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翻译：陈沙沙 东南大学生医学院脑与学习科学系 研究生导师：柏毅 朱艳梅 作者：Kevin Lai, Hsiao-Ching She, Sheng-Chang Chen, 摘要：以往对于工作记忆的研究主要关注点在于大脑不同区域的激活，伴随着的要么是不同的呈现方式（文字与非文字信息），要么是不同的非科学概念的具体性（抽象与具体）。而关于在工作记忆中如何学习和进一步处理科学概念的研究却很少。为研究这一问题，本实验研究了物理概念编码过程中的人脑活动，同时考虑了其呈现方式和具体性。相比于对高意象词和低意象词的编码，该研究的结果显示，在对具体图像的编码过程中，前扣带皮层（ACC）中的θ波和低频β波同步性增强。在视觉脑区域中，与图片相比，对于文字这一刺激在开始时可以观察到更强的θ活动；而与文字相比，对于图片这一刺激我们可以观察到更强的α抑制。通常来说，对于编码不同抽象层次的文字的脑电振荡模式是类似的，但是却与图像刺激的脑电振荡模式显著不同。这些结果就呈现形式对人类科学概念编码的影响提出了一些见解，故这有助于提出新的方法来更好的在课堂上教授科学概念。 前言 在过去的十年里，研究者们越来越关注神经科学研究对于教育的影响，并试图将神经成像的结果纳入教育领域。以前的神经成像实验通过研究如何学习各种材料，比较了不同脑区活动的激活模式，要么是图片引起的，要么是文字引起的，要么是具体的，要么抽象的。然而，之前的工作记忆研究侧重于非科学概念，而且没有研究者研究过人类如何编码不同的科学概念。在不同的科学概念中，物理学被认为是在校中学生们最难掌握的学科领域之一。物理学之所以对学生来说很难学是因为物理学中的大多数概念都是抽象的（例如，惯性、重力等）。然而，以口头方式教授的形象化概念有助于编码和进一步分析加工与之相关的概念，从而有助于对内容的更深层次理解。 Baddeleyd工作记忆模型强调了语言和视觉加工之间的区别，由除了中央执行系统之外的两个从属系统：语音回路（负责通过发音排练保持语言信息）和视觉空间模板（用于保持和加工视觉）组成。研究人员已经使用了神经成像技术，如功能磁共振成像（fMRI）来研究呈现方式和相关认知过程两者间的区别，并提出说文字工作记忆过程更偏向左侧大脑，而空间内容主要在大脑右半球进行处理。这与在文字编码期间左额叶皮层更强的激活性和在图片编码期间右侧额叶皮层伴随更强的激活的研究相一致。然而，其他研究表明在语言工作记忆任务中双侧激活增加。虽然这些结果总体上表明左半球为语音回路提供神经基础，而右半球为视觉空间示意图提供基础，但研究结果处在争议之中。 研究者运用EEG研究语言和视觉工作记忆的区别。与其他具有高空间分辨率的脑成像方法(例如fMRI)不同，EEG允许在毫秒范围内研究认知过程的神经基础。Hwang和他的同事所进行的一项脑电研究报告了两种工作记忆任务（语言和视觉）对称分布的双边活动。他们的结果表明，与非言语刺激相比，言语刺激引起的θ带振荡更大。更具体地说，在θ波段、α波段和β波段的额叶和枕叶区域，言语任务在双侧激发出更强的活动。 除了文字和图片的区别之外，研究人员还进一步将词语分为抽象文字和具体性文字。根据Paivio的双重编码理论(DCT)，具体词比抽象词(称为具体效应)更有优势，因为它们可以使用两个系统(语言和视觉)来处理。研究人员发现额叶左侧区参与分类名词的要么是具体的，要么是抽象的。Binder等人的fMRI实验研究了与处理非词汇，包括具体和抽象有关的大脑激活模式。与非词汇相比，具体词和抽象词都激活了大脑的左侧。 本研究探讨了在修正后的Sternberg任务中，随着不同具体性和形式的物理概念编码中所对应不同频带。对脑电的分析表明，θ波（4-8Hz）波幅随着脑力劳动或认知挑战的难度增加而增加。许多研究表明，最显著的θ波活动来源于前扣带皮层（ACC）的背侧，并且θ活动在整个编码过程中都是最显著的。Raghava等人指出，θ振荡并不是仅只局限于额叶区，而是分布于整个大脑，包括后部区域。也有研究报告称，在注意力需求较大的情况下，α波（8-12Hz）通常降低。研究表明，当任务变得更加困难且需要更多的认知分析时，α抑制发生。然而，顶叶区域出现的α振荡使结果不一致。一些研究表明顶叶α波减少，而其他研究却发现α振荡会增强。 总之，关于就科学概念以及如何在工作记忆中处理这些概念的研究还是一个缺口。为研究这个问题，我们研究了物理学概念编码、练习和检索过程中所伴随的大脑活动。我们尤其考察了伴随图像式物理概念的编码和检索的EEG振荡模式是否可与伴随具体和抽象文字物理概念的编码和检索的EEG振荡模式相当。为此，我们比较了三种情况下的人脑活动（图片，高意象词和低意象词）（1）以判断伴随图像与文字性物理概念处理中的大脑活动中的一些不对称性，以及（2）研究具体和抽象物理概念之间不同频段的波是否不同。 方法 1 主题 六十三名大学生参与了这项研究。所有参与者都是右利手，视力正常或矫正后视力正常。所有学生都是自愿参加的，并且他们的参与是有报酬的。中国医科大学附属医院机构评审委员会批准了这项研究。所有参与者被要求阅读并签署一份关于实验过程的同意书。所有学生都在高中修过物理课程，并通过了高考物理，因此他们熟悉物理概念。
2 实验程序 为了研究学生如何编码与物理相关的概念，本研究参与者被要求在较短的记忆时间内记住一些按顺序呈现的物理概念。这些概念在三种不同的条件下呈现的：图片、高意象文字或低意象文字，每种条件下有60种不同的物理概念。这些图片是具有具体性质的物理概念，应该是由参与者以图像概念的形式处理的（例如，齿轮的转动方向）。高意象词应包含具体属性的物理概念，以文字的形式呈现出来。被选中的这类词应该容易地被编码并以图像方式被记住（例如，“钟摆”，“齿轮”）。低意象词是由难以重新编码成图像的且具有抽象性质的物理概念组成（例如， “惯性”，“静态平衡”，“平均功率”）。这使我们能够研究编码、练习和检索物理概念过程中的工作记忆过程，特别是如何编码两种不同呈现形式（文字和图片）中的物理概念的不同属性（具体和抽象）。  图1.图片、高意象词和低意象词
每次实验包括四个非靶刺激（图片、高意象词、低意象词）和一个靶刺激，每个非靶刺激持续时间为200毫秒。当最后一个非靶刺激被呈现800毫秒之后，靶刺激被呈现，接着参与者回答靶刺激是否出现在之前的4次刺激中（图2）。如果答案是“是”，被试者则按下鼠标左键；如果回答为“否”，则按下鼠标右键。每一个条件包括60个实验，其间有30秒的间隔时间。在每次实验中，选择60个概念中的4个概念作为刺激并依次按顺序呈现，这60个科学概念中的每一个概念都会作为靶刺激概念出现一次。反应时间定为靶刺激开始呈现到被试做出回应的这段时间。  图2. 编码任务时间线 3 数据记录 使用Neuroscan SimAmp2系统（Neuroscan，El Paso，Texas）连续记录EEG，电极帽上放置66个电极。使用10 – 20电极导联定位法，并使用乳突部作参考电极。使用双极导联记录垂直眼电（VEOG）和水平眼电（HEOG）。采样带宽为0.01 Hz至100 Hz，选用1000 Hz的采样率。阻抗保持在5k欧姆以下。 4 数据分析 对于EEG数据，通过肉眼观察将波峰极值间出现的偏移或密集爆发的高频肌电活动这部分伪迹剔除，眼动信号未被去除。通过EEGLAB工具箱上构建的自定义MATLAB脚本分析数据。使用高通0.5 Hz和低通50 Hz的数字滤波器消除干扰，并将其采样率降至250Hz。使用EEGLAB工具箱中的runica函数将数据采用独立成分分析方法（ICA）分解独立成分，进一步分析提取独立成分。 （未完待续）  审核：林娉婷 责编：张骁妹 |
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