儿童的前额抑制控制与数守恒的关系：一项关于皮亚杰任务的fMRI研究外文翻译资料

儿童的前额抑制控制与数守恒的关系：一项关于皮亚杰任务的fMRI研究

Nicolas Poirel1,2,3，Gregoire Borst1,2.，Gregory Simon1,2，Sandrine Rossi1,2，Mathieu Cassotti1,2,4， Arlette Pineau1,2，Olivier Houde1,2,3

1巴黎笛卡尔大学， 2卡昂大学，3法国巴黎大学，4发展教育科学中心

摘要：虽然当两行硬币以一一对应的形式排列时，儿童可以准确判断两行中包含相同数量的硬币，但是，当把其中一行聚拢在一起时，7岁以下的儿童却错误地认为较长的一行会包含更多的硬币。为了证明前额抑制控制能力是成功判断两行数量关系所必需具备的，我们研究了在数守恒任务中激活大脑区域的BOLD信号变化百分比与Stroop任务行为表现之间的关系。研究发现，右岛叶/下额回的激活水平的高低与完成抑制控制的效率（即Stroop任务）呈部分相关，左侧顶内沟（IPS）的激活与在工作中操纵数字信息的能力也部分相关。结果表明，为了获得数守恒，儿童的大脑不仅必须激活认知操作的可逆性（由IPS支持），还必须抑制“长度=数量”这一策略的干扰。

关键词：数守恒; 抑制控制; 皮亚杰

一、前言

在大多数情况下，当对象的数量增加时，其占用的空间会更大。许多实证研究表明，空间和数字不仅在行为水平上强烈相关，而且还与人脑中激活重叠的皮层区域有关^[1][2][3][4]。在数字和长度冲突的情况下（例如，具有相同数量但不同长度的硬币呈离散型线性排列），大脑激活了额顶区域^[5]，而激活这个区域可以排除视觉空间的干扰，即长度等于数量的干扰，从而正确地集中于数量的比较^[6][7][8]。空间和数量之间的这种关系出现在认知发展的早期^[9]，幼儿倾向于认为一组物体的空间范围反映了该组物体的数量。皮亚杰著名的数守恒任务^[10]是儿童无法将数组中的对象数量与其空间范围分离的典型例子。在此任务中，儿童首先确定两行相同数量的硬币在一一对应关系中是否相等，一旦孩子们承认这种相等，再将其中一行的长度变换但数量不变，即行中的硬币分开之后，再次询问孩子这两行是否包含相同数量的硬币。在7岁之前，孩子们错误地认为在较长的行中有更多的物体，并且许多研究已经证实了这种感知错误^[11][12][13]。幼儿在数守恒任务中所犯的这种错误可归因于儿童无法完全掌握数字概念^[14][15]、无法抑制误导性感知策略或无法排除“长度=数量”的干扰^[16]。根据皮亚杰的说法，7岁左右的孩子开始明白，任何视觉空间变换都可以通过可逆性来判断。因此，认知操作的可逆性可以帮助儿童理解在数守恒任务中，不论硬币经过怎样明显的变换，两行硬币的数量仍然是相同的。因此，这项任务的成功证明了皮亚杰理论中的数概念的可靠性，并代表着儿童迈出了具体逻辑思维的重要一步。然而，Neo-Piagetian提出，幼儿错误地认为较长的一行包含更多的硬币，是因为它们无法抑制不适当的“长度=数量”的干扰^[17][18][19]。实际上，这个观点也符合Dempster的说法，即“守恒与抵抗干扰的能力有关，而不是与儿童掌握的潜在逻辑能力有关”^[20]，Neo- Piagetians还认为，皮亚杰的数守恒任务成功的关键不仅是因为激活了适当的逻辑数学策略，最重要的是执行能力的作用，它可以用来抑制误导性的思维模式。根据新皮亚杰主义者的观点，认知发展不仅得到了复杂性知识和能力的支持^[21]，而且还受到抑制先前已有知识经验的支持。皮亚杰认为，在硬币分散排列后，孩子们会因为受到误导性的“长度=数量”的干扰来改变他们的判断，然而，在研究中，皮亚杰没有假设儿童特别需要抑制性控制作为大脑的执行功能才能在这项任务中取得成功。

最近，一项fMRI研究调查了皮亚杰的数守恒任务所需的大脑区域^[22]。在功能成像期间，儿童们接受了皮亚杰经典的数守恒任务的计算机版本。结果显示，数守恒的获得由parieto-frontal支持，该部分参与监测不同的可能和竞争性的任务响应^[23]。因此，数守恒的获得可能与抑制控制能力直接相关，该抑制控制允许人们抑制错误的直观感知。目前的工作旨在进一步调查执行功能在数量和长度相冲突中的作用。在我们之前的fMRI研究^[24]中说明，数守恒任务的成功引起了右侧岛叶/下额叶的激活，这是一个对抑制性控制^[25]和抵抗干扰至关重要的区域^[26]。与此结果一致，我们推断如果抑制性控制允许儿童跳出“长度=数量”冲突，则脑岛/下额叶中BOLD信号变化的百分比应与儿童的抑制控制效率相关，如儿童在改编Stroop任务时的表现（类似Stroop的抑制功能发展测量^[27]）。为了证明该区域的神经激活水平与抑制控制的效率有关，而与其他认知能力不存在直接相关，我们还测试了右侧脑岛/下额叶中BOLD信号变化的百分比是否与数守恒有关，结果发现，右侧脑岛/下额叶中BOLD信号的变化与儿童在数守恒任务中的正确率相关^[28]。实际上，研究报告说，抑制性控制和工作记忆中的信息操作都依赖于额叶的下部^[29]。我们推断如果抑制性控制可以使儿童不受“长度=数量”这一干扰因素的影响，那么我们应该发现儿童在Stroop任务中的表现与对照组中右侧脑岛/下额叶的激活水平之间是没有相关性的。

二、材料和方法

（一）被试

从fMRI研究的原始样本中选取了两组儿童^[27]。 一组（以下称为成功组）由16名儿童组成，他们准确地进行了数字长度干扰项目（M：9岁 21个月; 10名女孩）。第二组（以下称为对照组）由12名儿童组成，他们无法准确地执行数字长度干扰项目（平均年龄：6岁 8个月; 6名女孩）。其中，只有右撇子的儿童才会考虑因为左右手对Stroop任务的影响^[28]。研究对象没有神经或精神疾病史，并且研究经过了父母和儿童自身的同意。

（二）行为评估

儿童在扫描仪外面执行了一项动物Stroop任务^[29]和Backward Digit Span测验。在动物Stroop任务中，孩子们执行了三个条件（一致，部分一致和完全不一致），每个条件包括页面上显示的24个农场动物图片。在每种条件下使用四只农场动物（即牛，鸭，猪和绵羊）。 在所有三种情况下，参与者被要求给每只动物的身体命名，而不管动物的头部。在完全一致的情况下，要求儿童将每只动物的头部与身体配对。在部分一致中，将人头放在了动物的身体上。最后，在完全不一致的组中，显示了组合型动物（例如，附着在猪身上的牛头），记录每种情况下儿童的反应时间（RT）。 数守恒任务中的一一对应条件是作为一致条件的，其中长度和数量发生变化，而实验的不一致条件是长度和数量相冲突。因此，通过从每个孩子在不一致情况下的RT中减去一致情况中的RT，按照相同的认知逻辑来计算Stroop 任务的个体干扰分数，实验中较低的分数反映了较高的抑制控制效率[30]。研究中通过韦氏儿童智力量表的Backward Digit Span子测试来评估儿童在工作记忆中操纵信息的能力^[31]。在这项任务中，儿童先听了一系列离散数字，并被要求以相反的呈现顺序回忆一系列数字。研究中，儿童首先进行了两个两位数的系列。每实验两次后，这一系列数字逐渐增加一位数。当儿童没有回忆起两个具有相同位数的试验时，任务就停止了。工作记忆得分定义为正确回忆的系列数。

（三）功能磁共振成像范例

在第一个解剖学实验中，研究者制作了三维T1加权的变质梯度图像（视场（FOV）= 256mm，切片厚度= 1.33mm，128个切片，矩阵大小= 1926192体素）。随后的fMRI会议使用T2 *加权梯度回波平面图像（重复时间为2秒，回波时间为35毫秒，翻转角为80度，31个轴向切片，3.5毫米厚，224毫米FOV和64664 网格;有关fMRI成像协议的详细描述，请参见Houde等人，2011）。在第二次fMRI会议期间，孩子们进行了伯爵的数守恒任务。实验由两排包含相同数量的硬币（5,6或7）组成，在实验中，当两行硬币长度相同时，要求儿童判断两行的数量。在儿童这却回应之后，再在计算机屏幕上，将其中一行的硬币明显分开，再要求儿童判断两排的数量关系。实验中，儿童可以通过按下响应框上的“相同”按钮或“不同”按钮来回应。主试提出问题“物体的数量在两行中一样吗？”并且在每次试验都用口头提问，每个试验都保留在屏幕上，直到孩子们回答为止，具体见图2-1。

图2-1，守恒任务期间fMRI信号变化百分比与儿童成功和对照组行为评分之间的数守恒试验示例和解释方差百分比。

（四）功能区域

根据成功组与对照组儿童之间的对比来分析相对应的功能区域（fROI），即对在扫描仪内部长度干扰项目上正确完成数守恒任务的儿童与出错的儿童的大脑活动进行对比 ^[32]。这种对比能明显发现成功组中儿童激活的大脑区域与对照组儿童所激活的区域是不同的，因此验证了成功完成皮亚杰的数守恒任务必需具备相对应的大脑区域活动。对于每个儿童，我们从激活的区域中提取BOLD 值（plt;0.01，Ngt;=50）。这些区域位于双侧腹侧和背侧视觉通路以及双侧平面的前方网络（见表3-1）。在背侧通路的丘脑沟和舌侧，枕骨下部和颞部回路中以及背侧通路中的楔形以及上枕和中枕中发现后部被激活。双侧的前额网络包括顶内沟（IPS），角回，下额叶回的脑岛/眼眶部分，以及右额中回的眼眶/鳃部分的额中回也被激活，左前中心和双侧小脑在成功组儿童中也更活跃。

表2-1.成功完成数守恒任务的儿童，MNI坐标和大脑区域的体素数比在无法有效执行Piagetian任务的儿童更活跃。

三、结果

（一）行为数据

我们以单向（一致、部分一致与完全不一致）重复测量方差分析来分析Stroop任务的RT。请注意，由于RT异常，我们排除了来自成功组的一个孩子的数据。与部分一致（31s）和完全不一致（36s）条件相比，一致条件（47 s）与先前的研究结果一致^[33]，儿童需要更多的时间来完成这项工作。完全不一致的条件（成功组：3269秒;对照组：72628秒），而不是完全一致或部分一致条件（成功组分别为2767秒和2565秒，对照组分别为39610秒和50623秒）， F（2,14）= 10.10，p = .0005（成功组）和F（2,11）= 19.9，plt;0.0001（对照组）。Backward Digit Span测试中，成功组的平均得分是662个数字，对照组是460.3个数字序正确重复。重要的是，我们发现抑制性对照评分与后向数字跨度之间不存在显著性相关（成功组：p = 0.15;对照组：p =0.73），表明这两个任务反映了不同的认知过程，即工作记忆中的抑制控制和信息操纵。

（二）fROI数据和行为评分

研究者通过进行以性别和年龄作为因变量的回归分析，以确定 fROI的活动与行为表现之间的相关性（即干扰Stroop 得分和向后数字跨度，见表2）。 关于成功组的群体，主要结果是来自parieto-frontal网络的两个关键fROI的神经认知相关性的双重解离模式，这是在 Piagetian数守恒任务中取得成功所必需的（见图1）。干扰评分与右侧脑岛/额下回的BOLD信号变化百分比之间存在显著的负相关。向后数字跨度与左顶内沟中BOLD信号变化的百分比成正相关。重要的是，向后数字跨度与右侧脑岛/下额回中BOLD信号变化的百分比无关（p =0 .13），干扰分数与BOLD 信号变化的百分比无关（p=0.21）。 值得注意的是，当通过从不一致的RT中减去对照RT来计算干扰分数时，观察到相同的相关模式^[34]。 干扰评分与右侧脑岛/下额叶中BOLD信号变化的百分比相关（p=0.02），但与IPS无关（p=0.17）。 回归分析显示，对照组中未完成守恒任务的儿童的fROI与干扰Stroop评分或反向数字跨度之间没有相关性（所有pgt;0.05，见表3-2）。

表3-1.超过长度干扰所需的大脑区域活动与成功进行长度干扰项目（成功组）的儿童和儿童的行为测试之间的回归分析中的参数估计值的比率和p值.

四、讨论

目前的研究证实了一个著名的Piagetian发育任务（即数字-守恒任务）的成功至少部分地取决于儿童抑制“长度=数量”干扰的能力。 Piaget的数守恒任务对于7岁以下的儿童来说是一项具有挑战性的任务。在7岁之前，当两个具有相同数量的物体具有不同的长度时，大脑错误地认为较长的行列中物体的数量更多。研究者认为，执行过程，特别是抑制控制，对于抵抗数字长度干扰至关重要^[35]。为了证明需要抑制性控制来准确执行数守恒任务，我们研究了之前fMRI研究^[36]中定义的fROI中BOLD信号变化百分比与抑制控制效率或反映抑制控制效率的行为表现之间的相关性。结果发现，儿童的抑制控制效率在 Stroop任务中所需的额外时间是不一致的。

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