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学习时大脑是如何运作的?tDCS和tACS提升学习能力的研究

2022-09-21

【背景分析】

学习过程中,我们的大脑是如何运作的?如果能对学习过程中大脑运作方式进行了解,并实施积极干预,提高学习能力就成为可能。

【研究进展】

2018年和2019年,来自德国图宾根大学的研究团队,在《Scientific Reports》和《Developmental Neuropsychology》(发育神经心理学)上发表了两篇研究报道,对学生在数学学习过程中,大脑的运作方式进行了全面的分析。

【研究过程】

研究团队在当地小学选取了24名五年级的学生(女生9名,男生16名),进行乘法计算测试。测试通过专门的软件进行,方法如下图所示:

如上图所示,屏幕下方为需要计算的题目(如13X4),学生需要从上面3X4,共12个方格的数字中,选出正确的答案。选错、或者没有在规定时间内选出答案,都不得分。测试共96道题目,16道为一组,共进行6组测试,每组中间进行短暂休息。同时,在测试过程中,记录学生脑电(EGG)变化情况。

如上图所示,记录了学生在测试过程中,脑电的数据变化。其中红色表示升高,蓝色表示降低。

ERD代表事件相关去同步化,它表示大脑某一皮层区域活跃起来, 特定频率的节律性活动表现为幅度的降低;ERS代表事件相关同步化,它表示在大脑静息、或者惰性状态,表现出明显波幅增高。ERS升高、ERD降低,有助于增加θ波段的大脑活动

如上图所示,记录了24名学生,第1组至第6组测试中,计算用时和平均错误率的变化情况。可以看出,随着大脑4-7Hz的theta(θ)波段功率的增加,测试中计算错误率呈现下降趋势;研究团队判断,这种变化,即大脑theta(θ)波段功率的增加,提高了学生相关脑区的执行功能、信息检索能力,进而提高了计算的准确率。

这项结果也验证了该团队在前一年(即2018年)针对儿童和成人在数学计算中,大脑运作方式区别的研究。当时发现:在乘法计算测试中,成人大脑theta(θ)波段功率、alpha(α)波段功率都出现了增加;而儿童大脑只有theta(θ)波段功率明显增加,说明成年人和儿童,在处理数学问题时,大脑运作方式是不同的。

【提升学习能力的研究】

近年来,关于通过tDCS提高数学计算能力、提高记忆能力(如记忆单词等)的研究发现,tDCS促进学习,主要通过以下三方面的影响来实现:

1、降低大脑中起抑制作用的神经递质―γ-氨基丁酸的水平,而γ-氨基丁酸已经被证明和学习呈现负相关;

2、通过改善突触连接,提高神经可塑性,以此来改善学习;

3、通过增加脑源性神经营养因子(BDNF)的分泌,保护大脑皮层神经元细胞。

tACS可以看作是tDCS的一种特殊版本,它将电流设置为在电极之间呈正弦波动(即交流电),而不是显示出恒定的极性(即直流电)。tACS对于学习、记忆能力的影响,主要通过theta-gamma交叉频率耦合机制实现。

如上图所示,是德国奥尔登堡大学两位教授,研究tACS对短时记忆的影响,发现在gamma(γ)波为42Hz的情况下,theta(θ)波从7Hz降低到6Hz,学生的短时记忆能力得分从6分提升到了7分,这也在他们后面试验中得到了验证。

【研究结论】

tDCS和tACS都属于无创脑刺激技术(NIBS),以往由于他们的作用机制不同,干预方式不同,限制了相关产品的开发。随着技术的进步,目前已经可以将tDCS和tACS、以及CES(经颅微电流)等进行集成,整合在一台设备上,(tDCS和tACS最大的区别,就是电流的输出形式不同)国外相关设备已经问世,并在医疗、教育、健康等领域得到了广泛应用。

【参考文献】

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, 81: 1-15.


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