这篇是上周见刊的一篇关于教育神经科学的PNAS论文，通讯作者是牛津大学的Roi Cohen Kadosh。之前申请牛津博士的时候有幸参加过Roi的组会，当时提到过这篇文章。他们一开始的标题是类似“学习数学对脑发育和未来成就的益处”，结果投稿受到了冷落；之后他们反转了一下语气，标题变为“缺少数学教育对脑发育和未来成就的危害”，结果就发了PNAS。虽然他们也觉得很搞笑，但面对同样一项研究，如何用更有吸引力的题目让编辑相中或许也是值得研究人员花一些心思的~
此外，比起基础认知神经科学而言，教育神经科学研究看起来可能会没那么靠谱，这很正常，因为这些研究通常说不清作用机制。教育是一种手段，最后的成绩是一种结果，中间的过程就是一个不可见也不可控的超复杂黑箱，这个过程完全不像基础认知神经科学那样清晰、可控。但是，作为应用和实践的学科，教育科学所关心的问题，可能就是这个“结果”！
本文聚焦的点是数学教育的中断，这是因为在英国、印度等国家，16岁的青少年在学习A-level课程时可以不选修数学，而不选修数学的结果可能是很严重的。已有研究发现，当控制了社会经济地位等混淆因素之后，没有选修数学的学生的收入比起选修数学的学生低11%，且其他课程选修与否与收入无关。所以本文这个选题是比较贴近现实的社会问题。
为了探索数学教育中断对神经功能的可能影响，本研究采用磁共振波谱分析（MRS），分析了与数学能力相关的两个关键脑区（图1）：顶内沟（IPS）和额中回（MFG）的两种神经递质（抑制性神经递质：GABA和兴奋性神经递质：谷氨酸）的浓度。研究这两种神经递质浓度是因为大脑的兴奋和抑制水平被认为和神经可塑性、学习的敏感期息息相关。同时，本研究也使用静息态fMRI进行了功能连接分析。图1 (A)顶内沟IPS，(B)额中回MFG；下方是两个区域各自的平均波谱首先，作者比较了继续学习数学vs未继续学习数学的学生（共87人）行为表现和神经递质浓度的差异。如图2A~图2C所示，继续学习数学的学生具有更强的数学运算能力和数学推理能力，且具有更低的数学焦虑。之后，作者使用逻辑回归的方法，利用IPS和MFG区域的GABA和谷氨酸浓度来预测个体是否缺少数学教育（继续学习数学vs未继续学习数学），结果发现，MFG区域GABA浓度越低，学生未继续学习数学的可能性越高（图2D）。图2 继续学习数学和未继续学习数学学生的(A)数学运算能力，(B)数学推理能力，（C）数学焦虑水平的差异。（D）MFG的GABA浓度对是否继续学习数学可能性的预测。之后，作者利用静息态功能连接探索了MFG的GABA浓度是否调节了MFG与其他脑区（这里主要选了顶叶的三个区域，如图3A/3B）之间的功能连接。结果发现，MFG区域的GABA浓度和额顶间功能连接强度呈负相关，更高的MFG区域GABA浓度与额顶间负向功能连接有关，较低的MFG区域GABA浓度和额顶间正向功能连接有关（具体见图3的图注）。
图3 MFG的GABA浓度和额顶功能连接有关。（A）右侧缘上回和右侧顶上小叶；（B）左侧顶上小叶；（C~E）MFG的GABA浓度可以负向预测左侧MFG与右侧缘上回的功能连接、左侧MFG与右侧顶上小叶的功能连接、左侧MFG与左侧顶上小叶的功能连接；（F）MFG的GABA浓度能够预测19个月后的数学推理能力。之后，研究者想检验MFG的GABA浓度能否预测个体未来的数学能力，因此在测量GABA浓度平均19个月以后再对被试的数学能力进行了标准化测验（包含数学运算、数学推理）。结果发现MFG的GABA浓度可以显著预测19个月后的数学推理能力（图3F）。此外，本研究也利用补充实验和补充分析排除了许多其他可能性，这里不再细述。总结说来，本研究发现了在同一个社会环境中，缺乏数学教育的青少年学生在数学和推理相关的脑区会显示出较低的神经抑制水平（表现为更低的GABA浓度），且这些神经抑制水平可以预测今后的数学成就。本研究为揭示脑发育和教育之间的相互作用、教育缺乏对脑可塑性和认知功能的负面影响提供了一定实验依据。文献原文：Zacharopoulos, G., Sella, F., & Cohen Kadosh, R. (2021). The impact of a lack of mathematical education on brain development and future attainment. PNAS, 118(24). doi:10.1073/pnas.2013155118