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學習時大腦是如何運作的?tDCS和tACS提升學習能力的研究

2022-09-21 | 來源: 互聯網 | 作者: 編輯 | 點擊:

【背景分析】

學習過程中,我們的大腦是如何運作的?如果能對學習過程中大腦運作方式進行了解,并實施積極干預,提高學習能力就成為可能。

【研究進展】

2018年和2019年,來自德國圖賓根大學的研究團隊,在《Scientific Reports》和《Developmental Neuropsychology》(發育神經心理學)上發表了兩篇研究報道,對學生在數學學習過程中,大腦的運作方式進行了全面的分析。

【研究過程】

研究團隊在當地小學選取了24名五年級的學生(女生9名,男生16名),進行乘法計算測試。測試通過專門的軟件進行,方法如下圖所示:

如上圖所示,屏幕下方為需要計算的題目(如13X4),學生需要從上面3X4,共12個方格的數字中,選出正確的答案。選錯、或者沒有在規定時間內選出答案,都不得分。測試共96道題目,16道為一組,共進行6組測試,每組中間進行短暫休息。同時,在測試過程中,記錄學生腦電(EGG)變化情況。

如上圖所示,記錄了學生在測試過程中,腦電的數據變化。其中紅色表示升高,藍色表示降低。

ERD代表事件相關去同步化,它表示大腦某一皮層區域活躍起來, 特定頻率的節律性活動表現為幅度的降低;ERS代表事件相關同步化,它表示在大腦靜息、或者惰性狀態,表現出明顯波幅增高。ERS升高、ERD降低,有助于增加θ波段的大腦活動。

如上圖所示,記錄了24名學生,第1組至第6組測試中,計算用時和平均錯誤率的變化情況??梢钥闯?,隨著大腦4-7Hz的theta(θ)波段功率的增加,測試中計算錯誤率呈現下降趨勢;研究團隊判斷,這種變化,即大腦theta(θ)波段功率的增加,提高了學生相關腦區的執行功能、信息檢索能力,進而提高了計算的準確率。

這項結果也驗證了該團隊在前一年(即2018年)針對兒童和成人在數學計算中,大腦運作方式區別的研究。當時發現:在乘法計算測試中,成人大腦theta(θ)波段功率、alpha(α)波段功率都出現了增加;而兒童大腦只有theta(θ)波段功率明顯增加,說明成年人和兒童,在處理數學問題時,大腦運作方式是不同的。

【提升學習能力的研究】

近年來,關于通過tDCS提高數學計算能力、提高記憶能力(如記憶單詞等)的研究發現,tDCS促進學習,主要通過以下三方面的影響來實現:

1、降低大腦中起抑制作用的神經遞質―γ-氨基丁酸的水平,而γ-氨基丁酸已經被證明和學習呈現負相關;

2、通過改善突觸連接,提高神經可塑性,以此來改善學習;

3、通過增加腦源性神經營養因子(BDNF)的分泌,保護大腦皮層神經元細胞。

tACS可以看作是tDCS的一種特殊版本,它將電流設置為在電極之間呈正弦波動(即交流電),而不是顯示出恒定的極性(即直流電)。tACS對于學習、記憶能力的影響,主要通過theta-gamma交叉頻率耦合機制實現。

如上圖所示,是德國奧爾登堡大學兩位教授,研究tACS對短時記憶的影響,發現在gamma(γ)波為42Hz的情況下,theta(θ)波從7Hz降低到6Hz,學生的短時記憶能力得分從6分提升到了7分,這也在他們后面試驗中得到了驗證。

【研究結論】

tDCS和tACS都屬于無創腦刺激技術(NIBS),以往由于他們的作用機制不同,干預方式不同,限制了相關產品的開發。隨著技術的進步,目前已經可以將tDCS和tACS、以及CES(經顱微電流)等進行集成,整合在一臺設備上,(tDCS和tACS最大的區別,就是電流的輸出形式不同)國外相關設備已經問世,并在醫療、教育、健康等領域得到了廣泛應用。

【參考文獻】

Soltanlou M, Artemenko C, Ehlis A C, et al. Reduction but no shift in brain activation after arithmetic learning in children: a simultaneous fNIRS-EEG study[J]. Scientific reports, 2018, 81: 1-15.




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