珠心算的神经机制及珠心算练习对儿童脑发育的影响

摘要

本文研究的目的是了解珠心算的加工机制以及长期的珠心算练习对儿童脑发育产生的影响。研究以十一岁左右的儿童为对象,在不同的样本上使用了功能磁共振成像(fMRI)、基于体素的形态学测量(VBM)和扩散张量成像技术(DTI)。fMRI研究结果表明珠心算儿童在完成数字加工任务中更多地使用了额一顶系统及小脑,而普通儿童则更多地使用了左侧顶下小叶和语言功能区；VBM的研究结果显示珠心算儿童在珠心算相关的额一顶系统中的灰／白质体积与普通儿童相比有所增加,而普通儿童在普通心算相关的顶下小叶的灰／白质体积也比珠心算儿童有所增加；DTI研究结果再次表明了额一顶系统在珠心算中的重要性,并初步显示珠心算练习可能加强了该系统相关的神经纤维束的髓鞘化程度。综合多模态分析的结果,本文提出了珠心算的加工模型,该模型包括五个子系统(及对应神经结构):数字的视觉表征(双侧梭状回)、语音表征及操作(双侧角回和左侧顶下小叶)、珠像表征及操作(双侧顶上小叶和前运动区)、数量表征及操作(双侧顶内沟)和输出(中央前回及额下回)。除珠像表征及操作以外,其他系统构成了普通心算的加工模型。进一步分析表明双侧顶上小叶与珠像的表征更相关而右侧辅助运动区后部及双侧前运动区与珠像操作更相关。珠心算加工更多地依赖珠像表征及操作而较少依赖语音表征及操作,这种加工策略的偏向使珠心算儿童在长期的练习过程中更快地发展了视觉空间信息相关的神经结构-额-顶系统,同时较缓地发展了数字的语音表征及操作相关的神经结构-角回和左侧顶下小叶。
　　 多模态磁共振影像学的联合使用是本文的一个创新点,不同模态的结果从不同的侧面帮助我们了解珠心算的加工机制及其对儿童脑发育的影响。环境对脑可塑性的影响是一个重要的科学问题,本文通过研究珠心算练习对儿童脑发育的影响,提出“用进废退”在一定程度上是环境影响脑可塑性的基本方式。本文的研究对理解珠心算和普通心算都具有重要意义；对儿童珠心算的教育教学有直接的参考价值；对神经教育学和脑健康及脑疾病的治疗也有积极的参考价值；对理解环境如何影响脑的可塑性有重要的提示作用。

目录

文摘

英文文摘

标题

致谢

前言

术语及缩写

第一章 脑的发育及其可塑性

1.1 脑的组成和结构

1.2 正常脑发育的一般过程

1.3 练习对脑发育的影响

1.4 研究脑功能及其可塑性的方法

1.5 研究脑可塑性的意义

1.6 参考文献

第二章 珠心算及其相关研究

2.1 珠算、珠心算和普通心算

2.2 与珠心算相关的研究

2.3 对普通心算的相关研究

2.4 珠心算加工机制的假设

2.5 对珠心算加工假设的检验

2.6 参考文献

第三章 基于fMRI的研究

3.1 实验一:事件相关的fMRI研究

3.1.1 被试

3.1.2 任务设计

3.1.3 fMRI采集参数

3.1.4 行为数据处理

3.1.5 fMRI数据处理

3.2 实验二:组块设计的fMRI研究

3.2.1 被试

3.2.2 任务设计

3.2.3 fMRI采集参数

3.2.4 fMRI数据处理

3.3 讨论

3.3.1 行为结果

3.3.2 珠心算组和普通心算组在计算任务中fMRI脑激活的一般模式

3.3.3 珠心算组和普通心算组在计算任务中的fMRI脑激活差异

3.4 参考文献

第四章 基于体素的形态学测量(VBM)研究

4.1 研究背景

4.2 实验方法

4.3 统计分析

4.3.1 基于全脑体素的统计

4.3.2 以fMRI激活脑区为感兴趣区对灰质的统计

4.3.3 对白质的基于体素的统计

4.4 讨论

4.5 参考文献

第五章 扩散张量成像(DTI)研究

5.1 研究目的和背景

5.2 研究方法

5.2.1 被试

5.2.2 行为实验:数字/字母记忆广度测验

5.2.3 DTI图像采集

5.2.4 DTI图像预处理

5.3 统计分析

5.3.1 行为数据的统计分析

5.3.2 FA骨架的全脑平均值比较

5.3.3 对FA,AD,RD进行基于体素的组间比较

5.3.4 数字工作记忆广度和DTI测量指标之间的关系

5.4 统计结果

5.4.1 行为结果

5.4.2 图像预处理结果

5.4.3 FA骨架的全脑均值比较

5.4.4 FA,AD和RD的逐点分析结果

5.4.5 工作记忆广度与FA,RD及AD之间的关系

5.5 讨论

5.5.1 FA骨架全脑均值结果

5.5.2 FA,RD,AD的逐点统计

5.5.3 行为数据与DTI测量指标之间的关系

5.6 DTI研究总结

5.7 参考文献

第六章 多模态研究结果的联合分析及讨论

6.1 研究目的

6.2 研究结果综述

6.2.1 fMRI结果

6.2.2 VBM结果

6.2.3 DTI结果

6.3 基于多模态研究结果的进一步分析

6.4 多模态结果之间的吻合度评估

6.5 珠心算的加工机制

6.6 珠心算练习对儿童脑可塑性的影响

梭状回

额-顶回路

顶下小叶

顶内沟

6.7 练习对脑可塑性产生影响的机制

6.8 练习效应对神经教育学的启发

6.9 练习效应对维护脑健康及治疗脑疾病的启发

6.10 研究局限及未来研究展望

6.11 参考文献

攻博期间科研成果