认知神经机制的脑机制研究

认知神经机制的脑机制研究

1信息表征策略在现代教育过程中，培养聪明的学生，教授学生正确的思维方式是教育领域最必须解决的问题。良好的思维方式包括发达的思维和学习技能，以解决学术问题和日常问题。分类是指按照一定的标准把物体归入某种类别的过程。通过分类，来认识世界、整合和区分事物。信息的表征指将信息归类进行表征。归类方式不同可导致不同的记忆效果。例如，为做论文收集信息时，按主题表征问题比按作者表征问题记忆效果更好，再从长时记忆中提取有效的表征时，就会容易些。由此可见，信息表征对问题的解决具有至关重要的影响，因为对信息分类处理进行表征，可以影响到记忆的效果，从而直接影响信息的利用和提取。其中，对刺激的表征有不同水平，如知觉水平和语义水平。信息的表征也会通过影响策略的形成和使用，从而影响整个问题解决过程。分类包括类使用的过程与类别形成的过程，即类标准的形成。在类别的形成过程中，人们利用各种策略对类别成员关系进行判断。采用的分类策略包括基于样例信息的相似性与决定类别成员关系抽象规则而形成的相似性策略与规则策略。由此可见，信息表征和策略是认知技能的重要成分。正确理解它们的作用并将其应用于教学实践，可以改善学生的思维方式，更好的促进教与学。2觉悟水平分类对物体进行表征是认知加工的第一步。在分类中，对物体的表征主要存在两个水平。（1）知觉水平。根据知觉恒常性把不同感觉通路输入的相同物体知觉为同一物体———知觉的分类。（2）语义水平。对相同类别的不同物体进行正确归类———认知的分类。2.1itc对视觉加工的促进颞下叶皮层（inferiortemporalcortex,ITC）位于颞叶前腹侧，这一区域的神经元对信息进行视角调节，对不同角度输入的相同物体进行解码。具有视角选择性特征的信息从此区域后部（posteriorinfereotemporal）传送到颞下叶前区（anteriorinferiortemporal,AIT）皮层。AIT处神经元则是物体调节性的，可激活单个物体的表征。视觉形式加工和形状再认通过以上过程在ITC区域完成。最早发现ITC的损害会造成猴子视觉辨别和再认的困难以及人类的类别-特异性（特别是面孔）失认症（agnosia）。复杂的视觉刺激诸如面孔、熟悉物体、几何图形等都会激活这个区域。ITC对刺激的选择性受到视觉经验的调节，具有视觉选择的可塑性，通过学习和训练可以根据形状对各类物体进行解码。此外，ITC与很多区域相联系，包括内侧颞叶（medialtemporal）、前额皮层（prefrontalcortex,PFC）在内的额区（frontal）、顶叶皮层（parietalcortex）。这种联系是在ITC区域完成视知觉加工的刺激信息向其他区域传送、进行进一步加工的条件。除了形状之外，刺激还具有其他各种物理特征，例如颜色、方向等。研究发现颞中区（middletemporalarea,MT）对刺激的运动特征（如方向、各种运动形式）敏感，具有方向选择性特点。可见，以上两个脑区都对信息的视觉特征敏感，属于视知觉加工区域。在人们对物体知觉信息进行表征时这些脑区被激活，对物体信息进行初步的加工。2.2类别效应的变化知觉表征是对物体的初级加工，使人们对视觉刺激的属性、特征进行分析以完成物体识别的第一步。在对刺激物进行表征时，根据任务要求和已有知识经验，可将刺激物进一步在不同的语义水平上进行表征。在语义上，基于不同的概念水平，可将物体分为上属水平、基础水平和下属水平。所以按照语义特征对物体进行分类也存在三个水平，例如“麻雀属于自然物体”、“鸟属于自然物体”、“动物属于自然物体”就分别是在三个层次上进行的分类。分类时所依赖的语义水平不但与任务目标相关，而且与知识经验有关。例如，研究认为专家和新手在分类时对物体表征的水平存在差异，专家对物体的表征和区分处于下属水平，而新手是处于基础水平的。在知觉输入完成后，PFC的任务相关或称类别调节神经元对物体进行自上而下的加工。这一区域决定分类是基于何种水平的（如上属水平还是基础水平），因为PFC的类别调节神经元可以调节物体调节神经元的活动，根据相关物体识别和分类任务来增强不同的知觉信息。PFC和后区顶叶皮层（posteriorparietalcortex,PPC）解码的是类别成员关系，对视觉特征的变化不敏感。类别成员关系是类别成员之间的关系，是判断某刺激是否属于某类别的标准，是依据策略、通过学习形成的语义性的联系。PFC的这种类别效应是由于学习造成的。PPC也具有可塑性，改变类别界限后，此区的激活就会反映新的类别成员关系。PFC和PPC是在系列学习之后对类别内熟悉物体的反应起作用，但是在学习过程中，它们的作用可能不同。新信息和技能在PFC等额区被首先加工，然后转移到PPC或皮层下结构对熟悉信息或行为的神经加工系统中去。从视觉特征到成员关系的中间传递过程则是由MTL等脑区负责的。2.3视觉加工过程通过ERPs技术对包含上属（如动物）、基础（如狗）和下属水平（如猎犬）的分类进行的研究发现，在下属水平的分类包含了更多的、精细的知觉分析，激活脑后区、舌回（fusiform）、颞下回和额叶部分区域。脑后区的激活，说明了视知觉加工过程；舌回的激活（特别是梭形脸部区-fusiformfacearea,FAA）则反映了随着任务要求和知识经验而变化的特殊物体范畴内机制；额区的激活则证明了在语义水平上的加工，这一点从脑成像研究也可以看出。这些区域的激活说明了在下属水平的分类中，额区与视觉区域（颞下区）可能存在的相互作用，而且这种作用比基础水平的分类过程要求具备更精细的知觉特征，对语义的区分也更加精细。例如在不同种类的狗之间进行区分比把狗与猫进行区分更精细。3类别学习的神经网络整合通过对类别学习时策略的形成和使用进行研究，可以研究思维过程。在类别学习中，神经网络的运作过程是怎样的？究竟是依赖于某些既定网络的激活，还是在学习中形成了某些新的神经网络联结？反映在类别学习中则表现为某些新的记忆痕迹的形成或是对原有记忆痕迹的加强。利用fMRI进行研究发现，在类别学习过程中学习的成功并非伴随某个更适合于特定任务的神经网络被从不同的网络中筛选出来进行整合的过程，而是依赖于既定神经网络内的联系在学习过程中逐步精细、加强。类别的形成和建立可以通过直接获取决定类别成员关系的抽象规则或是积累观测到的样例信息来实现，分别是基于规则和基于相似性的。3.1规则认知的转变用于研究类别学习的任务很多，其中威斯康辛卡片分类测验（WCST）是基于规则的类别学习任务，WCST是抽象推理任务的原型，它最早被用来对单侧脑叶（laterallobe）切除病人的抽象推理、类别归纳和概念形成过程进行检测。此种任务为同时性呈现五个几何图形，图形在颜色、形状、数目三个属性上变化，每个属性有四个值（即特征，特征为属性的值）。在屏幕上方呈现四个图形，它们在各属性上均不相同，下方呈现一个图形，要求被试判断它与以上哪个属于同一类别，即在哪个特征上相同。通过反馈让被试自己逐步了解判断规则（即相同的特征），然后再转换判断规则。在利用脑成像技术进行的研究中，发现在WC-ST任务中前额皮层、尾状核（caudatenucleus）和前扣带回（anteriorcingulate）都有被激活迹象，其中对背侧前额皮层的研究结果最一致。深入的研究发现，影响这一过程的准确部位可能为基底神经节内掌管信息输入的结构———尾状核头。由此可见，前额皮层在基于规则的分类任务中发挥作用。另外，采用遗忘症患者为被试进行研究，发现内侧颞叶和海马（hippocampus）也与规则策略的形成相关。遗忘症患者海马、齿状回（gyrusdentus）、内嗅皮层（entorhinalcortex）、内侧颞叶或间脑（diencephalon）受损伤，在外显记忆任务中成绩下降，也影响了对外显规则的推理和运用。由于海马是新记忆形成、巩固的关键脑区，所以，海马损伤的病人在WCST任务中异常表现可能是由于外显规则的记忆受损造成的。内侧颞叶受损的遗忘症患者（包括酒精中毒性遗忘症患者，korsakoffamnesia）在完成复杂的基于规则任务时的成绩下降。由此可见，海马和内侧颞叶与规则学习相关。脑成像研究同样证实了内侧颞叶，包括海马在内，可能与外显的解码过程和样例信息的提取、背景特征的整合和新异刺激的探测有关。由此可见除额叶以外，内侧颞叶与海马在基于规则的分类任务中具有重要作用。可见，基于规则的类别学习中广泛的大脑区域被激活，包括背侧、腹侧（ventral）前额皮层，顶叶，颞区（temporalareas）等。3.2点模式分类任务在脑损伤研究中发现，运用相似性分类与运用规则分类时可能激活不同的脑区，由此推测相似性策略和规则策略的形成和运用具有不同的脑机制。在样例相似性程序中的主要假设是分类是基于前面存储的样例，那么存储新项目的脑区受损的脑损伤患者，在此种策略的分类中存在缺陷。例如，Kolodny采用内侧颞叶损伤（包括海马区域）病人和正常被试完成两项分类任务，一项是学习把新的绘画作品按照画家分类，基于样例相似性；另一项是点模式分类任务（dotpatterntask），学习把点图按照两类原型分类，基于抽象的原型。结果发现：在第一项任务中，脑损伤病人成绩受到严重影响，而在第二项任务中，他们的表现与正常被试无异，表明相似性的运用受到内侧颞叶的控制。在利用词汇为刺激的研究中也发现了相似性和规则的运用依赖于不同的脑区。实验中采用把英文动词变为过去式的任务，包含规则变化（词尾加ed，如jump-jumped）和不规则变化（如singsang）的词汇。显然规则变化要利用外显规则，而不规则的变化则要提取记忆中的相似样例。结果发现帕金森病人在规则动词变化中错误率高，显然是由于此类病人额叶受损造成的。而阿尔采莫氏病人（alzheimer′sdisease,AD）则在不规则动词变化中错误率高，此类病人受损脑区包括海马、额叶、颞叶新皮质(neocortex)。还有研究发现AD病人在运用规则分类的任务中也严重受损，这可能是由于额区受损所造成的。由此推测AD病人的额区损伤造成了其在规则分类任务中的成绩受损，而其在依赖相似性的不规则词过去式变化中的异常表现则是由除额区之外的其他损伤脑区造成的，这些脑区可能与相似性策略的形成和使用相关。3.3基于规则的类别学习Smith等人利用PET以人造形状的动物为刺激物，对规则策略和相似性策略（记忆组）形成、使用时的脑区差异和反应时差异进行了研究结果发现，在规则条件下被激活的脑区包括：（1）顶叶顶端的两个区域（大脑两半球的Brodmann7区）；（2）额区皮层，包括右侧前额皮层（Brodmann46区）和运动辅助皮层的三个区域（包括左半球两个区域和右半球Brodmann6区）；（3）视觉皮层的四个区域（左半球Brodmann19区的两个区域，右半球Brodmann18、19区的各一个区域）；（4）小脑（cerebellum）的三个区域（右半球两个左半球一个）；（5）以及右侧丘脑(thalamencephalon)。与空间的选择性注意有关的左顶叶Brodmann7区在规则条件下激活程度最高，这一点从对灵长类动物的单细胞研究中和神经学方面病人的研究中都得到了证实，选择性注意是规则策略形成和使用的重要机制。另外，众多脑成像研究发现前额皮层（Brodmann46区）是与规则策略的形成密切相关，此区域可能在对工作记忆中保持的信息进行运作时被激活。在规则策略条件下中，辅助运动区也有明显的激活，这可能与高水平的运动计划和准备有关，同时也包含言语成分（如分类时对规则的复述）。可见，规则的形成和使用激活顶区、额区以及视觉区域等众多脑区。规则策略的形成和使用包含诸多独立过程，而这些过程可能是激活不同脑区的原因。利用相似性的记忆组激活的脑区包括：左Brodmann18区和左小脑。另外，在规则和记忆两组都被激活的脑区包括：视觉皮层的五个区域（左Brodmann17区，左右半球的Brodmann18区，左Brodmann18/31区，右Brodmann19区，和右小脑的两个区域）。由此可见，基于规则的类别学习任务广泛激活大脑的顶叶、额叶，与工作记忆（包括选择性注意和执行功能）相关。而利用相似性的分类任务主要激活视觉区域，包括初级视皮层、次级视皮层、三级视皮层和联合皮层，及与样例记忆相关的脑区。内侧颞叶和海马在两种策略中，都有被激活的迹象，此区域可能对应着对规则和刺激样例的记忆。可见，类别是基于记忆系统而形成的。无论哪种分类任务形式，都离不开记忆过程的参与。所以，类别学习在某种程度上可以看成是记忆的过程，包含对类别判断规则的外显记忆及对样例、原型等基于相似性的内隐记忆机制。研究认为多种记忆系统可能被运用在不同的分类任务中。分类所依赖的三个记忆系统包括：工作记忆、外显长时记忆、内隐长时记忆。分类中工作记忆是运用规则来检测项目，外显长时记忆是决定一个检测项目与存储的原型或样例是否存在相似性。脑成像研究引导正常被试利用规则和利用相似性、通过学习达到对类别内成员的认识，发现了脑区活动的差异。规则指示引起额区顶区活动，与工作记忆和选择性注意相关；相似性指示激活与知觉特征整合相关的顶区。总结上述脑损伤研究也证实了这点。4加工区域的表征综上所述，在分类过程中，个体对分类材料的表征和采用不同加工策略时激活的大脑区域不同。分类作为思维过程的重要环节之一，脑科学研究的成果对思维教学有一定的启示作用。4.1使用具体材料的方法，培养更多的语义关系从信息表征的脑机制角度探讨如何对学习材料进行设计。精细的语义加工是专家有效解决问题的关键。在专家对信息表征的过程中，语义水平信息的提取与知觉信息的表征是相互作用的，即额区与视觉区域（颞下区）可能存在的相互作用，而且专家的分类过程具备更精细的知觉特征的表征，对语义的区分也更加精细。所以如果将学习材料的知觉特征具体化，可以通过两方面的作用来促进学习。第一，具体的材料可以增加各种信息、特征分类存储的可能性，而非整体性存储加工，为语义水平的加工提供精细的信息，从而更多的激活额区活动。第二，具体材料比抽象材料具有更明确的类别关系表征，由于PFC等额叶区域与分类中物体的语义或关系表征相关，所以具体材料可以更多的激活这一区域促进更精细的语义加工的进行，从而利用专家的策略有效地进行学习。针对高低年级具有的知识水平不同这一特点，可以把低年级学生的学习材料设计得更为生动具体，增加学习材料中的图例，有助于提高低年级学生的学习效果。而相对应地，高年级学生已经具备了某些领域的经验知识，所以对学习材料的具体性要求可以降低，但是应从另一个角度加强其对语义和知觉知识表征间的联合加工，促进额区的激活，以便促进精细加工的实现。那就是提高学习的目的性，明确学习的目标（要达到的效果）。因为研究显示任务要求对舌回的激活有促进作用，而舌回的激活有利于精细的知觉加工，从而促进语义关系的提取。所以，对高年级学生，可以让他们明确每一次习题练习、每一个学习步骤等等到底是为了让他们掌握什么知识和技能，并且加强这些步骤之间的连贯性、序列性。4.2类别与年龄的关系从类别形成角度来看，规则策略和相似性策略通过对记忆的影响决定着对信息提取的效果