科技前沿｜手指算数——孩子指间的智慧

研究背景

现实中许多孩子会在学习数数时使用手指辅助进行计算，以往研究认为感觉运动经验是手指和算数之间行为关联的基础，而神经层面的联想则源于手指和数字之间重叠的神经表征。本研究探索的是儿童的手指训练是否会导致与手指运动相关的感觉运动皮层的特定神经激活，是否会导致心算过程中与数字处理相关的顶叶皮层的特定神经激活。

被试

本研究共招募了46名儿童，均在小学一年级的数学教学中系统接受过手指运算的训练。除两名儿童外，其余参与者均为右利手。儿童们无精神障碍史，也没有可能影响大脑新陈代谢的疾病，最终2名儿童因技术问题退出，实际参加研究儿童44名。被试被分成两组：①干预组（男生12名，平均年龄7岁；女生10名，平均年龄6岁）；②对照组(男生9名，平均年龄7岁；女生13名，平均年龄10岁)。干预组儿童在学校课程基础上额外参加研究人员组织的18次训练课程，每次大约30分钟；而对照组儿童只参加学校组织的数学课程，没有特别关注对手指的训练。

实验过程

本研究设计了一个行为实验来考察被试在进行加法任务时的反应时和正确率。加法任务由40道个位数加法题组成，加法计算的结果在3到9之间的个位数。题目中一半题目不需要进行五进制操作(例如，3+1、6+2等)，被试可用同一只手进行运算。另一半题目则需要进行五进制操作(例如，4+3、1+8等)，被试在求解时需要从一只手交换到另一只手。在事件相关设计中，数字刺激以阿拉伯符号以随机顺序呈现，刺激持续时间为4秒，接着是4-7秒的休息时间。被试通过心算进行加法运算，并进行口头回答，见图1A。

在FNIRS测量中，本研究进行了加法任务、数字伙伴任务和数字大小比较任务。加法任务是重点任务，比其他任务具有更好的信噪比。数字伙伴任务由于实验过程出错，实验数据不准确，因此数据放弃分析。由于数字比较任务对儿童来说相对困难，也没有进行数据分析。在此次实验中，感觉运动皮层和顶内沟（IPS）周围区域的激活状态将被测量，见图1B。

图1 实验设置。

（A）加法运算任务，要求儿童在心算后口头回答。

（B）感兴趣区域：感觉运动皮层、顶内沟（IPS）

实验结果

行为实验结果显示

1

反应时分析显示五进制主效应显著（p < 0.001）。五进制效应指的是当加法任务不涉及五进制算法时，孩子能更快地给出答案。一项简单的效应分析显示，只有受过训练的儿童才表现出显著的五进制效应。

2

准确率分析显示五进制主效应显著（p = 0.003），说明儿童在进行不涉及五进制的加法运算时表现的更好，如图2所示。

图2 加法任务的行为数据

FNIRS实验结果显示

1

在感觉运动皮层，干预组儿童在右侧感觉运动皮层表现出五进制效应，而对照组儿童在左侧感觉运动皮层表现出五进制效应。

2

在IPS区域，干预组儿童在左侧IPS表现出五进制效应，然而，与对照组儿童对比不显著。

图3 个位数加法中五进制效应的神经激活。

实验结论

本研究发现，儿童进行心算时，感觉运动皮层中的五进制效应偏侧化。

感觉运动皮层的右侧化激活通常与手指和手的运动有关，并且能够在受过训练的儿童中观察到，这可能是一种干预效应:因为大多数参与研究的孩子都是右利手，所以他们会从右手开始进行运算，在运算大于5的数字时使用左手。五进制运算要求受大脑右半球控制的左手参与到数字运算中，因此这可能导致右侧感觉运动皮层激活更多。

研究也发现，在没有明显手指运动的情况下，干预组儿童在进行个位数运算时，右侧感觉运动皮层表现出更明显的激活。这可能反映了手指干预的痕迹，该干预加强了手指和数字之间的联系。

然而，手指训练是否会在IPS区域建立起与手指相关的数字表征，还需要在未来研究中得到明确。目前的结果表明，使用手指计数似乎在大脑中留下了学习痕迹。因此，目前的研究可以证实，基于手指的数字训练对儿童的算数能力是有促进作用的。

END

原文

Finger-Based Numerical Training Increases Sensorimotor Activation for Arithmetic in Children—An FNIRS Study

作者

Christina Artemenko, Silke Maria Wortha, Thomas Dresler, Mirjam Frey, Roberta Barrocas, Hans-Christoph Nuerk and Korbinian Moeller

期刊

Brain Sciences

发表时间

2022.05

DOI

10.3390/brainsci12050637

Contributors

■ 翻译版权 丨 西外多脑核

■ 编译 丨周淑莹

■ 审校 丨童玲

■ 排版 丨王子怡

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