一般智力的認知發展神經機制及其干預

王志東,孫 鐵,肖 風

(1.北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室,北京 100000;2.山西師范大學教育科學學院,太原 030000;3.浙江師范大學堪薩斯大學聯合教育學院,金華 321000;4.貴州師范大學心理學院,貴陽 550000)

智力被認為是適應環境的能力,以及從經驗中學習的能力(Sternberg,1996)。在早期對人類認知能力的探索中,研究者們發現不同認知能力之間存在顯著的相關性,這種相關性被命名為positive manifold,并成為智力研究中最常被觀測到的現象(Spearman,1904)。positive manifold被視為一般智力的反映,稱為g因素。由于心理測量學上的智力(即智力測驗分數)與真實智力并不完全相同,所以不同研究者對智力的構念并不一致。

當前主流的智力理論為CHC(Cattell-Horn-Carroll)理論(Benson et al.,2010;McGrew,2009),認為一般智力是一個層級結構,包括處于頂層的g,以及位于下層的晶體智力和流體智力;其中g會影響晶體智力和流體智力;晶體智力代表過往經歷中所獲得的知識和經驗,流體智力代表解決新異問題的能力。因此,在概念層面,流體智力和一般智力是非常接近的,本研究所述智力主要指流體智力。

除了一般智力外,還存在特殊智力。Spearman(1928)認為特殊智力與一般智力相關,指領域范圍相對特定的能力。加德納(2011)認為智力不是一種單一的能力,而是包含了廣泛的能力,包含言語、邏輯-數學、空間、音樂、運動、人際、自知、自然智力。斯滕伯格(1985)提出了智力三元理論,包含成分、情境和經驗三個維度,其中情境和經驗分別強調與環境的擬合以及經驗的作用,這也意味著智力無法作為一個一般性的因素單獨研究。從種系發展的角度來看,特殊智力不再局限于部分領域,而是將特殊智力推廣進整個心智,大量的特殊智力組成了人類心智。從個體發展的角度看,不同認知能力的發展取決于特殊的環境,這種模塊化發展構成了個體的認知能力。

因此,研究首先從進化心理學、發展心理學和神經生理基礎的角度,結合領域一般和特殊的討論,分別回顧相關的智力研究,表明智力的干預有其相應的理論基礎。隨后梳理了智力干預的方案和效果,討論了智力干預結果不一致的可能原因。

1 智力的進化心理學研究

由于智力反映了環境適應能力,這意味著智力是演化的產物,且受到環境的篩選?；谶_爾文進化論的進化心理學為探究人類心智提供了新的研究道路,進化取向的理論認為智力會提升物種生存和繁衍的機會(Calvin et al.,2017;Chen et al.,2019)。比如,西部灌叢鳥會采用多種復雜的策略來貯藏食物,來避免其他鳥類的偷竊(Clayton et al.,2007);斑鬣狗會根據族群內的等級來決定食物資源的優先級,并在競爭與合作中尋求平衡(Holekamp et al.,2007)。因此,智力作為一種適應器,在物種適應環境、繁衍與進化中起著舉足輕重的作用。

在智力的領域一般性與領域特殊性的爭論中,關鍵在于誰可以更好的解決自然環境中的適應問題。Cosmides(1994)認為在探索人類認知結構的過程中,有兩個問題需要考慮:一是關于可學習性,二是關于可進化性。進化會偏向于選擇有效率的生存問題解決方法,而越有效率的解決方式則會越發偏向專門化和領域特殊化,從而形成模塊系統(Anderson &Finlay,2014;Fodor,1983)。因此,進化心理學更偏愛模塊智力(領域特殊性智力)的存在,因為相比領域一般智力,模塊系統在物種進化過程中更具優勢。而在人類身上,也發現了與社會交換有關的領域特殊性智力(Cosmides et al.,2010)。

但模塊系統和領域一般性智力本身或許是共存的。Kaufman等(2011)發現人們會更容易解決與社會交換相關的問題,而一般智力又可以很好地解釋不同類型推理表現的個體差異,分別支持了進化心理學中的模塊系統和一般性智力。Burkart等(2017)認為,一個物種的認知能力包含生態認知技能和社會認知技能,主要由兩方面構建:一方面是由Fodor模塊直接產生的,另一方面則是由一般智力通過社會學習而逐漸自動化的二級模塊。這種一般智力是個體發育而來的,社會學習在其中也起到了重要作用。

2 智力的發展心理學研究

智力的進化研究證明了智力的可塑性。另一方面,個體視角下的智力發育也同樣體現出了智力的可塑性。個體認知發展的研究以皮亞杰主義為代表。皮亞杰理論認為,智力的本質是適應,強調機體與環境之間的平衡,而發展的前提條件是(神經系統)成熟與經驗。我們結合領域一般性智力和領域特殊性智力,回顧了不同研究者對智力的看法,總結了不同研究者個體發展階段的理論(圖1)。

圖1 皮亞杰和新皮亞杰學派對發展階段的劃分

有的研究者認為,存在領域一般性的智力。Halford等(1998)提出關系復雜性理論,用關系數量來衡量信息處理的容量,任務關系越復雜,加工要求越高;即認知負荷的增加實際上是關系復雜性的增加,不同發展階段的兒童可以處理的復雜性水平也不相同。Commons等(1998;2007)提出等級復雜性模型,描述在一組基本元素上必須執行的協同動作的循環次數,隨年齡增長的行為變化因為任務順序形成了逐漸復雜的層次。這種基于容量和效率提升而導致的認知發展變化,為領域一般性的智力的存在提供了支持。

與之針鋒相對的觀點認為,只存在領域特殊性的智力。Kamiloff-Smith(1992)提出表征重述(representational redescription)模型,認為兒童獲得知識的方式有三種:生來就有,與環境交互獲得和表征重述。生來就有的能力即Fodor模塊(Fodor,1983),這些模塊在適當的環境中就可以表現出來;在表征重述(提取嵌入進外部環境的知識進行重新編碼,使其變得靈活可操作)的作用下,這些無意識的模塊化過程逐漸發展成有意識的過程。Fischer(1980)也認為,發展是兒童與環境交互作用的產物,不同環境支持優先發展特定的技能,個體認知功能也必然不同;不同的認知領域可能處于不同的發展階段,即功能異質性。

模塊化和功能異質性在支持領域特殊性智力的同時,也為解釋一般認知能力的發展提供了相應的空間。Case(2013,1996)認為在個體發展中,存在一個一般的執行控制結構和一個特殊的核心概念結構。而個體認知能力差異主要體現在核心概念結構上,包括數量、空間、社交行為、敘述、音樂和運動。Demetriou的認知發展理論(2020)認為智力包含多種系統(推理,執行控制,意識審理和特殊領域),而可以橫跨這多種系統的機制被稱為AACog(alignment,abstraction,cognizance),分別指向三種獨立的過程,即對齊,抽象和審理。對齊是將目標刺激或表征聯系在一起,是一種整合機制。抽象是對感知或語義屬性信息的總結,為進一步對齊提供信息。審理反映了自我意識,為抽象和反應性的編碼提供新的表征。這些觀點將為領域一般和特殊性智力的共存提供了理論框架。

因此,從個體發展研究角度而言,一般智力是否存在是有爭議的問題,智力對應的認知結構及其發展也需要更多證據。同樣地,神經系統成熟和經驗如何共同作用于智力發展,目前尚未有系統研究。

3 智力的神經機制

進化心理學的研究說明智力是演化的產物,而個體發展研究提示智力發展的前提是神經系統的成熟,因此應當在個體層面表現出相應的神經基礎。來自對大腦神經機制的討論有助于進一步理解智力,并為一般智力是否存在這一問題提供來自神經生理層面的證據。因此,下文將分別闡述額頂整合理論(P-FIT,Parieto-Frontal Integration Theory)、多重需要系統(MD,multiple-demand system)和神經震蕩機制,以此說明一般智力的神經活動、智力的腦結構和功能網絡及對應的頻率特征。

3.1 額頂整合理論

隨著神經影像學的逐步發展,研究者們希望能在大腦中找到與智力密切相關的神經基礎。Jung等(2007)在總結以往與智力相關的腦結構和功能影像研究的基礎上,提出了額頂整合理論(P-FIT,Parieto-Frontal Integration Theory)。P-FIT認為以額葉和頂葉為核心的分布式腦網絡,包括背外側前額葉皮質、頂上葉、頂下葉、前部扣帶回、部分顳葉和枕葉、弓裝束等,可以解釋被試在智力和推理表現上的個體差異。

基于大腦結構的研究發現,P-FIT涉及腦區的灰質表面積和皮層厚度與智力表現存在明顯的關聯(Moodie et al.,2020;Yeo et al.,2016)。而基于大腦功能網絡的研究也發現,P-FIT涉及的腦區間的連通性和智力間存在強相關(Kim et al.,2016;Wang et al.,2011)。其他測量方法統合了大腦結構和功能的研究,同樣說明了腦智關系。在Gur等人(2021)的研究中,測量了被試的腦區體積、灰質密度、平均彌散度、腦血流、靜息態fMRI測量低頻波動振幅(ALFFs)和區域同質性,以及工作記憶和社會認知任務的激活情況。結果表明,更好的智力表現與更大的體積、灰質密度、低頻波動振幅、區域同質性均與P-FIT區域的激活有關,與更低的平均擴散系數和腦血流量有關。

總之,以額頂網絡為核心的分布式腦網絡強調了額頂區域對智力的一般性作用,但其分布式的特點也說明了智力的神經基礎的特殊性。

3.2 多重需要系統

在整合來自神經和認知結構證據的基礎上,Duncan等(2010;2013)提出了多重需要系統(multiple-demand system,MD)來描述智力的神經結構。各種領域的認知任務都會激活相同的腦區,即這些腦區被多種領域的認知活動所調用。Duncan等(2020)認為,MD系統內不同腦區的強聯通性可能代表了對注意內容的信息交換和認知整合,這也是MD系統的核心功能。

MD包含的腦區涉及側額葉(從額中回到前運動皮層)、前腦島及相鄰的島蓋部、背中線額皮層(包括前輔助運動區)、頂內溝及其相鄰腦區。伴隨的皮質下結構包括基底神經節、丘腦和小腦。MD系統主要涉及大腦額葉和頂葉聯合區,這個聯合區被認為是具有領域一般性的區域,被認為廣泛參與多種認知活動(Hugdahl et al.,2015),包括解決新異問題所必備的認知靈活性(Fedorenko et al.,2013),以及整合不同的認知操作成分(Assem et al.,2020)。

作為MD的核心區域之一,背外側前額葉本身顯示出了一定的功能異質性,即不同難度的任務在背外側前額葉會激活不同區域(Badre,2008)。此外,隨著負荷增大,MD系統的激活逐漸增加并且逐漸走向聯合(Shashidhara et al.,2019)。

MD系統被多種不同領域的認知活動所調用,不同認知活動激活腦區又存有差別,同樣體現了領域一般性和特殊性的特點。

3.3 智力的神經震蕩機制

大腦網絡是智力活動的神經生理基礎,這些腦區之間通過神經元群興奮性的周期性振蕩以支持智力活動。這種周期性振蕩對認知的影響主要體現在單一頻段(如theta,alpha)和不同頻段的耦合上。

單一頻段下的神經振蕩會對腦區協同產生一定的影響。如theta波被發現與智力之間有顯著的相關性(Heinrichs-Graham et al.,2022)。此外,靜息狀態下alpha頻段的腦網絡功能連通性與非言語智力也存在顯著的相關性(Zakharov et al.,2020)。

不同的神經震蕩與不同的腦區和認知功能有關,但又通過聯合來實現不同神經網絡之間的協同作用,集中體現為低頻與高頻震蕩的耦合。比如G?gol等(2018)發現在額葉中線和頂葉,delta震蕩的相位與gamma震蕩的幅值有明顯的耦合,并且這種耦合可以預測35%的流體智力的變異。而theta與gamma震蕩的耦合水平也表現出了與智力的相關性(Chuderski &Andrelczyk,2015;Pahor &Jau?ovec,2014)。有研究發現,在工作記憶任務的一連串刺激序列下,高頻的神經震蕩,如gamma節律可以對項目進行編碼變成神經單詞,編碼后的項目通過特定規則被低頻振蕩,如theta節律整合成神經語言(Buzsáki &Watson,2012;Lisman &Jensen,2013),反映了高頻震蕩編碼表征、低頻振蕩操作維持的機制。

因此,智力的神經研究逐步聚焦至神經網絡的協調作用,而非局限于局部腦區的活動,但目前尚未系統探索智力的神經發展機制,或者神經網絡發育如何影響智力發展的。

4 智力的干預

從種系發展和個體發展層面而言,智力受到神經成熟和經驗的影響。而神經具有可塑性,因此認知訓練有可能提升個體的智力表現。對認知干預方案及效果的回顧有助于我們明確智力的組成結構,理解智力的深層機制,并將理論推廣至實際應用。

4.1 干預方案

目前智力訓練主要集中于通過工作記憶和執行功能來提升智力表現。工作記憶訓練假設,工作記憶與智力的表現都受到相同的容量限制,而且工作記憶表現可以解釋一部分智力測量的變異,其訓練效果的遷移主要通過容量或加工效率的提升來實現(von Bastian &Oberauer,2014)。執行功能是調節和控制想法與行為的高級認知過程,包括抑制,刷新和轉換三個子成分,同樣可以預測智力表現(Brydges et al.,2012)。因此,當前的訓練方案大多基于工作記憶和執行功能,以及在此基礎上進行的神經干預和認知策略研究(表1):

表1 智力訓練常用任務及其作用機制效果

4.1.1 針對工作記憶和執行功能干預的常用任務

工作記憶訓練多采用n-back任務和復雜廣度任務。n-back任務包含維持和刷新兩個部分,對于個體任務表現都具有非常重要的作用。復雜廣度任務同樣測量工作記憶的容量(維持或存儲)。Conway等(2003)認為,工作記憶容量作為工作記憶的一般因素,不僅僅代表的是容量,而是反映了在面對干擾或分心時保持對信息表征的激活能力。因此,兩種工作記憶測量任務也都包含了對目標信息的維持。

執行功能的訓練以stroop任務和任務轉換范式為代表。stroop任務被經常用于研究執行控制過程,因為顏色和詞義間競爭導致必須抑制詞義,出現stroop效應。stroop和任務轉換范式分別對應執行功能中的抑制和轉換(Miyake et al.,2000),但這兩個任務所涉及的認知過程并不僅限于此。比如,任務轉換范式也涉及到對無關目標的抑制以及新目標的激活。有研究者認為,這些任務代表不同的執行過程,但執行過程有可能本身就是多重而非單一的(Kovacs &Conway,2016)。

4.1.2 腦刺激干預

除了采用任務訓練,非侵入式的腦刺激技術被廣泛認為具有增強認知的能力(Kronberg et al.,2017),特別是在工作記憶領域(Wang &Ku,2018)。在刺激類型上,經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)、經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)和經顱交流電刺激(transcranial alternating current stimulation,tACS)都表現出了較好的效果。以上非侵入式的腦刺激技術通過兩種方式影響神經系統活動:改變腦區的激活狀態,以及通過影響神經震蕩來影響神經元集群間的信息傳遞效率。

tACS和TMS會影響大腦皮層之間的交流效率,這一變化和神經震蕩密切相關(王鑫麟 等,2022)。不同腦區神經震蕩的耦合以及局部腦區的神經震蕩都會不同程度地參與認知過程。對不同腦區施加不同頻率的刺激,將會誘發不同的神經震蕩,進而對認知表現產生不同影響。如在額葉施加gamma頻段的tACS 會影響工作記憶和流體智力(Hoy et al.,2015;Santarnecchi et al.,2013)。同時,在頂葉施加theta頻段的tACS也表現出了相似的效果(Neubauer et al.,2017)。但大腦作為一個整體,對局部區域的刺激也會影響到與其相關的腦區。越來越多的證據表明,不同腦區神經震蕩的耦合對工作記憶表現有顯著的影響(Jones et al.,2020)。

盡管不同腦刺激技術和頻段干預機制與效果仍然不明晰,但非侵入式的腦刺激技術可能是通過調節神經震蕩來促進不同腦區之間的連接效率,進而提升認知表現。但最佳的刺激參數如刺激強度和頻次等,仍然有待探索。

4.1.3 基于策略的認知訓練

策略被定義為一種可以促進存儲和加工的技術。但策略訓練本身的有效性仍然存有爭議,策略中介假說和容量假說被用來解釋訓練的有效性(Peng &Fuchs,2017):策略中介假說認為,工作記憶容量有限,策略的使用可以釋放更多的認知資源以提高認知表現;容量假說認為,容量可以像肌肉一樣通過訓練得以提升。von Bastian等(2022,2014)也提出,認知訓練的收益來自兩個方面:容量(認知資源)和效率。

大量研究支持策略中介假說(Forsberg et al.,2020;Li et al.,2022),幾乎所有的認知訓練都會產生(內生或引導)的認知策略用以幫助解決面臨的問題,這個過程不僅使應對任務的認知資源更加寬裕,也提高了認知效率。學習的三元理論認為,元認知系統在接觸新任務時,會生成一些新的行為模式,這些行為模式本身涉及多樣的策略以減少任務中認知資源的投入(Chein &Schneider,2012)。一旦這些模式完全形成,元認知系統便會退出,由認知控制網絡執行整個過程。

但也有研究認為,策略中介和容量假說之間并不沖突(Forsberg et al.,2020)。因為策略訓練的效果僅僅局限在與訓練任務相似的任務范式中,并沒有遷移至其他認知能力(Pergher et al.,2020),說明策略只是影響訓練效果提升的其中一個因素。其次,基于容量假說訓練的神經影像結果較多出現在功能像而非結構像中,這或許意味著容量提升的神經可塑性沒有發生變化(von Bastian et al.,2022)。換而言之,雖然認知訓練的效果來自容量和效率,但容量的改變并沒有效率上的改變那么容易。

總而言之,以上的智力干預技術都主要集中在心理層面對容量和效率的提升上:工作記憶和執行功能的訓練效果,以及結合腦刺激的訓練的效果均體現在神經處理效率的變化,而策略訓練效果則更多體現在容量和效率兩個方面上。

4.2 干預效果

不論是對工作記憶還是對執行功能的訓練,對智力訓練的影響都沒有得到一致的結果:

4.2.1 干預有效

一方面,有大量研究支持認知訓練可以提升智力表現:

(1)行為研究中,已有大量研究證據表明認知訓練的有效性(Covey et al.,2019;Weicker et al.,2018)。但工作記憶的不同成分對智力的影響不同,其中存儲加工和執行控制的訓練更有助于提升個體的推理和創造性能力(von Bastian &Oberauer,2013)。

(2)電生理研究也證實了認知訓練的提升作用。4周的n-back訓練后,字母3-back任務中P3的增強(Covey et al.,2019),高干擾的n-back訓練也引起了頂葉P3的增加(Oelhafen et al.,2013)以及工作記憶訓練后theta波的增強(Langer et al.,2013),這可能與注意分配和目標分類的效率提升有關 。

(3)大腦結構像研究顯示,工作記憶訓練引起雙側額頂葉區和左側顳上回的體積減少(Takeuchi et al.,2011),右側梭狀回和外側眶額皮質皮層厚度的改變(Engvig et al.,2010),體現了神經可塑性上的變化。

(4)功能像研究中,5周n-back訓練導致額上回和和額中回、頂下回、前部扣帶回和顳中回等腦區的激活水平下降(Miró-Padilla et al.,2019)。類似的工作記憶訓練研究中也發現了額頂網絡激活水平下降的趨勢(Heinzel et al.,2016)。而除了額頂區域激活水平的改善之外,功能連通性的研究也同樣發現訓練后額頂網絡功能連通性的改善(Thompson et al.,2016)。

(5)非侵入式的腦刺激配合認知訓練的研究也提供了相關的證據。有研究表明,tDCS配合工作記憶訓練確實可以提高工作記憶的表現(Byrne et al.,2020)。有研究者認為,這種訓練效果會受到被試原本工作記憶容量(Assecondi et al.,2021)以及tDCS劑量(Nikolin et al.,2018)的影響。

4.2.2 干預無效

也有研究認為認知訓練的作用并不可靠:

(1)行為研究中,訓練青少年的執行功能,卻未發現流體智力的提升(Talanow &Ettinger,2018);工作記憶訓練也未顯示跨任務的遷移效應(Minear et al.,2016)。訓練結果存在爭議的原因可能在于:訓練任務本身特點、策略的使用和個體差異等。

(2)腦影像研究中,6周的工作記憶訓練后,發現上邊緣回的皮層厚度和體積在訓練前后差異顯著,但主要是由對照組而非訓練組的變化導致的,且經不起多重矯正,因此這種結果并不可信(Lawlor-Savage et al.,2019)。

(3)也有非侵入式腦刺激結合認知訓練的研究認為認知訓練是無效。訓練工作記憶和執行功能的同時輔以 tDCS,卻未發現這種訓練效果的收益(Nilsson et al.,2017),或者訓練的認知收益僅體現在近遷移上(Byrne et al.,2020)。Holmes等(2016)采用Transcranial random noise stimulation(tRNS)技術刺激背外側前額葉配合工作記憶訓練,也未發現這種訓練對智力有明顯的改善。

干預研究結果不一致,認知訓練是否有效仍然存在爭議,可能是由于以往研究的潛在假設為過程重疊理論(Beaver,2008):訓練任務的認知過程和智力活動的過程是相同的,因此訓練效果可以遷移到智力測量中。但訓練實際上只能改善與訓練任務相關的特定認知過程,這才導致眾多研究結果的矛盾。

Oberauer(2016)提出,流體智力的形成要素并非是認知過程,而是異質的認知系統的參數,可能包括:激活擴散網絡中源激活的數量,表征獨特性,反應選擇中積累的噪音,以及從工作記憶中移除無關信息的效率。因此,恰當的認知訓練應當考慮如何匹配被試當前認知參數,而非特定認知加工。

5 總結與展望

通過回顧進化心理學和發展心理學對智力的解釋,梳理相應的神經機制,發現智力的關鍵腦區集中在額頂網絡,且通過神經震蕩的耦合連接不同腦區,但是認知訓練并沒有顯示出一致的效果。為了加強認知訓練對智力的提升作用的理解,在未來研究中需要厘清以下問題:

(1)訓練任務范式的不統一。智力訓練任務范式繁雜,且任務本身所包含的成分與訓練的目標成分并不一致。但不管是多任務還是單一任務,都未能真正明確造成陽性或陰性結果的原因。今后對于訓練包含認知成分的探索有助于明確影響智力干預效果的因素。

(2)工作記憶和執行功能或是智力的必要不充分條件。無論是工作記憶還是執行功能都與智力息息相關,但似乎都不能直接促進智力的提升。這些基礎的認知過程缺乏信息整合與加工,缺乏經驗和先驗知識的支持。這可能是兩種認知訓練結果不一致的原因,因此有必要挖掘其他智力訓練方案。

(3)智力發展階段的影響(認知能力與神經系統的發育)。額頂網絡是智力的神經基礎,其中前額葉的發育從幼年持續至中年(35歲左右)。這也意味著在前額葉完全發育之前,智力仍然具有可干預性。當下研究的不一致可能有兩方面原因:一是隨著年齡的增長,神經可塑性逐漸下降。二是流體智力存在發展的關鍵期。但神經系統的發育研究不足,其如何影響認知能力發展也不清楚,因此需要神經系統縱向研究的深入。

(4)社會化程度對智力的影響。不論是進化心理學視角下物種存續策略,還是發展心理學視角下的個體發育,都表現出了社會化的屬性。這也意味著個體智力發展可能有賴于社會化程度,包括社會撫養和社會學習,有待后續研究關注社會化對智力發展的作用。