近似数量系统在数学加工中作用的认知与脑机制研究

The relations between approximate number system (ANS) and mathematical processing is a hot topic in the area of mathematical cognition, and even in the broader areas of cognitive science and psychological science. It was listed as one of the top 10 critical issues in economics, psychology and other disciplines in social science according to the report issued by the National Science Library affiliated to Chinese Academy of Sciences. However, the underlying cognitive and neural mechanisms for the close relation between ANS and mathematical processing are not clear. A “form perception hypothesis” mainly based on our recent three studies (2015) on the relation between ANS and arithmetic computation is proposed in the current program. The effects of visual attributes and the effect of temporal attribute of visual stimulus would be systematically investigated. The universality of form perception hypothesis in mathematical processing and even in the whole cognitive processing would also be examined. We expected that the form perception hypothesis holds for children and adults. Corresponding to the close relation between ANS and mathematical processing in behavior, the common neural responses among ANS, mathematical processing and form perception would be observed. We also apply intervention approach based on the form perception hypothesis to explore how to promote mathematical processing for dyscalculia children and healthy adults.

近似数量系统与数学加工的关系研究是近十年来数学认知领域甚至认知科学、心理科学领域的热点之一，中国科学院文献情报中心将其列入2015年度经济学、心理学及其他社会科学领域的10大前沿问题。近似数量系统与数学加工紧密关系的认知与脑机制尚未解决。本申请基于他人和申请人相关工作提出“形状知觉假设”，从认知行为、大脑活动和数学能力干预三个角度论证形状知觉如何在近似数量系统与数学加工中发挥作用。拟从形状加工的视觉与时间属性、对数学加工的普适性、领域一般性及发展等角度探讨认知机制，从近似数量系统、一般形状、点阵视觉属性、字母、数字、汉字、算术计算等神经活动模式的关联中揭示脑机制，尤其关注枕叶相关脑区（如外侧枕叶联合体）的作用，通过形状知觉行为训练干预计算障碍和经颅直流电刺激提高成人计算能力，检验形状知觉假设合理性和探索实践方案。

近似数量系统在数学加工中的作用曾被评为世界经济学、心理学及其他社会科学领域的10大研究前沿问题，然而两者关系的认知与神经机制仍待探讨。本项目包含三大研究内容：①近似数量系统在数学加工中作用的认知机制探讨，②近似数量系统在数学加工中作用的脑机制探讨，③基于近似数量系统形状知觉假设的计算能力促进研究。从行为机制、脑机制和干预方案三个角度进行研究，均获得了一定的研究进展:.第一、形状知觉是近似数量系统作用于算术流畅性的认知基础。本课题研究发现，只有依赖视觉形状感知的视觉空间过程才能促进近似数量系统和算术流畅性(Zhang et al., 2019)。三年纵向追踪的研究表明控制形状知觉以后，近似数量系统敏锐度不能预测儿童3年后的数学成绩(Zhou et al., 2020)。.第二、形状知觉是数学和语言阅读共同的认知基础。本课题组关于计算障碍和阅读障碍的研究也发现，视知觉障碍是这两者的共同基础认知缺陷(Cheng et al, 2018)。并且，视觉形状知觉能力可以解释近似数量系统加工对语言加工和数学加工能力的作用(Cui et al., 2019)。.第三、形状知觉是数量加工训练干预计算障碍的认知基础。本课题组一项针对计算障碍儿童的干预研究发现，短期的视觉形式的非符号数量加工训练可以显著提升计算障碍儿童的算术流畅性，而视觉形状知觉是训练效应的认知基础(Cheng et al., 2020)。.第四、枕叶的形状知觉加工成分是近似数量系统与数学流畅性关联的神经机制。使用ERP技术和基于单试次(Zhou et al., 2018)的脑与行为相关分析方法发现，非符号数量比较、计算在枕叶诱发的形状知觉加工N1成分与自身的行为表现相关，且计算在枕叶诱发的N1成分与近似数量系统敏锐度和形状知觉能力表现出一致的相关。以上发现从神经机制层面说明近似数量系统在算术计算中的形状知觉加工作用(Li, Cheng, Lu & Zhou, 2020)。.以上结果挑战了“近似数量系统作用于数学能力的内在机制是因为两者都需要对数量本身进行加工”的观点，充分表明形状知觉是近似数量系统与数学成绩纵向发展相关联的潜在认知与神经机制。