腦智科學研究的最新進展與實踐應用

21世紀是腦科學時代，人類越來越對自身的大腦產生濃厚興趣，相關科學研究的進步也一再豐富著大眾對於腦科學的認知。與此同時，腦科學與教育實踐相關性的研究也成為國際組織以及各國政府普遍關注的重要課題。如何藉助腦科學研究成果促進兒童青少年腦智的提升。如何通過搭建腦科學、認知科學和教育學習三個領域之間溝通交流的橋樑，更好地引領和促進廣大兒童青少年的學習與發展，既是當前公共衛生健康和教育發展領域的工作核心，也對於國家可持續發展具有重大戰略意義。「腦智」一般是腦與心智的簡稱，囊括了人的心理行為和認知情緒的各維度。本文圍繞當前在國際上備受關注的腦智發育影像學研究，梳理國內外相關研究成果及其在教育領域的實踐應用，希望為廣大教育工作者提供啟發和借鑒。

一、多學科交叉的腦智科學研究發展迅速

進入21世紀以後，國際上關於腦與認知領域的研究發展迅速。世界各國都加大投入，推動技術創新，開展多學科交叉和多層次的腦智科學研究。

例如：美國在2010年啟動了人類腦連接組計劃（HCP），大大推動了磁共振成像用於成年人腦網路組織特性與心理行為的關聯研究。在此基礎上，奧巴馬政府又於2013年啟動了更為宏大的腦科學研究計劃（BRAIN），並獲譽「腦科學領域人類登月計劃」。隨後，歐盟也啟動了人腦計劃（HBP），致力於「模擬人類大腦計算」這一信息化終極目標。在國內，中國科學院「率先行動計劃」於2012年啟動了戰略性先導科技專項（B類）「腦功能聯結圖譜」項目，在此基礎上，「中國腦計劃」經過五年多的緊張籌劃和部署將於2018年下半年正式啟動，兒童青少年腦智提升計劃作為其中的重要組成內容，對當前和未來教育意義深遠。

近年來，伴隨直接研究人腦的科學手段的普及，人們對人腦的工作機制，特別是高級功能的腦機制研究取得很多突破性進展。其中，磁共振成像技術在腦智發育影像學研究中的作用功不可沒。磁共振成像技術的工作原理簡單來說，就是在成像設備產生的磁場環境中，受檢者身體里的氫原子會發生共振，腦成像設備接收這個共振釋放能量進行成像。在磁共振成像過程中，成像設備產生的磁場幾乎能夠使人體內無處不在的氫原子發生共振，然後通過變化磁場強度或方向，使氫原子逐漸停止共振進而釋放能量，然後腦成像設備捕捉量化這些能量進而完成成像過程。

在使用磁共振成像過程中，人們最擔心的兩個問題是電離輻射和噪音。首先就輻射而言，在磁共振成像過程中，對人體發生作用的是磁場變換和由氫原子共振產生的能量脈衝。磁場和能量脈衝產生的電離輻射就像我們生活中使用的電器所產生的輻射一樣，不存在像平片和CT檢查中由X射線產生的放射性傷害，因此對人體是非常安全的。其次是噪音問題。常規磁共振成像設備產生的噪音一般在65～95分貝，雖然這個數值在安全範圍內，但也會影響檢查交流，增加受檢者的恐懼、焦慮情緒。因此在磁共振成像過程中，需要為受檢者提供耳塞或耳罩進行噪音防護，這樣最多可以使噪音下降30分貝，能夠保證受檢者的聽力和情緒不受影響。總之，正常的磁共振成像對人體而言是非常安全的。

二、國際腦智發育研究成果已在教育領域應用

近年來，國際上已經開展多項針對兒童青少年腦智發育的大型研究，這些研究推動了人類對於腦智發育一般規律的深入認識。

1. 國際腦智發育研究成果日漸豐富

美國國立衛生研究院（National Institutes of Health，簡稱NIH）於上世紀最後十年開始啟動對人類正常腦發育的研究，目前已收集了550名正常兒童的腦成像數據，受檢者範圍從剛出生的嬰兒直至22歲的青年，同時每個受檢者的腦部磁共振成像數據都被常年縱向追蹤。這一向公眾開放的資料庫構建了人類從出生到青春期後期的正常腦發育情況，可為診斷腦損傷兒童提供健康腦發育參考。基於上述數據樣本，美國科學家於2006年揭示出人類智商和腦發育的關係：超高智商的兒童大腦皮層變薄的過程顯著長於普通智商的孩子。^[1]

2015年，挪威奧斯陸大學腦與認知畢生發展研究組開展大型終身發展腦智研究，進一步證實：畢生發展歷程也反映了上述腦智關聯規律；^[2]來自荷蘭的科學家團體更是發起了GenerationR項目：他們從2002年起至目前已完成對1萬名懷孕母親的實驗招募，並實現了在流行病學框架下對這些家庭連續十多年的追蹤，以及對這些家庭的兒童各項心理行為及腦發育的追蹤測試，旨在探明從胎兒到青春期發育過程中，環境和基因對兒童腦智健康發育的影響情況，從而回答「先天和後天」的科學問題。2017年，該項目又新增GenerationR Next大型研究隊列，旨在探索母親孕前的身體健康和生活方式對下一代腦智發育的影響。

近年來，隨著磁共振成像技術的快速發展，美國NIH的腦發育項目也得到了相應擴展和升級，包括研究各類複雜表型發育軌線的費城神經發育隊列（PNC）、兒科影像神經認知和基因隊列（PING）、各類心理精神障礙風險因素的美國青少年腦智發育隊列（ABCD）、美國健康人腦網路隊列（HBN）以及由HCP所衍生的各類腦連接組發育隊列（如dHCP）。

上述神經影像大數據的公開和網路神經科學的快速發展，推動了學術界對於腦智發育一般規律的研究進展（詳見圖1），大腦皮層七大功能網路圖譜被揭示和繪製完成。^[3]其中，額頂控制網路負責各類不同網路之間的信息交互，^[4]參與學習和記憶的轉換過程，和人類的創造性活動密切相關，是流體智力的主要貢獻者；^[5][6]默認網路則是人腦連接組的樞紐網路，具備進化和遺傳基礎，處理自我認知的相關過程（如情景記憶等），是晶體智力的主要貢獻者。此外，通過對同卵與異卵雙胞胎的比較研究發現，^[7]大腦這七個功能網路及其之間的連接受到遺傳和環境因素的調控，比如額頂控制網路的頂葉記憶模塊自身受到遺傳影響，但它與其他網路的連接則主要受到環境影響。同時在人類的畢生發展歷程中，該頂葉記憶模塊或網路相比默認網路表現出更顯著的個體差異和動態變化。^[8]

2. 腦智發育研究成果走向中小學課堂

國際上腦智發育神經科學的研究結果為人類心智畢生發展規律提供了人腦網路神經科學基礎，提示我們人類流體智力可通過後天環境調控而發生變化，同時也已經開始推動教育教學領域的改革。

如上所述，大腦的兩個網路系統，一個系統在我們注意力集中、專註做事時活躍，屬於「向外」的任務指向系統，依賴於額頂控制網路；一個在我們休息放鬆或「走神兒」時活躍，依賴於默認網路，屬於「向內」的自我指向系統。當一個系統持續工作時，另一個系統就會受到壓制，人在不同狀態下需要在兩個系統之間互相切換，保持系統平衡。此外，雖然自我指向的默認網路系統常常在人們「走神兒」時活躍，但研究發現，這一系統的功能同樣關係到人類的心理和行為表現，通常與自我、反思、回憶往事、想像未來、體會與人交往等自我認知和感受有關。因此，這種思維方式的發展不僅能夠幫助兒童建立健康的情緒和認知，也有助於其學業提升。

例如：一項針對中學生的研究發現，^[9]在考試之前，教師引導學生圍繞「考試成績對未來生活的影響」這一話題進行寫作，可以幫助學生改善考前焦慮並提升考試成績。另一項類似研究也發現：^[10]引導學生對美好未來進行展望，並將這種展望與學生當前的行為和選擇掛鉤，能夠改善學生的學習成績和動力。由此我們獲知，兒童對內和對外的活動需要平衡，讓學生適當地「走神兒」並非與學習成績對立。相反，如果兒童沒有或得不到充分時間進行玩耍或安靜思考，可能會產生一些負面結果，如他們的情緒健康以及完成任務的能力都會受到影響。

上述腦智研究成果和教育教學一線相結合的研究，大力推動了國內外基礎教育的改革。如在美國，一些中小學已經開始在校內有針對性地開設「走神課程」。這些課程經過特定設計，學生們在基本的紀律約束下，被要求「自己盡量放鬆，進入休息狀態，腦中可隨意思考」，這樣的狀態約持續一刻鐘；接下來，學生們會進入高強度的執行功能訓練和學習，如大量的閱讀和數學計算訓練，持續一刻鐘後再次進入放鬆狀態，從而達到在45分鐘的課程裡面充分和高效利用腦網路組織特性，有效平衡腦網路使用效率的目的。^[11]

三、「彩巢計劃」要創建中國人腦智發育規律全國常模

與國際上腦智發育影像學研究形成鮮明對照的是，中國健康學齡兒童腦智發育影像學的起步非常晚。為逐步積累中國人腦影像大數據進而刻畫畢生發展（6～85歲）的健康中國人腦發展軌線，從而為臨床檢測腦健康和腦智發展評估提供科學的常模依據，中國科學院心理研究所啟動了「彩巢計劃（ChineseColor Nest Project，簡稱CCNP）」的隊列研究，^[12]將歷經2013～2022年的十年跨度。^[13]其中學齡期既是人腦生長發育的關鍵時期，也是各種常見心理障礙和精神疾病的易感年齡段，因此被作為CCNP項目中重點關注的部分率先開展研究，即devCCNP，進而推動了「中國腦計劃」兒童青少年腦智提升研究立項。

1. 研究發現：人腦發育具有群體共性及個體差異性

2013年11月至2017年1月，devCCNP預研項目「彩巢計劃－成長在中國」在重慶市北碚區完成了對192名志願者的縱向追蹤數據採集。項目組按照「一歲為一個年齡組，一個年齡組16人（8男8女）」的總體設計思路招募志願者（詳見圖2），共有192名6～18歲（招募年齡）的學齡兒童青少年及其監護人自願參與了devCCNP項目研究。

在歷經五年的追蹤研究中，項目組對每名志願者先後進行了三輪腦智發育監測，每兩輪間隔一年零一季度，每輪的測查均包括基本生理指標、大腦磁共振成像、智力測試、認知行為測試、情緒問卷等涉及腦智發育情況的內容。每一輪採集工作全部完成後，項目組會為每一位志願者撰寫和製作個人發育報告，展示其在該輪所有的測查結果及多輪結果反映出的個體腦智發育情況，從而完整記錄志願者個人腦智發育歷程。目前，項目組對數據的整理分析及對志願者家庭的反饋仍在持續進行中。

通過三輪的腦結構和功能測試變化的結果我們發現：無論在個體還是群體方面，人類的腦智發育都表現出一定的規律特點。如在個體發育報告中我們發現，每個孩子相對於同齡人，大腦不同區域的腦智發育都表現出一定差異性。例如：根據大腦皮層七大功能網路的發育情況，某個孩子如果在特定功能網路（如體感運動網路）表現出顯著的發育優勢，則其在相應功能（如身體運動能力）方面也比同齡人表現出一定優勢。從群體層面來看，不同的腦功能網路快速發育期也表現出時間上的先後差別，如初級腦網路先於高級聯合腦網路發育。這些在個體或群體層面表現出的腦發育規律特點，在很大程度上與教育領域的學齡兒童身心發展規律一致，也從認知神經科學研究的角度為因材施教提供了客觀理論依據。

2. 成果應用：腦智常模將為教育教學提供精細化和個體化指導

雖然目前我們掌握的數據量有限，尚不足以據此得到更強有力的結論推廣到全國其他地區，用於進一步指導教育教學實踐，但是上述初步發現讓我們看到：腦智發育規律全國常模的建立將為教育教學提供精細化和個體化指導，從而有助於解決當前教育教學過程中面臨的一些挑戰。這裡我們以學齡兒童教育中的核心工作—德育工作為出發點，結合「彩巢計劃」中特別關注的人格與腦發育的關係來闡述腦科學與教育實踐的創新結合。

培養兒童健康完善的人格是教育的終極目標之一。已有的對成年人群體進行的研究發現：人格與腦結構功能存在關聯。人格的不同維度表現會反映到腦網路的內在功能組織架構上，每個維度可以藉由獨特的腦網路進行預測，諸如動機、同情心和未來導向思維的認知和情感處理功能。^[14]這一人格與腦關聯規律提示我們：儘管個體間的核心腦網路功能結構是一致的，但除此以外的腦網路特異性連接則是圍繞人格的個體差異而形成，體現了個體的可塑性。

此外，人類的人格特質還與青少年期的大腦皮層發育有關。如來自挪威的一項針對青少年的縱向研究發現：^[15]學齡兒童的責任心或自覺性、情緒穩定性和想像力與大腦皮層厚度的隨齡降低相關。這提示我們：一方面，人格特質的個體差異一部分可以由青少年期的大腦皮層發育成熟加以解釋，也從腦智發育角度解釋了在成人中觀察到的人格與腦關聯規律；另一方面，腦發育對人格也表現出一定的預測效應。例如：額頂網路的核心腦區—右半球背外側前額葉就可以很好地預測個體創造力；左半球額頂和右半球額顳區域內灰質密度下降得越慢，則預測個體具有更強的創造力表現，而且額葉縱向變化與創造力發展之間的關係也會受右半球背外側前額葉和工作記憶能力關係的影響。

上述一系列研究表明：人格與個體的先天腦結構功能有關，同時也受到後天環境和經驗的影響，兒童青少年期既是大腦自然生長發育的關鍵期，又是學習高度集中期，因此是終身人格塑造的黃金階段，學校和家庭對此應該高度重視。

3. 研究展望：推動區域性腦智發育隊列建設

改革開放40年來，我國西部與東部發達地區不僅在經濟方面的差距在拉大，在教育方面的差距也日漸擴大，尤其在基礎教育領域，這一趨勢更加明顯。結合教育領域自身區域間資源的差異性和特異性，如何推動不同地區的腦智發育隊列建設及其與教育學界的通力合作，成為「中國腦計劃」中大型腦智發育隊列建設面臨的根本挑戰。為此，早在2015年，中國科學院、廣西師範學院、廣西醫科大學、廣西師範大學等機構就通過整合自治區內外的資源，構建東西結合的互補發展戰略，建設了中國科學院心理研究所腦智畢生發展研究中心、廣西師範學院認知神經科學與教育實驗室。目前，該研究機構可以通過配合廣西教育廳與各地市教育局開展大規模學生行為調查，以及與各地市中小學的緊密聯繫，積累豐富的科研經驗和珍貴的被試資源；同時通過逐步推動大型腦智監測儀器設備平台的建設，結合最新腦發育科學進展在當地中小學和家庭開展學生生長發育監測等科普活動，為其他西部地區開展相關工作提供策略參考。