執行功能各成分的腦機制及其在教育中的應用

戚婭瑋，何清華

西南大學心理學部（中國重慶 400715）

執行功能（executive function）是一系列高級認知過程的總稱，與學業成就密切相關［1］，主要包括抑制控制、工作記憶、認知靈活性等“冷”執行功能［2］，以及“熱”執行功能［3］。雖然以往研究者們對執行功能的具體定義有不同的說法，但都一致認為，它是一種需要自上而下的意識控制行動、思想和情緒，并且涉及前額葉皮質（prefrontal cortex）神經系統［4］的認知過程，與推理、決策等行為密切相關［5-6］。兒童期執行功能發展較好的表現除了與更好的學業成就、就業狀況、生活質量、身心健康、幸福感等有關，還與較少的青少年和成年期破壞性行為和較低精神病發生率有關［7］。雖然執行功能的個體差異在整個生命周期中相對穩定，但也有證據表明執行功能可以通過練習得到改善，并伴有相應的神經功能變化。這種穩定性和可塑性的結合凸顯了促進執行功能健康發展的潛在價值。目前，執行功能已在心理學、教育學、認知神經科學等領域得到了廣泛研究和探討，并且越來越深入、具體地揭示其腦機制，這些研究結果不但具有重要的理論意義，而且對兒童的發展與教育具有重要的實踐價值。

1 執行功能不同成分的發展趨勢

1.1 抑制控制

抑制控制是指個體通過控制自己的注意、行為、想法或情緒來抵制內在反應傾向或外在誘惑的心理過程，是執行功能的核心成分之一［8-9］，一般包括反應抑制和干擾抑制2個方面。研究［10］表明，抑制控制可以控制工作記憶的瞬時內容。不良的抑制控制會導致工作記憶內容更加復雜和混亂，對相關和非相關信息間的時間分配不合理，并產生不恰當的反應。抑制控制能力減弱會影響學習、檢索和理解等認知加工過程。

抑制控制在嬰兒期就已經出現，在幼兒期、兒童青少年時期得到快速發展，經歷3個發展關鍵期：3~4歲、7~9歲、10~12歲。在第一關鍵期內， 3~3.75歲時抑制控制獲得快速發展，幼兒在3歲時抑制能力還沒有完全表現出來，到3.75歲時產生了抑制技能策略［11］。在第二關鍵期內，兒童抑制控制能力顯著提高［7］；兒童在反應抑制方面最重要的提升出現在7~9歲，該年齡段兒童抑制優勢反應的能力相比于6~7歲兒童顯著提高［12］。在第三關鍵期內，兒童早期抑制控制能力發展至10~12歲時接近成人水平，成年后開始下降，個體差異對其發展水平的影響持久［13］。研究［10］表明，抑制控制的減少與年齡的增長有關。對抑制控制能力與學業成就的關系研究［14］發現，高中生的抑制控制能力已經達到比較高的水平，并且與學業成就關系密切，是有效學習的監控系統?？傊?，與其他階段比較，關鍵期內抑制控制能力的發展水平更高、發展速度更快。

1.2 工作記憶

工作記憶是指個體在執行認知任務過程中對信息暫時保持與操作的能力［15-16］，是流體智力的核心成分［17］，在學習、推理等高級認知活動中起重要的作用［18］。工作記憶主要包括4種成分：語音回路、視-空間模板、中央執行功能以及情景緩沖器［19］。其中語音回路、視-空間模板負責言語信息和空間信息的存儲；中央執行功能主要負責工作記憶中的信息控制、各子系統功能的協調和操縱注意管理系統［15-16］；情景緩沖器是容量有限的能夠存儲多維編碼的系統，它不僅是工作記憶的組成成分之間的緩沖存儲器，而且還將工作記憶與感知和長時記憶聯系起來［19］。

工作記憶在個體2歲時開始發展［20-21］，3歲幼兒出現認知抑制與工作記憶功能分離的趨勢［22］。工作記憶的發展經過3個關鍵期：6~8歲、9~11歲、12~13歲（青春期早期）。研究［23］發現，4~6歲開始上學的兒童就已經具有一個不同于中央執行和語音回路的模塊化結構——情景緩沖器。工作記憶的基本模塊結構——語音回路、視-空間模板和中央執行功能，從6歲或更早就存在，并且直到青春期每個部分的能力都在增長［24］。在第一和第二關鍵期內，語音回路功能顯著提升［25-26］，分別在8歲和12歲達到峰值［12］。8~9歲兒童和19~24歲成人的工作記憶中保存臨時約束信息的能力（情景緩沖器）有所提高［27］。兒童在9歲左右就已經掌握了工作記憶中保留視覺信息的任務，而如果這項任務還涉及信息處理，那么大約在12歲時達到頂峰［28］。工作記憶的發展一直持續到成年，在15~19歲時明顯提高，之后隨著年齡的增長，提高的速度減慢［29-30］。

1.3 認知靈活性

認知靈活性，也稱定勢轉換或反應轉換，是指個體在進行適當的反應變化以符合新情境的要求時，保持反應定勢的思想和動作的靈活性［14］，它的前提是理解在給定的情況下至少有2種可能的行動方式或觀點［9］。與抑制控制和工作記憶不同的是，認知靈活性很難獨立出來。認知靈活性是一種較晚出現的執行功能成分，因為成功的轉換假設是以特定水平的工作記憶（即牢記規則）和抑制為前提的。例如，被試抑制或轉換任務的設置［9,21,31］。由此可見，認知靈活性屬于較高級的任務，需要工作記憶和抑制控制的協調。

認知靈活性的發展經過了2個關鍵期：7~9歲和青春期。研究表明：2歲左右的幼兒能夠對構造、空間定義明確的物體進行分類［32］；2~3歲兒童的認知靈活性與工作記憶的關系密切；3~3.5歲兒童的認知靈活性與抑制控制的關系密切［33］；3歲和4歲兒童只能根據物品的共同特征進行分類［34］；5~9歲兒童在反應靈活性上呈發展趨勢，5歲兒童有著較低的概念靈活性，9歲兒童在概念靈活性上相比5歲兒童具有很大的提升［35］；7歲兒童在轉變行為時會遇到困難；7~9歲兒童的認知靈活性經歷了一個關鍵的發展階段，其多維任務轉換能力大大提升；12歲時相對成熟。從錯誤中學習和設計替代策略的能力出現于童年早期，并在童年中期不斷發展［36］。研究者［37］以7~82歲個體為被試探究執行功能發展的變化，結果發現，轉換任務的表現呈U型函數，兒童早期、青春期直到成年期反應時呈線性降低，表明認知靈活性不斷提升，至成年早期達到頂峰，老年期出現衰退。

1.4 “熱”執行功能

MIYAKE等［38］從執行功能的生理基礎和任務特性的角度出發，將執行功能分為“冷”執行功能（無情感動機卷入的純認知）和“熱”執行功能（受情緒動機激活的認知）2個方面。在此分類框架下，抑制控制、工作記憶和認知靈活性屬于“冷”執行功能；“熱”執行功能通常被稱為情感決策。大量以兒童為研究對象的研究發現了冷、“熱”執行功能運行的不同及其相關因素［39-42］，以及表現出與其他指標不同的關系模式，比如言語心理年齡［43］、學業成就［39,42］、心理理論［44］以及行為問題［42,45］等。

“熱”執行功能相比“冷”執行功能發展得更慢［46］，可能遵循與“冷”執行功能不同的、有延遲的發展軌跡?！盁帷眻绦泄δ艿陌l展經歷2個關鍵期：3~4歲和青春期。對愛荷華賭博任務的研究［47］發現，4歲兒童做出的有利選擇多于隨機水平，而3歲兒童做出的不利選擇多于隨機水平，兒童情感決策在學前階段發展迅速（尤其是女孩）［48］。到目前為止，“熱”執行功能和“冷”執行功能的因素分析研究主要集中在年齡≤6歲的兒童，在該年齡段，兩者的區別可能才剛剛開始顯現［49］。這與神經系統功能專門化的一般過程相一致。神經系統最初是相對未分化的，但隨著經驗的增加，作為適應發展過程的一部分，變得更加專門化［50］。HOOPER等［51］對9~17歲兒童進行了1項“熱”執行功能和2項“冷”執行功能的測試，結果發現，隨著年齡的增長，被試在3種任務中的表現都有所提高，但年齡較小組的兒童（9~10歲組和11~13歲組）主要表現為“冷”執行功能的提高，而“熱”執行功能任務表現良好的僅限于年齡最大組的青少年（14~17歲組）。PRENCIPE等［52］研究發現，8~15歲的兒童在“熱”執行功能測試中達到了與成人類似的表現水平；且相較于“冷”執行功能，“熱”執行功能達到成人水平兒童的年齡更大。雖然“熱”執行功能的發展相對“冷”執行功能較晚，但是青春期依舊是其發展的關鍵期。

2 執行功能的腦機制

一般認為，大腦前額葉皮質是執行功能的神經基礎，而不同方面的執行功能由不同的腦區負責?！袄洹眻绦泄δ苤饕婕凹冋J知方面，參與“冷”執行功能的主要是外側前額葉皮質，包括背外側前額葉皮質（dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC）和腹外側前額葉皮質（ventrolateral prefrontal cortex,VLPFC），以DLPFC為基礎，主要與解決相對抽象的、去情景化的問題有關?！盁帷眻绦泄δ苤饕婕扒楦蟹矫?，與解決需要情感和動機參與調節的問題相關。參與“熱”執行功能的主要腦區包括后扣帶回（posterior cingutate cortex, PCC）、內側前額葉皮質（medial prefrontal cortex, MPFC）、眶額葉皮質（orbitofrontal cortex OFC）和腹側前扣帶回（ventral anterior cingulate cortex, VACC）。此外，“熱”執行功能與參與情緒和動機處理的邊緣結構緊密相連，包括杏仁核、腦島、紋狀體（殼核、尾狀核和伏隔核）、海馬和腦干［53］。

抑制控制主要是以腹側前額葉皮質、DLPFC、前扣帶回為基礎［54-55］。DLPFC對抑制控制有著重要影響。經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）靶向DLPFC的研究［56］發現，健康被試的抑制控制能力有所提高。通常認為DLPFC的功能在于選擇恰當的反應而抑制不恰當的反應，并且與腦干、基底神經節等區域（即沖動系統）協同控制沖動性行為［57］。DLPFC的損傷可能會導致個體出現對空間位置無法準確定位、記錯時間順序、身體運動控制缺陷及注意分散或分散過度等認知障礙。此外，DLPFC在反應抑制和自我控制方面也具有重要作用［58］。前扣帶回是大腦中與注意力和抑制控制有關的最重要的區域之一［59］。神經影像學研究［60-61］表明，成功的抑制控制與多個腦區的共同作用有關，包括前輔助運動區 （pre-supplementary motor area,pre-SMA）、右側額下回（right inferior frontal cortex,rIFG）、DLPFC、丘腦底核（subthalamic nucleus ,STN）等區域。

工作記憶主要是以前運動皮層、輔助運動區域、布洛卡區、背外側前額葉皮質、頂葉后部為基礎。對學齡兒童拼音文字閱讀的功能磁共振成像 （functional magnetic resonance imaging, fMRI）研究［62-63］發現，左側背外側前額葉皮質（left DLPFC）與兒童的工作記憶和閱讀理解有密切關聯。執行控制網絡和背側注意網絡組成的額頂葉連接是工作記憶能力發展過程中的重要神經基礎。神經機制的研究［64］發現，工作記憶訓練引起大腦額-頂葉區域激活減弱，而皮層下結構包括紋狀體和尾狀核區域的激活增強；工作記憶訓練減少了大腦灰質的數量，增強了大腦白質的功能連通性；工作記憶訓練引起尾狀核上多巴胺受體的變化。此外，扣帶回、后頂葉皮質、紋狀體、感覺運動區也與執行功能有著密切的聯系［13］。

認知靈活性主要是以前扣帶回、頂葉后部、DLPFC為基礎［55,65］，包括外側和眶額頂葉、中扣帶回島葉和額紋狀體區域在內的大規模大腦功能網絡，這些區域在整個生命周期中支持認知靈活性。兒童早期和中期認知靈活性的發展具有可塑性，其中前額葉皮質發揮了重要作用。例如：與年齡相關的幾個大腦區域的活動增加與認知靈活性有關，包括右側前額葉皮質、左側頂葉皮質、前扣帶回和紋狀體。同大腦區域發展一致的是，認知靈活性在兒童早期和中期迅速提高，表明這可能是一個對發育和環境驅動的變化敏感和高可塑性時期［66］?！盁帷眻绦泄δ芘c大腦前額葉皮質緊密關聯。大量腦成像研究表明，MPFC、OFC、VLPFC以及VACC等前額葉皮質區域與涉及情感、動機、獎賞/懲罰和社會刺激的“熱”執行功能相關。在情緒刺激的認知控制中，常常激活MPFC和OFC。OFC的損傷會引發情緒失調、主動性與自發性欠缺、行為沖動等方面的問題?？傮w來說，“熱”執行功能以大腦OFC為基礎，以高度的情感卷入或情感意義評價為特征。

3 執行功能與學業成就及學習障礙的關系

執行功能的良好發展有利于學業成就，但同樣地，執行功能的障礙也與多種學習障礙有關。AHMED等［67］評估了兒童早期（4.5歲）和青少年（15歲）執行功能成分及其對學業成就預測之間的縱向關聯，同時保持重要的人口統計學和早期家庭環境變量不變。結果發現：4.5歲時的工作記憶能夠顯著預測15歲時的工作記憶。元分析研究［68］發現，執行功能與學業成就呈中度正相關，且該相關不因執行功能結構、年齡或測量類型而有所不同。這些發現證明了早期兒童執行功能在預測后期執行功能以及學業成就方面的重要作用。

作為高級的認知功能，執行功能能夠預測兒童的學校表現［1,69］。執行功能的損害是各種臨床條件的突出特征，如注意缺陷多動障礙（attention deficit and hyperactivity disorder, ADHD）和其他外部性問題［70］。對6~13歲ADHD兒童和非ADHD兒童的執行功能進行測試發現，ADHD兒童的執行功能更差［71］。國內學者的元分析［72］結果顯示：學齡前兒童執行功能與ADHD癥狀具有顯著相關性，其中抑制控制、工作記憶，尤其是工作記憶與注意缺陷的相關程度最高，并且學齡前兒童執行功能能夠預測后期ADHD癥狀。

研究者［73］通過與正常組兒童比較發現，閱讀障礙兒童的執行功能（包括選擇性注意調節過程、轉換和抑制控制）存在困難，這些困難似乎受到語音工作記憶缺陷的影響，通常與閱讀障礙有關。抑制控制和工作記憶能力與發展性閱讀障礙有關，能夠預測兒童的閱讀能力。未來的研究應該探索執行功能訓練作為閱讀障礙兒童的干預手段，因為核心執行功能似乎可以隨著訓練而改變，并可能轉移到提高閱讀能力上［74］。

總之，一系列的研究已經證明執行功能的良好發展有助于個體發展更好的學業成就，這使得執行功能的可塑性在教育實踐過程中的應用具有了必要性。

4 執行功能的可塑性與教育啟示

執行功能具有可塑性，認知訓練是常用的提高執行功能的方法，其中，最直接的是工作記憶訓練。由于執行功能對學業成就具有很好的預測性，所以，以執行功能為重點，同時尋求提高孩子學習能力的早期教育方法，有助于在學齡早期培養孩子的學習準備和學習能力。促進執行功能的教育實踐被當作是促進學業能力的一種方式，如思維工具課程（Tools of the Mind Curriculum）。有研究［75］調查了一系列旨在間接提高執行功能的活動，包括有氧運動、冥想練習（正念訓練）和玩電子游戲，結果表明間接的訓練方法也可能非常有效。

工作記憶訓練是不關注學業能力而提高執行功能的直接途徑之一。目前已有多個計算機化的認知訓練程序，如Cogmed（www.cogmed.com）、LumoSity（www.lumosity.com）、CogniFit（www.cognifit.com）以及Mind Sparke（www.mindsparke.com）等［64］。計算機訓練已經被證明可以提高工作記憶和推理能力，其優點是能夠以一種加法的方式增強認知能力，產生更大的遷移效果。但尚不清楚它是否可以提高抑制控制能力，并且難以確定產生的認知增強真正決定哪個成分及其具體機制。在基于中央執行功能對兒童工作記憶可塑性機制的研究［76］中，被試大多為15歲以下的正常兒童和特殊（多動癥、智力低下等）兒童，訓練周期一般為15~30 d，每天訓練時15~25 min。結果發現，工作記憶訓練不僅可以提高兒童的工作記憶能力，而且還能遷移至其他高級認知功能（流體智力、數學能力等），甚至可以改善多動癥兒童的臨床癥狀，且這種訓練效應可以保持3~6個月。但同時需要注意的是：雖然越來越多的研究發現工作記憶訓練效果可轉移到兒童的學術能力（academic abilities），但相比于近遷移，其遠遷移效果是不確定的［75］。盡管工作記憶訓練不關注學業能力，但能夠提升學業能力。隨著我國教育的發展，計算機在各地區已經廣泛使用，各中小學可將工作記憶訓練內容作為興趣課程，引導學生進行訓練。

思維工具課程是一門受維果斯基（Vygotskian）思想啟發的課程，該課程通過鼓勵社會情境表演和自我調節的語言來促進學齡前兒童的自我調節和讀寫能力［77］。雖然初步評估發現參加思維工具課程的學齡前兒童的表現優于未參加課程的兒童［78］，但是之后的研究未能復制這種效果［79］。相比思維工具課程，蒙特梭利課程對執行功能的影響更加穩健。在認知靈活性測試上，參加蒙臺梭利課程的5歲兒童的表現明顯優于未參加課程的兒童［80］；在秋季至春季期間，相比參加低保真度（lower fidelity）蒙臺梭利課程和傳統課程的學齡前兒童，參加經典蒙臺梭利課程（僅使用蒙臺梭利材料）學齡前兒童的執行功能顯著提高［49］。此外，早期的執行功能訓練最有益于低收入家庭、低工作記憶廣度兒童，ADHD兒童和男孩（男孩的抑制控制能力較女孩更弱）［81］。因此，經濟欠發達地區應該更注重兒童早期執行功能的發展，提供相應的訓練課程。

有氧運動可以顯著改善前額葉皮質功能和執行功能［82-83］。運動訓練對兒童心理功能的改善在涉及執行功能的任務中表現得最為明顯。相關研究表明：有氧跑步提高了8~12歲兒童的認知靈活性和創造力，經過訓練的兒童其認知靈活性和創造力顯著高于標準體育教育兒童，但沒有影響非執行功能技能［84］；有認知成分參與的有氧運動更有利于執行功能的提升［85］。因此，通過有氧運動提升執行功能的方法可通過中小學體育課堂設計有認知成分參與的有氧運動課程，從而提升兒童的執行功能。

正念是指個體有目的地把注意力不加評判地保持在當下的體驗上，并對當前心理事件進行覺知的一種方法。有研究者［86］對3~4歲幼兒進行正念訓練，每周2次，每次20~30 min，共12次。結果發現：相比于未訓練組（對照組），訓練組的抑制控制和認知靈活性得分更優，2組的工作記憶差異不顯著。這表明，正念訓練能夠促進3~4歲幼兒執行功能的發展，且主要表現為抑制控制和認知靈活性的提升。由此可見，3~4歲幼兒的抑制控制能力提升可以通過正念訓練來實現。此外，正念訓練還有助于情緒調節，3~4歲兒童正值熱執行功能發展的第一關鍵期，該階段的正念訓練對兒童熱執行功能的提升亦有幫助。學校應該合理利用心理健康教育課堂，將心理健康理論知識與正念訓練實踐相結合（尤其是小學3~6年級以及初中生課堂），這不僅有益于兒童心理健康發展，還有助于提升兒童的抑制控制和認知靈活性。

此外，運用腦科學方法改善執行功能的方式近年來得到廣泛研究。例如：在檢驗tDCS對抑制控制、工作記憶、認知靈活性影響的研究［56］中，27項單次tDCS激活DLPFC的元分析結果顯示有效率為0.71，提示tDCS對工作記憶任務有顯著影響，并且能夠改善一般執行功能。以上研究結果證明了執行功能的可塑性，并且可以通過行為和腦刺激等多種方法提升。

隨著執行功能可塑性研究的深入，研究者們開發了多種提升執行功能的訓練方法，對于教育實踐和教育質量的提升具有重要意義。但是，眾多訓練方法的選擇還需要遵循一定的原則，在此框架下進行適當的訓練才能夠更有效地提升個體的執行功能，促進我國教育的發展。第一，已有大量的研究表明執行功能是可以通過訓練提升的，具有扎實的訓練基礎；第二，隨著大腦功能的發展，個體執行功能的發展具有關鍵期，在各執行功能成分發展的關鍵期進行重點訓練，更有利于增強訓練效果；第三，在訓練的過程中，需要關注個體差異，根據個體執行功能的發展特點選擇相應的訓練方式、時長、難易程度等；第四，在未來的執行功能訓練過程中需要結合腦的訓練方法（tDCS、經顱磁刺激技術等），更要注重多種方法的結合（課堂教學、計算機訓練、體育活動、正念訓練、腦刺激與神經反饋等）。