《珠心算对儿童认知发展及脑可塑性的影响》

珠心算练习对儿童认知发展及脑可塑性的影响胡玉正huyuih«nggmdil浙江大学物理系交叉学科实驗宣，的月提纲一.珠算、心算和珠心算二.珠心算相关研宄___三.珠心算练习对儿童认知能力的影响（本实验室工作）四.珠心算练习对儿童脑结构的影响（本实验室工作）认知能力的影响提绝一.珠算、心算和珠心算二.珠心算相关研究一地/、笛越:勺科nt...........二.坏4?舁绅d刈JUMLiJ/UTJhJI-JJdllIIIII供式:-L丄三横式6(1111)珠算[1、算和珠心算1.1筹算醐_卜进制祖冲之（公元429〜500年），借助算筹作为计算工具，成功地将圆周率TT值计算到/J、数点月5的第7位，即在3J415926至3.1415927之间，成为当时世界上最精确的TT值，比西方国家数学家的相同成就要早1100多年。一上四fe五一A—it九二上三去三m大■2JILi±tror-j'"-丄'*g下五iiiii一大古触-犬太琴好纖^-E三楚，-:去五'AJt二进一八上三去i进一-,Tfltd庚輕T#亡FHR1"B■卜-E=1^—碑J:*I»«S4t*u-二去八ft—=去1＞绝¥W.2珠算党盘下丄611114III三mi芎5IImmdsicshtelecenterqnhisSdencesuanchouhtm纵式：横式：丌7PW-〒，—w-，nmmmmczssx/index/zhuanti/2019/02'Shuxue/shudeshijie/manbushuxue/zhul.htm1.3普通心算和珠心算＞普通心算___主要基于语言策略数字使用语言表征＞珠心算/视觉、空间策略数字使用珠像表征:、珠心算相关研究现忆式应表记方效为字工练行数加切1.2.3.4.2.1珠心算者在计算任务的行为表现哈塔诺等人(HatanoetaL，1977,Cognition,)考察了珠算专家的计算技能10个珠算专家，完成3-5个十位数字相加结果：k珠算专家可以不借助实际的算盘完成这项任务；2.珠算技能中等的人在完成任务的过程中手指要运动，好像在操作一个实际的算盘一样；3.在完成任务的同吋能够回答数学无关的问题，但是很难回答数学相关的问题他们的灾验表明：珠算专家头脑中有一个虛拟算盘；他们对想象的算盘进行操作；珠心算技能与数学认知系统扣关头脑中用來做计算的算盘转化成数字记忆的视空间任务的影响珠算等级：新手2）中等偏下3）中等4）中等偏上5）专家2.2a数字工作记忆的行为学研宄哈塔访和奥萨瓦（Hatano&Osawa，1983,Cognition）在1983年对珠算专家的数字记忆广度进行了研究发现珠算专家在数字记忆广度方面显著优于普通人，但是在其他方而和普通人一样。而且珠算专家在完成数字记忆任务时容易受到视空间任务的干扰，而语言任务对他们影响比较小。珠算专家的数字记忆广度依赖于珠像衣征，具有特异性。2.2b数字作记忆的神经基础塔纳卡(Tanakaetal.,2019,NeuroReport)用事件相关的功能磁共振成像实验对珠算专家的工作记忆进行研究发现：珠算专家♦依赖视空间工作记忆'♦神经结构涉及双侧额上回和顶上小叶.♦依赖语言工作记忆♦神经结构为布洛卡EABNumeralvernalExpertsExperts^NonexpertsNonexpertsBSPcSIPS■Nonexperts■ExpertsRP9RPSPCLM2.3珠心算加工的神经机制哈培和艾克达(HattaandIkeda，1988，Neuropsychologia)1973年用行为学实验的方式发现：＞珠心算专家主要使用右脑进行计算＞普通人主要使用左脑进行计算哈纳卡瓦(Hanakawaetal.，2019，Neuroimage)2019年利用功能核磁共振成像实验发现：珠心算主要依赖二维视空间信息处理扣关的神经资源，如前运动区和顶叶后部<♦oqi

3ctgits6aiQiistro•VSiPttS•RSRSdgl3仰酏e戊grts■NonAxperis匯ExpertsNxapu!XXEJSE1vtlCMCCUUVCViMI'cVIlit!vli<i\J>One-dtuHCulcuiiilionuCowertRcudiviKCMCCIII»V4'台湾学者陈等2019年用功能核磁共振实验得到r与哈纳卡瓦类似的结果Chonetal.,2019,NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearch.

fMRIStudy蠹tg台湾学者吴等2009年用正电子发射断层扫描也得到了和上述两个实验相吻合的结果Wuetal”2009EurJNuclMedMolImaging,PETstudy2.4珠心算的训练效应＞提高计算能力--更快、更准、操作位数更多[斯蒂格勒(Stigler)1984,哈塔诺(Hatan0),1977]＞提高数字工作记忆容量[哈塔诺和奧萨瓦(Hatano&Osawa)1983,哈塔诺等(Hatanoetal.)1987,塔纳卡等(Tanakaetal.fl2019]＞提高儿童的推理能力[艾尔文等(Irwingetal.)2019]艾尔文等人2019年所做的工作研究r珠心算训练对儿竜推理能力的影响[Irwingetal.(2019)PersonalityandIndividualDifferences]苏丹波试呈很大：3185,年龄在7到11岁，训练34周，每周训练2小时雰group——controleKpenmentai2400-2,00-100-5.C0-TlmeRg.1,Scornattheexperimentalandconrrolgroupsbefore瀑ndafterAbacusmining.Af.LTimetocompletionerfrheSPMbrrheexperimentalandcontrolgroups,beforeandjfterAturntrainingXS古$66iD对珠心算研究的一些结论1.珠心算练习者的算术计算能力比一般人强2.珠心算练习者的数字记忆广度比普通人高3.珠心算使用视空间策略和相应的神经结构来完成心算任务珠心算练习可能会影响到儿童的智力发展4,局限和存在的问题①珠心算儿童是否有类似成人的心算网络？②听觉和视觉刺激模式下的心算网络是否有差异？__③珠心算练习是否对数字的自动化加工产生影响？是否对练习者的数量表征产生影响？④珠心算练习是否对儿童的工作记忆产生影响？是否对儿童的心表象—作产生齡n向？⑤珠心算练习是否影响到脑的结构？心略对是人珠策算知能习國技练响成+间心认算移算影8體g"释II多觉用关的影注生注塑大视采不者生关发关可试是者乎习产少否有脑被都彰A练否较是没对1.2.3.4.5.1.珠心算儿童是否有类似成人的心算网络?被试8个珠心算儿童（女生4个，年龄11.75土［39岁）8个对照儿童（女生4个，年龄12.29土0,38岁）珠心算组被试的练习时间为4-6年（平均年龄5.5年），每天练习0.5-1h加法任务下fMRI的激活模式1珠心算被试在复杂任务屮的脑激活珠心算组被试在简单任务屮的脑激活对照组被试在G杂任务屮的脑激活对照组被试在简单任务屮的®激活在复杂心算时珠心算专家组和对照组参与的脑区，专家组顶上小叶后部与视觉空间表征相关的区域有显著激活，而语言区域则没有参与，对照组则相反。X儿童也有类似成人的珠心算网络＞从儿童在简单和复杂两种任务下的脑激活模式来看，双侧颞叶后部可能和静态珠像的识别更相关；而双侧顶叶后部和前运动簡单加法任务2.听觉和视觉刺激模式下的心算网络是否有差异?3.珠心算练习是否对数字的自动化加工产生影响?数字自动化加工被试，本研究包括30名年龄在9-11岁珠心算儿童（男17人，女13人，平均年龄=10,20土0,535岁）和30名同样年龄段的普通儿童（15男，15女，平均年龄=10.08土0,543岁＞研究范式：数字冲突实验（stroop）顺应条件I冲'JOfT|数字任务272722形状任务222727产生效应易化1HF扰率=（冲突-中性）冲性：易化率=（中性-顺应）/屮性co数字比较正确率】25r02-115-W数卞比较反应吋（W形状比絞反应时易化T扰□4心卵1I⑷形状比较正确率反应时:准确率r在形状比较时，珠心算组的干扰效应耍显著大丁对照组（反府时：t（54）=-2.578，p=.013,准确率：t（54）=-2.841，p=.007）。5OO切化\干扰申51一a5O4OS150aOW化\干扰申251500.1aWW化\干扰率f25150O.10.OoOW化--T扰率4.珠心算练习者是否对练习者的数量表征产生影响?数字大小与5比较圆点多少与5比较斯纳克（SNARC）效应：（右手反应时-左手反应时）=常数项+K*（数量大小）数字圆点*1IIr4e7»数字两组都显著p<0.025，组间差异不显著S

-£.®JlocJ10CPu^litr-lMwHl[r}I(rpI-77数对照组:《26)=-1.121,px10珠心算组：t(28)=-3.550,p

<.005距离效应反应时=常数项+K*log（距离）数字圆点距离效应有组间差昇代54）=3.462,p=

_001距离效成没脊站著组间羌异结论:＞珠心算练习对练习者的符号数量表征影响大，而对非符号的数量表征影响较小。5.珠心算练习是否对儿童的工作记忆产生影响?■对照组■殊心锌组*55数字数字05.43,尸=0.00)字母(f=4.65,尸=0,00)567

B91011U数字广«数字记忆广度与字母记忆广度是显著相关的(r=0.53,尸=0.00}HuetaL,2019HBMtaccepted1.短时记忆广度:a)+数字和字母记忆广度____b).数卞母记忆广嗖的关系65453543-29876543Bc.SJm儿龜的珠心算训练也许会将对数字的记忆特长迁移到邦它对象，比如字母。2.工作记忆>Nback实验方式>数字的O-back2-back>卞间位置的O-back2-backO＞发现珠心算儿童和普通儿童在数字和空间位置的O-back、2-back任务中的准确率和反应时均无显著差异。6.珠心算练习是否对儿童的心理表象操作产生影响?A心理旋转fMRI结果珠心算组〔abacus)对照组＜control)2009］等等Imfeld,etal高尔夫运动［Janckejetal-已有大量研宄表明特殊技能的训练能够改变脑的物质结构比如>音乐训练[Bengtsson,etal.2019;GaserandSchlaug20192009;SchmithorstandWilke2019]训练与脑的可塑问题＞珠心算训练是否会影响到脑结构呢？___/如果是，那么这种训练引起的脑结构变化发生在呢些地方？珠心算练习对儿童脑结构的影响设：珠心算训练会对运动及视空间信息力口工相关的神经通路(fibertracts)产生影响被试组别性别年龄男女范围均值标准差珠心算组15109.61，1L5810.48038对照组128.89-1L5110230.52珠心算组持续练习时间超过3年，期间毎周练习3-4小时則胭-丘脑间胞「胞桥胞干-后脑脊髄下丘胞垂体大胞皮层-大脑"胼胝体延胞小脑白质<yJ灰质中脉一K桥延餘胞角运动祌行元大BA皮饥体细咆躯体运动（下行）传导路（锥休系）延髓未瑞（交叉到对侧）脊髓FwlS.弥散扩散张罱成像（DTI），直接测贤的是水分子在脑组织中的扩散系数，能间接反映脑组织的结构形状径向扩散系数:Axialdiffusivity(DorAD)横向扩散系数:Radialdiffusivity(DorRD)各向异性分数（FA,0-1）t综合反映脑组织中神经纤维的密度、排列的整齐度、神经元的直径和白质中突触髓鞘化的情况。［巴瑟尔（BasserRJ.2019）1iH■■ih.1预处理结果MRI数据统il结果椒曲IzjRFA均值（灰度阳）filFA#架均側绿色）R:心侧；L:A:侧C.行为与结构之间的关系a)FA有差异的脑区060580%054052050480460445