算时大脑激活模式的影响；(2)珠心算训练对儿童心算网络有效连接(Effective connectivity)的调节。(3)珠心算训练对儿童大脑默认网络的调节。在实验一、二中,我们探讨了珠心算和珠像的神经基础,实验是根据行为实验中两组被试完成任务的正确率来进行复杂心算任务难度匹配的,在实验三中,我们主要观测珠心算练习者(实验组)和对照组儿童在完成相同的两位数加法任务时活动脑区的差异(包括激活模式和激活强度),从而探讨珠心算训练对儿童大脑活动的影响。在实验三中,我们采用了随机事件相关设计(Event—related design)。11位对照组儿童和12位珠心算练习儿童参加本次实验。基于广义线性模型的分析,我们发现在相同的2位数加法加工中,实验组和对照组有共同的激活脑区,主要包括枕叶和枕颞叶皮层、顶叶、辅助运动区、前运动区和边缘区域一些功能核团。在实验组中,右侧的前运动区和外侧前额叶皮层没有明显激活；在对照组中,左侧后中央回和前中央回没有明显的激活。但是总的来说,相对于对照组,实验组激活的区域要少一些。针对共同激活的脑区,我们又利用基于感兴趣区的时间序列(ROI-based time course)分析方法,半定量地研究这些共同激活的脑区的激活强度和时间响应变化。分析结果显示,实验组的感兴趣区的激活信号强度显著低于对照组。实验三的结果显示,实验组儿童在进行2位数加法时参与的脑区的数量和激活强度明显地减少,这表明大脑的激活模式发生了变化,而这种变化可能是由长期的训练使珠心算练习者在进行心算加工时更加高效,在完成相同的任务时所占用的资源更少。从以上的讨论,我们可以看出,珠心算训练儿童在进行2位数心算时激活脑区的模式发生了变化,但是这些相关脑区之间或者网络内部是如何变化的?我们利用结构方程模型(SEM)对相关脑区进行有效连接的分析,探讨珠心算训练对心算相关网络的影响。通过结构方程模型分析,我们发现：经过珠心算训练,心算网络内部的连接强度和方向都有很大的变化,主要表现在：(1)在实验组,左外侧前额叶皮层是一个比较重要的脑区,既接受左侧顶叶的输入信号,又输出信号到前运动区和辅助运动区/扣带回前部(BA 6／32)；而在对照组中,外侧前额叶皮层只接受左侧顶叶的信号输入,没有信号输出；(2)在对照组中,辅助运动区/扣带回前部(BA 6／32)接受左侧顶叶的信号输入,相反地在实验组中,辅助运动区/扣带回前部(BA 6／32)有对左侧顶叶的调节；(3)在实验组中,左侧顶叶对左侧梭状回的有较强的调控作用,在对照组中,这种调控作用明显下降。结合广义线性模型(GLM)、感兴趣区的时间序列分析(ROI-based time course)和结构方程模型(SEM)三种分析方法,我们可以得出这样的结论：珠心算训练使心算的激活模式发生了变化；使相关脑区的激活强度明显下降；并使心算网络的内部结构发生了调整／重组。默认网络被认为是维持人脑基本的认知功能的网络,是最近研究的热点问题。前人研究发现,在静息状态下和执行认知任务时,都存在fMRI的BOLD低频信号的同步波动,这些具有同步波动的脑区与默认网络的脑区一致,被认为是内秉默认网络(Intrinsic default mode network),是大脑一种自组织的活动方式。珠心算训练对心算的大脑激活模式和网络都有调节作用,那么珠心算训练是否会对内秉默认网络的产生影响?我们用基于感兴趣区的功能连接分析方法来考察这个问题,选择PCC(扣带回后部)作为相关分析的种子点,考察全脑其他区域与PCC的BOLD低频信号波动的相关性。我们的研究发现,在心算任务下,实验组和对照组有相似的内秉默认网络,但是在实验组中,前楔叶的后部、左侧额叶中部(Medial prefrontal cortex)和外侧额叶与PCC有更强的相关性,而在对照组中,两侧角回、前楔叶的前部和左侧颞极显示出与PCC更强的连接。实验表明,珠心算训练在一定程度上调整了内秉默认网络内部的连接强度。总之,通过以上三个实验,并结合各种数据分析方法,我们首次在实验上观测到以下现象：(1)珠心算的神经基础有别于普通心算,这为数字认知加工理论提供了支持和补充。(2)在珠心算的加工过程中,采用了视觉空间表征,经典的语言区域没有参与珠心算的加工,而普通心算加工则更多采用语言表征；颞叶后部和顶上小叶后部可能和珠像的操作有关。这个给我们一个启示,珠心算训练可能为语言区域受损而导致的计算能力缺失的康复提供一个途径。(3)在视觉刺激和听觉刺激的条件下,珠心算激活的脑区是非常相似的,这表明珠心算的神经基础取决于任务本身的性质,而与任务呈现的方式无关,也进一步说明颞叶后部和顶上小叶后部的激活反映了珠像操作的过程,而不是由视觉刺激本身引起的。(4)长期的珠心算训练会儿童大脑发育和发展产生影响,这种影响主要体现在珠心算训练使儿童心算的激活模式和激活强度发生改变,使心算相关的脑网络的连接强度和连接方式发生变化,并使内秉默认网络发生变化,为儿童珠心算教学实践提供了理论参考。此外,本论文还有以下几方面的创新点：1、脑功能图像数据处理方法的多样性和完整性。本文采用了多种数据分析方法来探讨问题,包括常用的基于广义线性模型的SPM软件,基于图论的相干分析,基于结构方程模型(SEM)有效连接,基于感兴趣区的时间序列分析以及基于感兴趣区作为种子点的相关功能连接方法。这些分析方法各有优势相互补充。利用这些分析方法使我们的实验结果更可靠,挖掘更多数据本来所蕴含的信息。2、从多层次、多角度探讨珠心算练习对儿童脑可塑性的影响。本文分别从脑激活的模式、激活的强度和内部默认网络三个方面考察珠心算练习对儿童脑可塑性的影响。3、第一次探讨了珠像的神经基础,为后续的研究提供实验和理论的平台。