天赋数感•大脑可塑
认知与神经科学研究所助理教授张智宏
摄影:中央大学采访许碧纯
婴儿天生有数感,知道一加一等于二。 然而,大脑何以能形成抽象的数学概念?如何应付书写的文字和数字? 当共通的基本认知能力和后天文化建构而成的能力相互竞争时,大脑有何策略? 《科学人》特别专访以研究数感成名的法国认知神经科学家狄昂。
狄昂是法兰西学院实验认知心理学教授、巴黎国家卫生暨医学研究院认知神经造影研究部主任,主要的研究是数字认知、阅读的神经机制以及双语学习。 他原主修数学和资讯科学,因为不想成为一名研究数学的学者,却发觉数学思考是大脑最奇特的心理历程之一,于是转攻认知科学,师承知名认知科学家也是《天生婴才》的作者梅勒(Jacques Mehler)。 狄昂在2005年以40岁年纪获选为法国科学院院士,2010年获选为美国科学院院士。 发表专业论文之外,也着有多本科普书,他目前最有兴趣的研究议题是意识。
科学人:我们的第一个问题是关于你在1997年出版的《数字感》(The NumberSense)这本书,它应该是认知心理学中第一本有系统描绘人类数学认知的书籍。
狄昂:这是很好的起头,因为我刚好就在今年夏天开始修订《数字感》,预计明年4月出版。 新版会新增一个很长的结尾篇章,内容包含了过去15年的研究进展。
这真是太好了! 我们的读者可以得到第一手资讯。 其实这也跟我们的问题有关,你在这本书中对数感天赋论举出许多实验证据,特别是对于大脑如何处理数量讯息,提出了概算和精算两种策略,并证实负责这两个处理历程的神经机制。 这些年来在大脑数学认知方面有什么新发现或突破吗?
狄昂:据我所知,其实有很多新的进展和突破。 其中最重要的是如同过去行为实验结果所预期的,动物脑中有负责辨别数量的神经元。 这是由德国杜宾根大学的奈德(Andreas Nieder)和他在美国麻省理工学院的合作者进行的一项出色研究,显示动物脑中的神经元对特定的数量有很大的反应。美国伊利诺大学的罗伊特曼(JDRoitman)、杜克大学的布赖农(EMBrannon)与普莱特(ML Platt)这组人的研究则显示,动物脑中的神经元会随着数量的变化而有递增或递减的反应。 这些研究最令人着迷的地方在于思考如何用数字感的理论去解释这些神经元的运作,它们分别说明了动物有数感,也有概算数量的能力。
儿童如何发展出数字感。 美国哈佛大学史培基( Elizabeth S. Spelke )的研究指出,数感这项婴儿天生就有的能力,跟他们长大后在学校学习算术的能力有很高的相关性。 我们也有许多直接的研究证据说明,数字感如何在儿童学习算术的早期发展过程中提供学习的鹰架。
另一个重要的突破是研究者试图了解在这个领域里,有很多研究取向是从动物身上得到初步结论后,再放到人类去做重复验证,或是反过来进行。 我和义大利特伦托大学的皮亚查(Manuela Piazza)利用神经元有适应转变的特性,以功能性磁共振造影(fMRI)技术来显示人类大脑和动物一样,都有对数量变化特别敏感的神经元。
「数」虽然是很抽象的概念,但认知心理学家很早就已证实婴儿有简单的算术能力,只是数不过三,研究显示,这项运算最多只达到四。
整体说来,我们对于大脑概算数量的神经回路已有相当的了解。 现阶段最大的挑战是去了解人类大脑如何在与生俱来、负责处理数字感的神经回路上,建立学习数学的神经系统。
顶叶与数学能力之谜
孩子是因为他们天生就有较好的数字感吗?
你方才提到的突破之一是儿童的概算能力与他们未来学习算术的能力相关。 有任何关于数字认知的理论可以解释为什么有些人天生对数学很在行而有些人碰到数学就竖起白旗? 拥有优异数学能力的关系。
狄昂:这是很好的问题,但是我对这种说法抱持非常谨慎的态度。 一篇发表在《自然》的论文指出,概算能力与孩子早期在学校学习算术的能力有相关,反之亦然,皮亚查和我的研究也显示,被诊断为有计算障碍的儿童在概算能力与数量知觉的作业上表现异常,而且他们在概算非数字符号呈现的点(dot)时,也会出现困难。 有许多研究证据显示,人类对于非数字符号的数量处理与学习高等数学的能力有关。 还有一个发表在《美国国家科学院学报》的脑造影研究显示,数学能力的发展和顶叶与额叶之间的神经连结程度有很高的相关。这些研究的共同问题是,实验结果只显示了数学能力好与不好的人之间脑部的差异,我们仍然不知道数学能力发展和顶叶与额叶的神经连结之间是否有因果不过,如果大脑顶叶在出生前就有损伤,那么似乎会导致发展性计算障碍,英国伦敦大学的艾萨克斯(ElizabethIsaacs)在2001年的研究发现,顶叶灰质数量比正常发展的婴儿还少的早产儿,长大后会有发展性计算障碍,研究中所指的顶叶正是一般人用来处理数学相关作业的脑区。同样地,因染色体缺失导致透纳氏症候群的孩子也无法执行某些算术作业。
基因并不足以构成数学天份的基础。
对于部份(我必须特别强调并非所有)的儿童而言,我们相信大脑顶叶与数学能力的学习是有因果关系的。 但这一类发展性研究必须面临的共同问题是因果螺旋关系,而这正是我们需要更进一步去理解的,意思是说,从生物学角度来看,个体最初的极小遗传差异,虽会导致往后发展的极大困难,但教育的介入可以使那些数学学习困难的孩子得到很有效的协助。 基因或许扮演了一些角色,但单凭[经典实验]婴儿天生会数数
美国耶鲁大学心理学教授温恩1992年发表在《自然》上的经典研究显示,四、五个月大的婴儿会期待一加一等于二。 在这个小玩偶戏台上,首先研究人员将一个玩偶放在舞台上空手离去,留下玩偶在舞台上(1和2),然后布幕打开,再放进第二个,空手离开(3和4)。 当布幕打开时,有时舞台上呈现两个玩偶(A),有时则只有一个(B另一个由研究人员偷偷取走),结果显示,婴儿理解一加一等于一的时间要比一加一等于二所花的时间长;研究者也进行另一组实验二减一,结果也发现婴儿理解二减一等于二所花的时间要长于二减一等于一。
婴儿认知能力的研究在过去20年突然增加许多,你认为引发新一波婴儿研究的原因是什么? 是因为有了更好的研究工具和方法? 有更好的理论让研究者以此为基础去问更多问题? 还是有更健全、更完整的婴儿大脑发展资料库可以验证许多研究假说?
狄昂:我想上述原因都成立,但我认为更重要的是对智识来源的追寻。 认知科学领域的一个核心问题在于试图了解人类从哪里来? 我们为何可以形成抽象概念? 特别是数学概念的产生是一个很奥妙的现象,例如我们有直线或平面的概念,但它们却是我们无法从外在世界体验到的绝对抽象概念。 这是从柏拉图就开始探寻的古老哲学问题。 令人兴奋的是,透过研究婴儿的大脑及其行为,我们可以开始用实证的方式重新探索这个议题。
另外,我认为这些研究背后的主要动力在于,我们虽然拥有很多关于成人大脑的知识,但对于婴儿的大脑却一无所知,一旦有技术可以进行婴儿大脑的研究,是让每个研究者都感到非常兴奋的。 就在几个月前,法国国家科学研究中心伊瑟德(Véronique Izard)的研究显示,出生几个小时的新生儿就可以经由视觉和听觉的配对,得知物体或声音所表达的数量讯息。 我们不断从婴儿行为中发现他们所拥有的能力,这是令人非常兴奋的,那表示我们呱呱坠地来到这个世界时,便具有一些基本的认知能力,而它正是柏拉图过去猜想也宣称的论点。
来自初生婴儿的神经造影证据
在我们访问之前,曾经寄给你贾布尼克的文章,其中提到婴儿可以从接收到的刺激中发掘规律性变化,你对于这种统计学习理论有何看法? 它与你所称的婴儿天生的认知能力是否有关联性?
数感从何而来?
60年前德国神经学家发现,左下顶骨皮质如果受损可能导致计算力缺失和书写困难等障碍, 狄昂和合作者柯恩(Laurent Cohen)在一些左下顶骨皮质受损的病患身上也看到丧失数字感 的相同情形,而此区很可能就是与生俱来数感的地方。 在此图中,左右大脑都具有数量概 念和阿拉伯数字的辨识能力,但只有左大脑有数字的语言表达。狄昂:针对后面的那个问题,我的答案是否定的。 有研究显示婴儿可以很快速地学习新的事物,这是毫无疑问的。不仅是人类,即使是动物脑中的神经系统都能有效地提取外在环境中的规律性变化,并以此对外在世界可能的变化做出预测。 当我们听一连串短暂的语音,我们的大脑可以发掘其中的规律性,并以此预测将来可能的变化,这是事实,的确是我们所擅长的,它因此让研究者形成有趣的推测,认为人类大脑会去预期一些具有规律性的机率,并从中做出推论。 但是大脑提取规律性的能力并不足以解释大脑如何形成数量、空间和时间的表征或拥有语言的能力,因为婴儿接触到的刺激不足以让他们学习。