【背景分析】
學習過程中，我們的大腦是如何運作的?如果能對學習過程中大腦運作方式進行了解，并實施積極干預，提高學習能力就成為可能。
【研究進展】
2018年和2019年，來自德國圖賓根大學的研究團隊，在《Scientific Reports》和《Developmental Neuropsychology》(發(fā)育神經心理學)上發(fā)表了兩篇研究報道，對學生在數(shù)學學習過程中，大腦的運作方式進行了全面的分析。
【研究過程】
研究團隊在當?shù)匦W選取了24名五年級的學生(女生9名，男生16名)，進行乘法計算測試。測試通過專門的軟件進行，方法如下圖所示：
如上圖所示，屏幕下方為需要計算的題目(如13X4)，學生需要從上面3X4，共12個方格的數(shù)字中，選出正確的答案。選錯、或者沒有在規(guī)定時間內選出答案，都不得分。測試共96道題目，16道為一組，共進行6組測試，每組中間進行短暫休息。同時，在測試過程中，記錄學生腦電(EGG)變化情況。
如上圖所示，記錄了學生在測試過程中，腦電的數(shù)據(jù)變化。其中紅色表示升高，藍色表示降低。
ERD代表事件相關去同步化，它表示大腦某一皮層區(qū)域活躍起來, 特定頻率的節(jié)律性活動表現(xiàn)為幅度的降低;ERS代表事件相關同步化，它表示在大腦靜息、或者惰性狀態(tài)，表現(xiàn)出明顯波幅增高。ERS升高、ERD降低，有助于增加θ波段的大腦活動。
如上圖所示，記錄了24名學生，第1組至第6組測試中，計算用時和平均錯誤率的變化情況。可以看出，隨著大腦4-7Hz的theta(θ)波段功率的增加，測試中計算錯誤率呈現(xiàn)下降趨勢;研究團隊判斷，這種變化，即大腦theta(θ)波段功率的增加，提高了學生相關腦區(qū)的執(zhí)行功能、信息檢索能力，進而提高了計算的準確率。
這項結果也驗證了該團隊在前一年(即2018年)針對兒童和成人在數(shù)學計算中，大腦運作方式區(qū)別的研究。當時發(fā)現(xiàn)：在乘法計算測試中，成人大腦theta(θ)波段功率、alpha(α)波段功率都出現(xiàn)了增加;而兒童大腦只有theta(θ)波段功率明顯增加，說明成年人和兒童，在處理數(shù)學問題時，大腦運作方式是不同的。
【提升學習能力的研究】
近年來，關于通過tDCS提高數(shù)學計算能力、提高記憶能力(如記憶單詞等)的研究發(fā)現(xiàn)，tDCS促進學習，主要通過以下三方面的影響來實現(xiàn)：
1、降低大腦中起抑制作用的神經遞質—γ-氨基丁酸的水平，而γ-氨基丁酸已經被證明和學習呈現(xiàn)負相關;
2、通過改善突觸連接，提高神經可塑性，以此來改善學習;
3、通過增加腦源性神經營養(yǎng)因子(BDNF)的分泌，保護大腦皮層神經元細胞。
tACS可以看作是tDCS的一種特殊版本，它將電流設置為在電極之間呈正弦波動(即交流電)，而不是顯示出恒定的極性(即直流電)。tACS對于學習、記憶能力的影響，主要通過theta-gamma交叉頻率耦合機制實現(xiàn)。
如上圖所示，是德國奧爾登堡大學兩位教授，研究tACS對短時記憶的影響，發(fā)現(xiàn)在gamma(γ)波為42Hz的情況下，theta(θ)波從7Hz降低到6Hz，學生的短時記憶能力得分從6分提升到了7分，這也在他們后面試驗中得到了驗證。
【研究結論】
tDCS和tACS都屬于無創(chuàng)腦刺激技術(NIBS)，以往由于他們的作用機制不同，干預方式不同，限制了相關產品的開發(fā)。隨著技術的進步，目前已經可以將tDCS和tACS、以及CES(經顱微電流)等進行集成，整合在一臺設備上，(tDCS和tACS最大的區(qū)別，就是電流的輸出形式不同)國外相關設備已經問世，并在醫(yī)療、教育、健康等領域得到了廣泛應用。
【參考文獻】
Soltanlou M, Artemenko C, Ehlis A C, et al. Reduction but no shift in brain activation after arithmetic learning in children: a simultaneous fNIRS-EEG study[J]. Scientific reports, 2018, 8(1): 1-15.
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