本·哈維

運用功能磁共振成像技術(shù)可以探究大腦是如何加工和組織信息的。大多數(shù)功能磁共振成像研究的是某個特定刺激或者任務(wù)激活了大腦的哪個腦區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，身體的部位與大腦皮層表面呈現(xiàn)一種空間對應(yīng)關(guān)系。在視覺中，在視覺皮層的每個記錄單元也同樣對應(yīng)視網(wǎng)膜上的一個特定位置，稱作“記錄位點群感受野”。

研究表明，大腦對空間位置的偏好在皮層上是逐漸變化的，在大腦皮層表面形成映射圖結(jié)構(gòu)。我們在初級視覺皮層的記錄位點也能測量對于視覺空間的反應(yīng)有多精確，也就是每個記錄位點的響應(yīng)范圍。這些映射圖譜的性質(zhì)能夠預(yù)測一個人的視覺能力。映射圖面積較大的人，或者說初級視覺皮層與視覺位置存在更精確對應(yīng)關(guān)系的人，有更好的視覺空間分辨能力。

在5歲的孩子和25歲的成年人中，這些初級視覺映射圖的大小基本沒有區(qū)別（圖1），同時這些區(qū)域?qū)σ曈X空間位置也表現(xiàn)出同樣的激活。所以成人與兒童的初級視覺皮層對視覺空間的表征是非常相似的。圖2表示，成人與兒童初級視覺區(qū)域的視野空間表征基本上是相同的，不受發(fā)育的年齡和教育的影響。視覺區(qū)域的大小和反應(yīng)精確度能夠預(yù)測簡單視知覺的精度，這一觀點得到了先前研究的證明。早先的研究成果表明，這些簡單的視知覺功能在人6個月大的時候就已經(jīng)得到快速的發(fā)展，視覺能力及其對精確的視覺位置信息所產(chǎn)生的神經(jīng)活動很快就達到成人的水平。大腦對簡單視覺感知的準確度，在人5歲的時候就已經(jīng)發(fā)育成熟。這也是我們可以開始用核磁共振技術(shù)來測量孩子的年齡。

視覺詞形區(qū)是負責人類閱讀的腦區(qū)。成人和兒童識別文字的視覺詞形區(qū)的大小變化不大，但是他們的激活反應(yīng)發(fā)生了改變，兒童的腦對右側(cè)的一大片區(qū)域產(chǎn)生激活，而成人對更精確的一小片區(qū)域激活，這個精細的區(qū)域就是我們閱讀單詞的位置。這個結(jié)果與我們在閱讀中所學會的眼睛的移動方式是一致的。Brian Wandell 教授的團隊也發(fā)現(xiàn)，隨著教育年限的增加，這些區(qū)域間連接質(zhì)量的提高能夠預(yù)測兒童的基本閱讀能力。視覺詞形區(qū)域的功能連接在兒童學習閱讀的過程中發(fā)生了明顯的變化。所以初級視覺區(qū)域的反應(yīng)和視覺空間感知的能力在6個月左右就基本成型，而閱讀技能是在學齡初期得到發(fā)展的，與此同時得到發(fā)展的是視覺詞形區(qū)的反應(yīng)和連接。

人腦具有識別數(shù)字、判斷數(shù)量的能力。當我們看到數(shù)量小的一堆物體時，我們就知道看到了多少個物體。這個過程是快速、輕松、準確的，而且不需要計數(shù)。許多動物也和人一樣擁有這個能力，比如在尋找食物的時候，這個能力能夠幫助動物判斷多與少。這個能力在學齡初期也還在發(fā)展，8歲的孩子能夠比4歲的孩子更快地判斷出一組物體的數(shù)量。即使考慮了年齡和一般智力等因素，那些能夠更好地判斷物體數(shù)量的孩子，在基本的數(shù)學任務(wù)中也做得更好。

如前所述，視覺空間可以映射在初級視覺皮層上，但是對于更加偏向認知的屬性，比如數(shù)字的直覺是怎么樣的呢？近些年，我們通過更高級的磁共振技術(shù)來探尋這些物理量是如何映射到大腦皮層表面的。在大腦中針對不同物理量激活最強的區(qū)域存在于不同的區(qū)域，例如簡單物體加工區(qū)域、注意引導區(qū)域、決策區(qū)域等。在每個映射區(qū)域，對物體數(shù)量的反應(yīng)在大腦表面逐漸變化，把對同一物理量激活的神經(jīng)元組合在一起，就形成了在大腦不同區(qū)域?qū)Σ煌瑪?shù)字的激活。因為不同的數(shù)字在不同區(qū)域會產(chǎn)生強度不一樣的激活，磁共振對于不同數(shù)字反應(yīng)的變化也能夠預(yù)測成人估計他們所看到的物體數(shù)量的能力。這表明，這里看到的激活反應(yīng)也能預(yù)測兒童的基本數(shù)學能力。遺憾的是，對兒童進行這樣復(fù)雜的磁共振實驗非常困難，而分析大腦激活和數(shù)學能力的關(guān)系需要大量的數(shù)據(jù)。

物理量的知覺建立在視知覺的基礎(chǔ)上，我們最近的研究發(fā)現(xiàn)了對物理量的映射圖，在對物理量知覺的精度提高時以及基本數(shù)學能力進步時，這些數(shù)字映射圖背后的神經(jīng)活動和連接就會得到發(fā)展。這一關(guān)系與我們已知的關(guān)于閱讀技能和與單詞識別對應(yīng)的區(qū)域的知識是一致的，所以對于數(shù)學來說，檢驗物理量感知區(qū)域、物理量知覺能力以及基本數(shù)學能力之間的關(guān)聯(lián)，是未來理解大腦中數(shù)學基礎(chǔ)的挑戰(zhàn)。那些能夠更好地說出所看到的物體數(shù)量的兒童，他們的基本數(shù)學能力也會更好，他們也更擅長于需要注意力的任務(wù)。當然注意是教育的關(guān)鍵因素。這樣看來，孩子的注意和數(shù)字視覺任務(wù)與基本數(shù)學能力相關(guān)，這兩種能力可能都依賴于相關(guān)的大腦區(qū)域。但是對于更加抽象、更加概念化的數(shù)學任務(wù)，數(shù)字視覺能力并沒有發(fā)揮任何作用，只有注意發(fā)揮了作用。當然在這個研究中，注意力也預(yù)測了一般智力。數(shù)字視覺能力對于復(fù)雜抽象的數(shù)學任務(wù)用處不大，同時數(shù)字視覺能力和簡單數(shù)學能力在成人時已經(jīng)得到了充分的發(fā)展。成人與兒童的區(qū)別在于高等數(shù)學的能力，而高等數(shù)學能力和數(shù)字知覺之間不存在緊密的聯(lián)系。

對于高等數(shù)學能力，我們前面看到的視覺物理量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不重要。如果我們關(guān)注負責比較、運算的腦區(qū)，就會發(fā)現(xiàn)另一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)可能負責物理量和語言之間的交互作用，可能這兩者對于高等數(shù)學是必須的。然而我們才剛開始研究簡單的數(shù)學運算，對于高等數(shù)學我們還有很長一段路要走。遺憾的是，許多先前的研究將物理量的激活和附近的大小比較的激活反應(yīng)混淆了。目前，我們認為，負責比較和運算的區(qū)域?qū)τ诟叩葦?shù)學更重要，這些區(qū)域可能與負責物理量的區(qū)域相連接或者建立在這些區(qū)域的基礎(chǔ)上。這也印證了在數(shù)學教學中，基礎(chǔ)數(shù)學一般是通過實際的物體來教學的，而在理解了物理量的概念之后，就可以在此基礎(chǔ)之上，通過復(fù)雜的方式來構(gòu)建抽象的概念性的數(shù)學知識和科學了。所以復(fù)雜數(shù)學的理解能力出現(xiàn)在教育的中后期，很多自然科學家在學校時并不是個優(yōu)等生，有些人甚至到大學才開始顯示出才華，比如愛因斯坦。于是，過早地放棄那些學習差的學生是不明智的，他們可能會在高等數(shù)學中展現(xiàn)出天賦。

目前為止，我們只看了靜態(tài)圖像中大腦的空間激活規(guī)律。但當我們要理解與真實世界的互動時，時間就成為一個重點。人類可以在視覺、聽覺和觸覺中融合時間，形成一個統(tǒng)一的對時間的知覺，而且我們可以根據(jù)這個知覺做出有規(guī)律的動作，比如跳舞。這種對時間的知覺一般與較短的事件有關(guān)，許多這種動態(tài)的事件都持續(xù)不到1秒鐘的時間。時間感在知覺中有重要的地位，尤其是從不同感覺中整合信息并計劃行動，但是大腦處理時間的機制才剛開始研究。

根據(jù)前面的知覺的共通特征，對于事件時間的激活可能也和前面提到的空間和數(shù)字加工類似。我們發(fā)現(xiàn)了多個時間映射圖，在腦中的每個記錄區(qū)域都有一個偏好的時間節(jié)奏產(chǎn)生最大的激活，在大腦表面呈逐漸變化的分布方式。對時間反應(yīng)最強的區(qū)域和對響應(yīng)特定數(shù)量的區(qū)域有較大的重合。所以，對特定時間節(jié)奏的激活是支持對時間的數(shù)量知覺的證據(jù)，人腦可能參與了數(shù)量認知的過程，比如在物理學、數(shù)學中，尤其是基礎(chǔ)數(shù)學的過程。這個過程也可能支持了多方面的協(xié)調(diào)能力，比如體育中的表現(xiàn)。當然也包括音樂知覺和演奏樂器的能力，這些節(jié)奏對時間的把握有很高的要求。

總之，人腦對于外在的物理量的概念集中于上述幾種激活。這些物理量可能是建立數(shù)學、科學、工程學中更復(fù)雜的思想和技能的基礎(chǔ)。大腦的時間加工甚至可能解釋音樂、運動、智力之間的聯(lián)系。