慧创便携式近红外脑成像NirSmart支撑发表教育学领域SSCI

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近日，慧创近红外脑功能成像支持四川师范大学王玲教授以第一作者在SSCI期刊《Thinking Skills and Creativity》（思维技巧与创造力）(IF:3.652/JCR Q1)发表论文。《Thinking Skills and Creativity》是SSCI教育学领域的高影响力期刊，重点关注新的思维方式和创造力方面的国际前沿研究成果。

论文题为“Influence of high-level mathematical thinking on L2 phonological processing of Chinese EFL learners: Evidence from an fNIRS study”，即高阶数学思维对中国英语学习者第二语言加工的影响：来自fNIRS研究的证据。

SSCI（社会科学引文索引）是全球知名的专门针对人文社会科学领域的科技文献引文数据库。SSCI期刊学科涉及教育学、心理学、社会学、经济学等55个领域。此前，慧创近红外脑功能成像已支持多位专家用户采用近红外在不同领域的SSCI期刊发表论文。部分列出如下：

该文是慧创近红外脑功能成像支撑发表在SSCI期刊教育学领域的论文。该研究利用慧创便携式近红外脑功能成像装置NirSmart，采集被试额叶和颞叶的近红外信号，探索揭示了几何问题中使用的高水平数学思维对中国学生英语学习中语音加工的影响。

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研究背景

数学和语言是人类最古老最重要的两个学科，也代表着人类两种最重要的认知能力。它们之间的相互关系及影响，是学习和认知科学领域的学者们长期关注的重要问题。许多研究揭示了语言在发展数学技能中的重要作用。但数学思维如何影响语言学习，尤其是第二语言(L2)的学习，仍然是未知的。

该研究选取14名非英语专业中国大学生，所有被试随机分为前置几何任务组（实验组，图1中B组）和无前置几何任务组（对照组，图1中A组）。所有被试完成三种不同的实验测试，包括英语语音测试（简称英语测试）、几何测试（被试须在规定时间内完成几何题）和视觉空间能力测试（简称VSA测试）。如图1所示，实验组被试须在同一天连续完成几何和英语两项测试，中间间隔时间5分钟（即几何是英语的前置任务），在另一天单独完成VSA测试。而对照组被试则分三天分别完成三项测试，每项测试前都没有前置任务。

图1 实验流程图

该研究在被试进行英语测试过程中，利用便携式fNIRS设备（NirSmart，丹阳慧创医疗设备有限公司，中国）测量了额叶和颞叶区域脑皮层共48个通道的血红蛋白浓度变化情况。如图2所示，fNIRS覆盖的脑皮层区域被划分为6个感兴趣的脑区（ROI）：1） A1/A2：左/右额下回的Broca区；2）B1/B2：左/右 颞上/颞中回的后部，Wernicke 区；3）C1/C2：左/右运动感觉区；4）E1/E2/E3: 左/右/中央额中回的背外侧前额叶皮层；5）F1/F2/F3: 左/右/中央额极区和6）G1/G2：左/右前额眼动区。

图2 通道排布图

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研究结果

2.1 行为学分析结果

如表2所示，所有被试的英语语音测试成绩（PSS）与他们的大学英语四级成绩（CET-4 score）之间有显著正相关（r = 0.791，p<0.01）.而其他行为学数据（GS：几何测试成绩；VSA：视觉空间能力测试）之间没有显著的相关关系。表2. 所有被试的行为学数据相关性(r)分析结果其中: ** p < 0.01

2.2 脑皮层激活分析结果

如图3所示，在英语语音测试中，没有前置几何任务的被试（A组）大脑中负责第二语言语音解码的脑区被正常激活；而有前置几何任务的被试（B组），其大脑中负责第二语言解码的脑区激活受到了抑制。这一现象，可能是因为解决几何问题时动用的大脑高阶数学思维，对语音解码相关的脑激活产生了抑制。

图3在英语语音任务中两组的脑皮层平均激活图（t值图）[A组（左：对照组）无前置几何任务，B组（右：实验组）有前置几何任务]

2.3 脑连接分析结果

无前置几何任务组被试的脑网络功能连接模式（如图4，A组）表明当中国英语学习者对第二语言进行语音解码时，各功能脑区间存在高水平的连接和协调。然而，当有前置几何任务组的被试（如图4，B组）执行语音任务时，发现第二语言解码所需的脑区间的高度协同性出现了显著下降和转移。转移的具体表现为，语言高度相关区域（Broca区和Wernicke 区）与其它脑区之间的相关性明显下降，而左右脑语言高度相关区域（如左右侧Broca区）之间的连接和协调性有所上升。这表明解决几何问题运用的高阶数学思维对中国学生二语语音解码的脑连接模式也会产生影响。

图4 两组在英语语音任务时的脑功能连接图（左:A组:对照组；右B组:实验组）

2.4 语音测试分数与Broca区脑激活强度的相关性分析

如图5(b)所示，在实验组产生显著脑激活的通道14（位于左侧Broca区），英语语音测试分数（PSS）与脑激活强度（△HbO）呈显著强正相关（r = 0.916，p<0.05, FDR分析后）；在实验组产生显著脑激活的通道4（位于右侧Broca区），PSS与△HbO呈接近显著的强正相关（r = 0.805，p=0.131, FDR分析后）。对照组在Broca区显著激活的所有通道中，没有任何通道的脑激活强度与PSS呈现显著相关关系。

图5 两组被试在通道4和14的英语分数与脑激活强度的相关性[左:A组(对照组)；右:B组(实验组)]

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研究结论

研究结果表明高水平的数学思维不会对第二语言学习产生即时的行为影响，但可能会对中国学习者的英语词汇语音加工产生认知残留。这种认知残留，对于英语水平较低的学习者（PSS较低者）来说，会直接导致其英语语音解码功能脑区的激活被抑制；而对于英语水平较高的学习者（PSS较高者）来说，他们在左侧英语语音解码优势脑区被抑制的同时，会通过激发右侧对应脑区以及增强左右侧脑区的功能连接，来部分或全面抵消这种负面影响。

本研究启发学校在安排课表之前需考虑学生的认知负荷，合理地安排数学课程和英语课程的先后顺序和间隔时间。同时，对于要实施中英文双语教学的数学课程，教师需认真评估课程内容和授课方式给学习者带来的认知负荷，避免学习者出现认知过载的情况。

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此类研究中fNIRS的优势

fNIRS是一种相对新颖的非侵入性神经成像技术。与其他神经成像方法相比，fNIRS使用快捷，生态效度高，对运动伪影不敏感，更利于在学校环境下实施检测，可有效测量学习者在教与学活动中的脑皮层激活数据。此外，fNIRS具有较高的采样率，时间分辨率性能良好。

展望

慧创近红外脑功能成像在教育领域的应用对未来的教育具有积极意义。未来的教育会更多地借鉴脑科学研究，脑科学研究的深入也势必会挖掘出更多关于人脑力的各种规律，从而为教育更科学的改革提供更多的理论支持，脑科学的发展促进着人类智慧与才能的提升。

慧创近红外脑功能成像已支持多位用户在教育学、心理学、社会学等领域广泛应用。慧创近红外将持续推动脑科学全面发展，我们不仅在医疗科研等诸多领域硕果累累，在社会科学领域也将大有可为。我们将和社会科学不同领域的专家紧密合作，共同期待慧创近红外脑功能成像在人文社科领域的广泛应用，勇闯社会科学前沿领域，再攀科研新高峰，依靠强大的科技创新力量让人民的生活变得更加美好。

关于慧创

• 首个获医疗器械证的超100通道近红外脑功能成像设备NirScan
• 首个获医疗器械证的便携式近红外脑功能成像设备NirSmart
• 近红外(fNIRS)国家强制标准唯一企业起草单位（GB9706.271）
• 中国首个“近红外脑功能成像临床应用专家共识”
• 2022年12月获评江苏省首台（套）重大装备
• 北京航空航天大学科研成果转化
• 含三项国家重点研发计划等多项国家级项目
• 已在301医院、华山医院、华西医院、宣武医院等400余家三甲医院及科研单位示范应用
• 已支撑用户在Nature Human Behaviour等顶级期刊发表SCI论文110余篇
• 获得中国生物医学工程学会最高科技奖“黄家驷生物医学工程奖”
• 2022年8月成立“慧创脑科学医疗装备长三角协同创新中心”
  
• 2022年6月成为清华大学研究生专业实践基地
• 2021年5月成为北京航空航天大学生物与医学工程学院本科生实践基地
• 成立了拥有20余位专业博硕士的学术研究部可对fNIRS临床与科研开展精准的高水平服务

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