一项心算的跨通道ERP研究设想_百度文库
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2011年8月4日 - Pauli 等人发现，事件相关电位的早成分反映了刺激识别的加工过程，后 .... 在记忆中的由单词串表达的数字之间的语言联系，减法主要依靠数量表达 ...Pauli 等人发现，事件相关电位的早成分反映了刺激识别的加工过程，后慢波成分则和记忆系统的介入有
一项心算的跨通道ERP研究设想
摘要：心算是日常生活中重要的思维活动，是认知心理学的研究主题之一。前人许多研究集中在心算的不同策略，不同类型题目，不同加工时程及不同的脑区定位等特点研究，对不同通道的心算的ERP特点缺乏研究，本文综述前人文献，提出心算跨通道研究的实验设想。 关键词 心算 跨通道 实验设想
心算(mental arithmetic or calculation) 指在没有外界工具(如纸笔、计算器等) 的帮助下进行的算术操作活动。毫无疑问,心算是我们日常生活中一种重要的思维活动和技能,因此,对其脑活动机制的探讨无疑具有重要意义。本文主要从以下方面展开对心算与ERP的研究展开论述，心算研究的概述（理论，方面，方法）；心算与ERP的研究的现状（范式，进展情况）；心算难度与ERP关系；心算ERP研究与视觉通道的关系；心算ERP研究与听觉通道的关系；最后结合前人的研究做出述评。 1 心算研究的概述 1.1心算概念界定及ERP
心算顾名思义，即不借用外界工具，对算术式进行计算。心算的研究始于20世纪七十年代，以1972年Groen & Parkman 发表第一篇关于心算的研究论文【1】为标志，心算的作为认知心理学领域里的一个研究内容兴起。目前对心算机制的研究基本上涉及到以下几个层面，一是行为层面，主要以反应时和正确错误率为指标来研究心算的策略；二是脑机制层面，主要包括心算的脑功能定位，心算信息加工过程等等。而对于心算的信息加工过程的脑机制研究主要以ERP、PEG等先进仪器为依托来探讨其过程特点。事件相关电位（event-related potentials, ERP）是指外加一种特定的刺激，作用于感觉系统或脑的某一部分，在给予刺激或者撤销刺激时，在脑区所引起的电位变化（魏景汉，罗跃嘉，2002）。
1947年Dawson首次报道用照相叠加技术记录了人体诱发电位（Evoked Potentials， EP）,1951年Dawson首次介绍了诱发电位平均技术，开创了神经电生理的新时代。但此后由于呈现刺激和方法上的限制，诱发电位技术并没有在大脑高级认知活动过程的研究中得到广泛使用，直到1964年walter首先发现并应用伴随性负变化（contingent negative variation, CNV），1965年，英国学者Sutton首先报告了事件相关电位，1969年Vaughau提出了事件相关电位的概念，从这之后，事件相关电位技术开始广泛的应用于对大脑高级认知活动过程的研究中。
1.2心算活动的两种加工形式
心算存在两种加工的方式，一种是直接提取，另一种是算术运算。所谓直接提取指的是对于心算式不需要运用一定的规则进行计算，直接从长时记忆中提取相应的答案，如2×3=6，5+7=12等等，对于长期进行数字运算的人来说，这种计算仅仅是一种回忆，而不是一种思维活动，而对于像25+37=26或13×15=195这样的算式需要通过一定的算术规则，运用一定的算术策略才能得出答案。这些运算的完成过程是一个思
维的活动的过程。
1.2.1直接提取与算术规则运算的分离-来自脑成像的研究
计算能力包括多成分的认知功能，在运算的同时进行着多个过程数字空间排列研究通常表明程序性存取和对先前结果中任一整数的保持和运用。包括数字知识或表值提取，对有计算缺陷的脑损伤病人，他们在以下两种情况中存在缺陷:第一，在提取数字知识或乘法表的表值时;第二，在进行复杂多数字操作的程序时。在某些失算症病人身上，这两种能力的损伤表现出了分离，这暗示了两种操作需要相关却又不尽相同的能力.
Kaz ui 等 (2000)的一项fMRI研究证实了上述算术知识提取和算术运算的分离。研究发现，对乘法表算术知识的语义记忆存储于沿左侧顶内沟的区域;而算术运算则带来了右侧顶叶和双侧前额叶的激活。一些研究者在对有算术障碍的脑损伤病人进行研究时，也发现了算术知识提取障碍和算术运算障碍这两种障碍模式。【3】Cohen. Dehaen。等(2000)究过的两位病人就存在这种双分离现象。一病人左脑皮层下受损，有机械算术知识提取障碍(乘法知识)，相对保留了算术运算的能力(减法运算):而另一病人右下顶叶受损，有算术运算障碍(减法运算)，相对保留了机械算术知识提取的能力(乘法知识)。事实上，每个正常成年人的头脑中都存储着一些己知的算术结果，不需要使用任何形式的运算规则.这类算术问题的结果是作为陈述性知识存储在语义记忆中的。通常可以直接提取，但如果要解答一些复杂的算术问题(如24+49或23X47)就必须使用专门的规则系统而不能仅仅依雄记忆提取。 1.2.2算术规则运算过程的分离-来自ERP的研究
心算活动的激活不仅存在脑空间位置的差异，还包括时间维度上各加工过程中各ERP成份的差异。Pauli 等人发现，事件相关电位的早成分反映了刺激识别的加工过程，后慢波成分则和记忆系统的介入有关（Pauli，1994）【4】，Iguchi 等人 (2000)【5】研究心算过程中序列信息加工(sequentialin formationp rocessing)的事件相关电位，分析各阶段电位成分，实验要求被试进行三项任务:(1)将显示器上依次呈现的阿拉伯数字加总〔ADD); (2)数出所呈现阿拉伯数字的个数(DIGIT); (3)数出所呈现图形的个数(PATTERN).结果发现:在加法任务中，左半球的额、中、顶区域在反应时都N120-PI80-N220复合波。在加法和数阿拉伯数字时，额区的P300波幅增大，这只特定于阿拉伯数字的呈现。因加法任务而引起的正慢波显示出两种时空分布:一个是在400-820ms内在额、中、颖、顶区观察到的广泛的脑活动。另一个则是持续至1150ms只限于额区活动。
对于这些结果的讨论，Iguchi认为，ERP的早成分与刺激识别的两个过程有关:一是数字物理特征的识别，这点反映在左侧额叶区，中央区和顶叶区的N120-P180-220复合波的峰潜期较短，表示大脑在进行加法任务时必须先集中注意识别数字的形状;另一个过程是数字意义的再认，这个过程主要反映在额叶和预叶脑区的P3波幅增大。心算的事件相关电位正慢成分主要是反映了主动的心理加工过程。在加法任务中有两个不同的正慢波成分，出现在不同的空间一时间位置，各自代表完成加法任务前后的两个不同的信息加工
过程;一个和计算有关，主要出现在400-820毫秒之间，分布较广泛，包括额叶、中央区、颜叶区和顶叶区: 另一个和储存计算结果到记忆系统有关，出现的时间从82。持续到1150毫秒，只分布在额区。因此，从Iguchi的研究发现显示，心算的各阶段信息加工过程可以反映到事件相关电位的各个不同波形成分上。 1.3心算ERP与难度效应
Kong 等人 (1999)【6】在心算的问题大小效应的事件相关电位研究中，要求被试进行加法心算任务，任务内容为两位数和一位数的相加(例如，29+8),算术间题依据第二个加数将其分为两种难度类型(1-2为简单，7-9为复杂)。结果发现，诱发出的ERPS表现出相似的波形，包括N1.P2, N2，晚正复合波LPC (P3aP3b)和第2个加数呈现后的慢波(SW)。两类型问题诱发出的ERPS在波幅上表现出显著差异:F3点在168-184ms,难计算问题比简单计算问题的电位更大(更正);F7点在820-1290ms. F3点在860-1140ms，简单问题的平均波幅分别比难问题的明显更负.地形图结果显示P2波主要分布在左侧额区头皮，Ma成份主要分布在颜顶头皮，SW慢波主要集中在中央顶部头皮。
关于 心 算 事件相关电位慢波研究报告显示，心算任务诱发的正慢波会随着问题难度增加而增大(Pauli,et al .,1994);与此相反，负慢波只在困难度高的心算任务和刚开始练习时才产生。Pauli等人〔1996)在另一个研究中更进一步地提出正慢波反映了心算任务中和记忆提取加工有关的神经生理基础，而负慢波则与谨慎且受控制的计算过程有关:这结果与其它研究稍有不同。在Pauli的研究中注意到了两个影响心算表现的因素，练习(practice)和问题大小效应(problem size efect).
从实 验 结 果来看，随着任务难度的增加，P2波幅更大，平均潜伏期延长，所以支持这样的观点:前额皮质PFC的活动不但参与了工作记忆，且参与了计算认知过程算术知识的提取，即PFC直接参与了计算过程中的认知加工。该研究作者认为在额区P2成分的峰潜期增长和伏值增大反映了算术材料的提取:P3b对难问题潜伏期延长支持这样的观点:可能包含了认知结束的过程。因为难问题可能需要花费更长的时间来解决问题。P3b表征了任务的结束，我们很自然地推测心算中的P3a可能与计算程序的执行有关。因为功能磁共振成像研究表明后顶叶皮质与计算中起着重要作用，而本研究又表明P3a成份主要分布在颜顶头皮，因此认为后顶叶皮质可能与计算程序的执行有关。
此外 ，当大脑进行心算时，往往会依据任务的类型，内容或反应的形式等条件不同而执行不同的神经网络途径。因此，事件相关电位不仅能反映心算过程中的各个基本认知成分，当心算任务的要求不同时，事件相关电位也能反映出其间的差异。 2 问题的提出
综上述可知，对心算的研究，目前主要体现在不同的难度，不同的任务，不同的策略，不同的时间进程上以及脑功能定位，很少有关于对心算的跨通道的研究。而心算是以数字为依托的，Dehaene 与Cohen1995年【8】对数字的编码提出了三联体模型，这三种编码是听觉口语编码，视觉数字形式以及近似的数量表征编码，第一种编码专门负责口语的输入和输出，计数以及记忆中的加法和乘法知识的提取，这
一种模型认为加法和乘法问题是储存在记忆中的口语信息，而视觉的阿拉伯数字形式则是参与了数字的操作，近似的数量表征描述了一个数字的量并在比较和求近似时起到作用。三联模型基于以下3点的基本假设【9】，（1）数字信息以三种形式进行加工，一种是近似数量的表征；一种是口语方式，数字以单词串来表达；另一种是视觉的阿拉伯数字形式的表征，即数字以一串数字来表达（如37）。（2）信息可以直接由一种形式的编码转化成另一种形式，如可以将一个阿拉伯数字转化成相对应的数字单词（如从3到three）,而不需要经过数量3的语义表达阶段。（3）假设每个数字的加工任务都基于一套固定的输入输出编码，例如，乘法表是储存在记忆中的由单词串表达的数字之间的语言联系，减法主要依靠数量表达存储到记忆中去，而不是依靠机械语言学习。相关研究证明【10】，这三种编码方式均有各自的神经基础。
我们知道，对算术的加工有一定的有一定的时间序列的，从数字的物理属性的识别，再到策略的选择，答案的编码存储，再到答案的提取。但如果将数字的呈现的方式采用不同的通道呈现，那么被试在运用策略进行计算时，是否会有相同的波形呢？根据三联体模型理论，当数字以视觉形式呈现时，大脑对数字的加工采用视觉的数字形式编码，而当数字以听觉形式呈现时，大脑对数字的加工则主要采用听觉口语编码，而工作记忆在听觉编码与视觉编码中的作用是不同的，对于视觉形式数字加工，对数字的识别主要是视觉薄在起作用，而对听觉形式呈现的数字的识别，则是工作记忆中的语音环路在起重要作用。故以此假设如下：
1) 由于加法式中的数字呈现的方式不同，一种是以视觉呈现，一种是以听觉呈现，在早期物理特性
加工阶段的波形是不同的。
2) 在中期，对计算的策略进行选择并计算加法式，同时，工作记忆要不断的对计算的结果进行存储，
这个过程种，如果对听觉通道里的数字是以语音形式加工，而视觉通道的数字是以视空间薄的形式进行加工，那么，应该很明显看ERP波形的差异。
3) 反之，如果视觉通道的数字在识别时就转化为语音方式进行心算，那么它与听觉通道呈现数字的
方式的心算波形是没有显著差异的。
4) 后期慢波反映的是心理主动加工的过程，其后期存储是否一样？ 3 实验假设的猜想
3.1实验范式：为验证假设，采用算式逐步呈现的ERP心算经典范式。对视觉通道来说，先呈现一个数字，然后呈现运算符号，再呈现第二个数字，最后呈现答案，要被试按J 或F 键来确认答案的正确与否。对听觉通道来说，先在两耳呈现一个数字，然后念出运算符号，再在耳中呈现第二个数字的声音，最后出现答案的声音，被试按J 或F键确认答案。
3.2实验材料：由于要考察算术的ERP时程特点，简单的加法容易导致直接提取策略的使用，而太难的题又不适合于ERP的实验范式，故选用中等难度的题目做材料，为避免ERP出现不必要的额外变量的影响，材料的编制依据前人的经验进行实施。
3.3被试：男女大学生各6名，均为右利手，视力正常，无躯体障碍或算术障碍，进行实验
参考文献
【1】Groen G J ,Parkman J M. A chronometric analysis of simple addition.Psychological Review ,1972,79(4):329-343
【3】Cohen L, Dehaene S, Choncbon F, Lehericy S, Naccache L. Language and calculation with in the parietal lobe:a combined cognitive,anatomicaland FMRI study,Jounral of Neuropsychologia 38,2000,1426-1440.
【4】Pauli P, Lutzenberger W ,R au H ,Birbaumer N， Rickard TC,Yaroush R A,Bounre Jr LE.Brain potentials during mental arithmetic:effects of extensive practice and problem dificulty.Cogn Brain Res 1994;2:21-29.
【5】Yoshinobu Iguchi, Isao Hashimoto, Sequential information processing during a mental arithmetic Is reflected in the time course of event-erlated brain potentials,Jounral of Clinical Neuorphysiology 111,20,204-213.
【6】Jian kong,Yu ping wang etl.,Brain potentials during mental arithmetic-efects of problem difficulty on event-related brain potentials, Journal of neuroscience letters 260,1999,169-172. 【7】Pauli, P.,Lutzenberger,W.,B irbaumer,N .,Rickard,T.C.and Boume,L .E.Jr.,Neurophysiological Correlates of mental arithmetic,Psychophysiology,33 ( 1996)5 22-52
【8】De haone S，Cohen L．Towards an anatomical and functional model of number processing．Mathematical Cognition,1995．1：83-120
【9】De haene S．Cerebral bases of number processing and calculation．In：M S Craz7~niga ed．The New Cognitive Neurtmciences．Cambridge，Massachusetts．London，Engiand．TheMITPress，2000．1013-102 【10】Dehaene，S．Varieties of numerical abilities．Cognition，1992，44：1—42
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