流体智力和工作记忆神经机制的同步变化－自然成长和认知训练的脑成像比较

Aim: To explore the synchronous change of the common neural mechanism shared by fluid intelligence (Gf) and working memory (WM). Method: To examine the longitudinal change ( within –person) from behaviour and brain imaging (fMRI) over 3 years (age’s span 12-16) in 144 teenagers, with a particular focus on specific sites，the volume of the white matter and the gray matter in frontoparietal network. Experiment 1: To examine the synchronous change of neural mechanism shared by Gf and WM in the natural development (without control); Experiment 2: To examine the synchronous change of neural mechanism shared by Gf and WM from n-back training; Experiment 3: To examine the synchronous change of neural mechanism shared by Gf and WM which from the training in relation reasoning. Hypothesis: The synchronous change will happen in all the three conditions, and mainly in frontoparietal network. Sinificance: To understand the relations between Gf and WM; To support the new scaffold for the challenging topic of how to improve the high cognitive abilities through training.

目的：探讨流体智力(Gf)和工作记忆（WM）神经机制的同步变化。方法：追踪144位青少年3年内（12－16）行为和脑成像（fMRI）结果的变化（被试内变化为主），且重点关注额顶皮层具体部位的激活和这两个区灰白质容积的变化。实验一：探讨无训练的自然成长过程中，Gf/WM神经机制的变化是否同步、同步发生在哪里；实验二：探讨n-back训练(以提高WM为目的)诱发的Gf/WM神经机制变化是否同步、同步发生在哪里；实验三：探讨关系推理训练（以提高Gf为目的）诱发的Gf/WM神经机制变化是否同步、同步发生在哪里。设计上，实验一的被试同时是实验二和实验三的对照组。实验假设：三种条件下都将产生较明显的同步变化，发生在额顶区。目标：建立Gf/WM的脑结构－脑功能－行为的同步变化模型，揭示其动态发展特点。意义：可增进对Gf和WM关系的理解，为通过干预来提高人类高级认知能力这一思路提供新的靶点。

背景和目的：流体智力（fluid intelligence，Gf）和工作记忆（working memory, WM）是人类思维的两项核心能力，本项目团队前期研究显示，二者密切联系。更新是工作记忆中中央执行系统的子成分，且更新训练（updating training）是一个较新的主题。那么，N-back训练作为更新训练的一个手段，能否诱发流体智力和工作记忆神经机制同步变化？以及能否诱发与之相关的其它多项认知能力的提升？这是本项目拟探讨的问题。方法：招募约60名儿童、60名青少年和150名青年群体，将他们分别分为训练组和对照组。对训练组开展一定周期的N-back训练，对对照组不做干预，作为自然成长，然后比较训练前后多项认知能力的变化（包括行为和脑电两个方面）。内容：探讨训练能否诱发流体智力和工作记忆神经机制同步变化，具体从多个人群和多种指标展开：第一, 探讨N-back训练的效果是否受训练周期和奖励机制的影响；第二，探讨N-back训练诱发的行为变化（儿童群体）；第三，探讨N-back训练诱发的行为变化（青少年群体）；第四，探讨N-back训练诱发的行为变化（青年人群）；第五，探讨N-back训练诱发的神经机制变化（青年群体）；第六，探讨“抑制”和“注意”的实验范式，为析因实验做准备。关键数据和重要结果：第一，N-back训练提高人的数列归纳推理能力，具体表现为：训练提高了数字识别能力、对低难度数列规则的保持与提取能力、对高难度推理数字关系的整体识别能力；第二，N-back训练提高了空间工作记忆、言语工作记忆和储存工作记忆，对工作记忆编码、保持和提取阶段都产生积极影响，主要表现为P300波幅显著增强。结论：N-back训练诱发了流体智力和工作记忆神经机制的同步变化，脑区位置体现了经典的顶-额整合理论（P-FIT）。意义：本项目追踪更新训练诱发的多项认知能力的变化，通过探讨正常人群训练效应诱发的神经机制变化，间接为智力或记忆受损者的非正常发展和其病理机制提供佐证，为通过干预来提高人类高级认知能力这一思路提供新靶点。