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翻譯：陳沙沙 東南大學生醫學院腦與學習科學系 研究生導師：柏毅 朱艷梅 作者：Kevin Lai, Hsiao-Ching She, Sheng-Chang Chen, 摘要：以往對于工作記憶的研究主要關注點在于大腦不同區域的激活，伴隨著的要么是不同的呈現方式（文字與非文字信息），要么是不同的非科學概念的具體性（抽象與具體）。而關于在工作記憶中如何學習和進一步處理科學概念的研究卻很少。為研究這一問題，本實驗研究了物理概念編碼過程中的人腦活動，同時考慮了其呈現方式和具體性。相比于對高意象詞和低意象詞的編碼，該研究的結果顯示，在對具體圖像的編碼過程中，前扣帶皮層（ACC）中的θ波和低頻β波同步性增強。在視覺腦區域中，與圖片相比，對于文字這一刺激在開始時可以觀察到更強的θ活動；而與文字相比，對于圖片這一刺激我們可以觀察到更強的α抑制。通常來說，對于編碼不同抽象層次的文字的腦電振蕩模式是類似的，但是卻與圖像刺激的腦電振蕩模式顯著不同。這些結果就呈現形式對人類科學概念編碼的影響提出了一些見解，故這有助于提出新的方法來更好的在課堂上教授科學概念。 前言 在過去的十年里，研究者們越來越關注神經科學研究對于教育的影響，并試圖將神經成像的結果納入教育領域。以前的神經成像實驗通過研究如何學習各種材料，比較了不同腦區活動的激活模式，要么是圖片引起的，要么是文字引起的，要么是具體的，要么抽象的。然而，之前的工作記憶研究側重于非科學概念，而且沒有研究者研究過人類如何編碼不同的科學概念。在不同的科學概念中，物理學被認為是在校中學生們最難掌握的學科領域之一。物理學之所以對學生來說很難學是因為物理學中的大多數概念都是抽象的（例如，慣性、重力等）。然而，以口頭方式教授的形象化概念有助于編碼和進一步分析加工與之相關的概念，從而有助于對內容的更深層次理解。 Baddeleyd工作記憶模型強調了語言和視覺加工之間的區別，由除了中央執行系統之外的兩個從屬系統：語音回路（負責通過發音排練保持語言信息）和視覺空間模板（用于保持和加工視覺）組成。研究人員已經使用了神經成像技術，如功能磁共振成像（fMRI）來研究呈現方式和相關認知過程兩者間的區別，并提出說文字工作記憶過程更偏向左側大腦，而空間內容主要在大腦右半球進行處理。這與在文字編碼期間左額葉皮層更強的激活性和在圖片編碼期間右側額葉皮層伴隨更強的激活的研究相一致。然而，其他研究表明在語言工作記憶任務中雙側激活增加。雖然這些結果總體上表明左半球為語音回路提供神經基礎，而右半球為視覺空間示意圖提供基礎，但研究結果處在爭議之中。 研究者運用EEG研究語言和視覺工作記憶的區別。與其他具有高空間分辨率的腦成像方法(例如fMRI)不同，EEG允許在毫秒范圍內研究認知過程的神經基礎。Hwang和他的同事所進行的一項腦電研究報告了兩種工作記憶任務（語言和視覺）對稱分布的雙邊活動。他們的結果表明，與非言語刺激相比，言語刺激引起的θ帶振蕩更大。更具體地說，在θ波段、α波段和β波段的額葉和枕葉區域，言語任務在雙側激發出更強的活動。 除了文字和圖片的區別之外，研究人員還進一步將詞語分為抽象文字和具體性文字。根據Paivio的雙重編碼理論(DCT)，具體詞比抽象詞(稱為具體效應)更有優勢，因為它們可以使用兩個系統(語言和視覺)來處理。研究人員發現額葉左側區參與分類名詞的要么是具體的，要么是抽象的。Binder等人的fMRI實驗研究了與處理非詞匯，包括具體和抽象有關的大腦激活模式。與非詞匯相比，具體詞和抽象詞都激活了大腦的左側。 本研究探討了在修正后的Sternberg任務中，隨著不同具體性和形式的物理概念編碼中所對應不同頻帶。對腦電的分析表明，θ波（4-8Hz）波幅隨著腦力勞動或認知挑戰的難度增加而增加。許多研究表明，最顯著的θ波活動來源于前扣帶皮層（ACC）的背側，并且θ活動在整個編碼過程中都是最顯著的。Raghava等人指出，θ振蕩并不是僅只局限于額葉區，而是分布于整個大腦，包括后部區域。也有研究報告稱，在注意力需求較大的情況下，α波（8-12Hz）通常降低。研究表明，當任務變得更加困難且需要更多的認知分析時，α抑制發生。然而，頂葉區域出現的α振蕩使結果不一致。一些研究表明頂葉α波減少，而其他研究卻發現α振蕩會增強。 總之，關于就科學概念以及如何在工作記憶中處理這些概念的研究還是一個缺口。為研究這個問題，我們研究了物理學概念編碼、練習和檢索過程中所伴隨的大腦活動。我們尤其考察了伴隨圖像式物理概念的編碼和檢索的EEG振蕩模式是否可與伴隨具體和抽象文字物理概念的編碼和檢索的EEG振蕩模式相當。為此，我們比較了三種情況下的人腦活動（圖片，高意象詞和低意象詞）（1）以判斷伴隨圖像與文字性物理概念處理中的大腦活動中的一些不對稱性，以及（2）研究具體和抽象物理概念之間不同頻段的波是否不同。 方法 1 主題 六十三名大學生參與了這項研究。所有參與者都是右利手，視力正常或矯正后視力正常。所有學生都是自愿參加的，并且他們的參與是有報酬的。中國醫科大學附屬醫院機構評審委員會批準了這項研究。所有參與者被要求閱讀并簽署一份關于實驗過程的同意書。所有學生都在高中修過物理課程，并通過了高考物理，因此他們熟悉物理概念。
2 實驗程序 為了研究學生如何編碼與物理相關的概念，本研究參與者被要求在較短的記憶時間內記住一些按順序呈現的物理概念。這些概念在三種不同的條件下呈現的：圖片、高意象文字或低意象文字，每種條件下有60種不同的物理概念。這些圖片是具有具體性質的物理概念，應該是由參與者以圖像概念的形式處理的（例如，齒輪的轉動方向）。高意象詞應包含具體屬性的物理概念，以文字的形式呈現出來。被選中的這類詞應該容易地被編碼并以圖像方式被記住（例如，“鐘擺”，“齒輪”）。低意象詞是由難以重新編碼成圖像的且具有抽象性質的物理概念組成（例如， “慣性”，“靜態平衡”，“平均功率”）。這使我們能夠研究編碼、練習和檢索物理概念過程中的工作記憶過程，特別是如何編碼兩種不同呈現形式（文字和圖片）中的物理概念的不同屬性（具體和抽象）。  圖1.圖片、高意象詞和低意象詞
每次實驗包括四個非靶刺激（圖片、高意象詞、低意象詞）和一個靶刺激，每個非靶刺激持續時間為200毫秒。當最后一個非靶刺激被呈現800毫秒之后，靶刺激被呈現，接著參與者回答靶刺激是否出現在之前的4次刺激中（圖2）。如果答案是“是”，被試者則按下鼠標左鍵；如果回答為“否”，則按下鼠標右鍵。每一個條件包括60個實驗，其間有30秒的間隔時間。在每次實驗中，選擇60個概念中的4個概念作為刺激并依次按順序呈現，這60個科學概念中的每一個概念都會作為靶刺激概念出現一次。反應時間定為靶刺激開始呈現到被試做出回應的這段時間。  圖2. 編碼任務時間線 3 數據記錄 使用Neuroscan SimAmp2系統（Neuroscan，El Paso，Texas）連續記錄EEG，電極帽上放置66個電極。使用10 – 20電極導聯定位法，并使用乳突部作參考電極。使用雙極導聯記錄垂直眼電（VEOG）和水平眼電（HEOG）。采樣帶寬為0.01 Hz至100 Hz，選用1000 Hz的采樣率。阻抗保持在5k歐姆以下。 4 數據分析 對于EEG數據，通過肉眼觀察將波峰極值間出現的偏移或密集爆發的高頻肌電活動這部分偽跡剔除，眼動信號未被去除。通過EEGLAB工具箱上構建的自定義MATLAB腳本分析數據。使用高通0.5 Hz和低通50 Hz的數字濾波器消除干擾，并將其采樣率降至250Hz。使用EEGLAB工具箱中的runica函數將數據采用獨立成分分析方法（ICA）分解獨立成分，進一步分析提取獨立成分。 （未完待續）  審核：林娉婷 責編：張驍妹 |
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