八个月大的卢卡斯·克朗米勒的头上刚戴上了一个装有 128 个电极的帽子，他大部分的头发都还没长出来。他面前的一位研究助理正疯狂地吹着泡泡来逗他开心。但卢卡斯看起来平静而满足。毕竟，自从他四个月大的时候起，他就反复来到罗格斯大学的婴儿研究实验室，所以今天的一切都很正常。他和过去 15 年来的 1000 多名其他儿童一样，正在帮助艾普丽尔·A·贝纳西奇和她的同事们找出，即使在最早的年龄，是否有可能确定一个孩子是否会在语言方面遇到困难，从而在刚上小学时成为一种沉重的负担。
贝纳西奇是采用大脑记录技术来理解学习基本过程的研究人员之一。神经教育这门新科学旨在寻找一直困扰着认知心理学家和教育家的问题的答案。
例如，新生儿处理声音和图像的能力与孩子几年后学习字母和单词的能力有何关系？幼儿在学前班保持精神集中的能力对以后的学业成功意味着什么？教育工作者可以做些什么来培养孩子的社交技能——这对课堂也很重要？这些研究可以补充心理学和教育研究项目已建立的丰富知识。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
它们还承诺为培养更优秀的学习者，以及为婴儿和幼儿做好阅读、写作、算术以及在幼儿园及以后复杂的社交网络中生存的准备，提供基于脑科学的新思路。这项工作的重点大多集中在生命最初几年和小学早期，因为一些研究表明，大脑在那时最容易发生改变。
顿悟瞬间
贝纳西奇研究的是最年幼的孩子感知声音的方式的异常现象，这是一种对理解语言至关重要的认知过程，而语言又是阅读和写作技能的基础。这位曾做过护士，后来又获得两个博士学位的人，专注于她所说的顿悟瞬间——大脑电活动突然转变，表明已识别出新事物。
在贝纳西奇位于新泽西州纽瓦克的实验室里，研究人员让卢卡斯和其他婴儿接触特定频率和持续时间的音调。然后，他们记录当播放不同频率时大脑中产生的电信号变化。通常，脑电图 (EEG) 轨迹会因这种变化而向下峰值——表明大脑基本上在说“是的，有什么东西改变了”；对不同音调的反应时间延迟意味着大脑没有足够快地检测到新的声音。研究发现，六个月大时这种迟缓的电活动模式可以预测三到五岁时的语言问题。在幼儿和学龄前儿童时期持续存在的活动差异可以预示处理语音基本单元感知过程中发生的快速转换的大脑回路发育问题。如果儿童在幼儿时期未能足够快地听到或处理语音成分——例如，“da”或“pa”——他们可能会在“拼读”书写字母或音节时滞后，这可能会在以后阻碍阅读的流畅性。贝纳西奇的其他研究表明，早期在处理这些声音时遇到问题的儿童，在八九年后的心理语言测试中表现不佳，这些最新发现为这些研究提供了更严格的证实。
如果贝纳西奇和其他人能够诊断出婴儿未来的语言问题，他们或许能够通过利用发育中的大脑固有的可塑性——其应对新体验而发生变化的能力——来纠正这些问题。他们甚至有可能改善大脑正常发育的婴儿的基本功能。她说：“确保大脑以最适合学习的方式建立起来的最简单时机可能是在第一年的前半部分。”
即使在婴儿床里玩游戏也可能是一个答案。贝纳西奇和她的团队设计了一种游戏，训练婴儿通过转头或转移视线（用跟踪传感器检测）来对音调的变化做出反应。当发生移动时，会播放一段视频片段，作为对良好努力的奖励。在去年年底报告的一项初步研究中，对婴儿进行的这种大脑训练，经过数周的练习，使一组 15 名健康婴儿对音调的反应速度比对照组更快。贝纳西奇希望她的研究将证实，这款游戏也可能帮助在处理这些声音方面有障碍的婴儿更快地做出反应。她已开始与一家玩具开发商商议，该开发商有兴趣创造一种可以放在家中婴儿床侧面的移动玩具，以训练婴儿感知快速的声音序列。
数字感
尽早锻炼认知能力也可能有助于婴儿调整基本的数学技能。斯坦尼斯拉斯·迪昂，法国国家健康与医学研究院的神经科学家，是数字认知领域的领导者，他一直试图开发帮助儿童解决早期数学难题的方法。婴儿从出生起就具备一定的数字识别能力。迪昂说，如果这项技能从一开始就没有到位，孩子以后可能会在算术和高等数学方面遇到困难。迪昂称之为“数字感”的干预措施，可以帮助学习较慢的学生避免在数学课上多年的困难。
这一研究方向与著名心理学家让·皮亚杰的研究相矛盾，皮亚杰认为，婴儿的大脑在婴儿床里进行计算时是一片空白，或者说是白板。皮亚杰认为，儿童必须通过多年的与积木、麦圈或其他物体的互动，才能逐渐形成数字的基本概念。他们最终会了解到，当小燕麦圈在桌子上被推来推去时，位置会发生变化，但数量保持不变。
神经科学界已经积累了大量研究，表明人类和其他动物具有基本的数字感。当然，婴儿不会从子宫里出来就在脑海中进行微分方程运算。但实验发现，幼儿通常会伸手去拿糖果数量最多的那排 M&M 豆。其他研究表明，即使是只有几个月大的婴儿也能理解相对大小。如果他们看到五个物体被藏在屏幕后面，然后又在第一组中添加了五个，当他们看到移除屏幕后只有五个物体时，他们会表现出惊讶。婴儿似乎也天生具有其他数学能力。除了是冠军级的估计者之外，他们还可以区分确切的数字——但仅限于三或四个数字。迪昂在精确定位大脑区域——顶叶的一部分（顶内沟）——方面发挥了重要作用，数字和近似数量就表示在那里。（将手放在头顶后部以定位顶叶。）
估计群体大小的能力，也存在于海豚、老鼠、鸽子、狮子和猴子身上，这可能是一种进化遗留物，用于衡量你的氏族在面对敌人时应该战斗还是逃跑，以及确定哪棵树上的果实最多，以便采摘。迪昂与法国国家科学研究中心的语言学家皮埃尔·皮卡和同事一起，通过对巴西亚马逊地区的蒙杜鲁库印第安人的研究，发现了更多关于这种本能能力的证据，蒙杜鲁库部落的数字词汇非常初级。它的成年成员可以分辨出一组点是否比另一组点大，其表现几乎与法国对照组一样好，但大多数人无法回答从六个物体中移除四个物体后还剩下多少个物体。
这种近似系统是构建更复杂数学的基石。这些先天能力的任何缺陷都可能在以后造成麻烦。在 20 世纪 90 年代初，迪昂假设儿童在他们内部的棒球场估计系统的基础上，随着年龄的增长进行更复杂的计算。事实上，在过去的 10 年里，许多研究发现，幼儿原始数字估计系统的功能受损可以预测孩子在小学及以后的算术和标准数学成绩测试中表现不佳。迪昂说：“我们现在意识到，诸如算术之类的领域的学习必须建立在婴儿期已经具备的某些核心知识之上。”
事实证明，计算障碍（相当于阅读障碍的计算障碍），以计算技能滞后为标志，影响着 3% 到 6% 的儿童。与阅读障碍相比，计算障碍受到的教育工作者关注要少得多——但它可能同样具有破坏性。《科学》杂志 5 月下旬发表的一篇评论文章指出：“他们收入更少，消费更少，更可能生病，更可能触犯法律，并且在学校需要更多帮助。”
与语言一样，早期干预可能会有所帮助。迪昂和他的团队设计了一个简单的电脑游戏，他们希望这款游戏能够提高数学能力。这款名为“数字竞赛”的游戏锻炼了四到八岁儿童的这些基本能力。在一个版本中，玩家必须在电脑控制的对手偷走最大一堆金币之前，选择两堆金币中较大的一堆。这款游戏会自动适应玩家的技能，在更高的级别，孩子必须在进行比较以确定最大一堆金币之前，对金币进行加法或减法运算。如果孩子获胜，她将向前迈进相当于刚刚赢得的金币数量的步数。第一个到达虚拟游戏板上最后一步的玩家获胜。
这款开源软件已被翻译成八种语言，并没有对大脑训练的好处做出夸大的声明。即便如此，已有超过 20,000 名教师从芬兰一家政府支持的研究机构下载了该软件。如今，它正在几项对照研究中进行测试，以查看它是否能预防计算障碍，以及是否能帮助健康儿童增强其基本的数字感。
控制自己
良好学习的认知基础在很大程度上取决于心理学家所说的执行功能，这个术语涵盖了诸如注意力集中、将刚刚看到或听到的内容保存在工作记忆的精神草稿纸中以及延迟满足感等认知属性。这些能力可以预测在学校甚至在工作领域取得成功。1972 年，斯坦福大学进行了一项著名的实验——“这是一块棉花糖，如果你在我回来之前不吃这块，我再给你一块”——这表明了执行功能的重要性。能够等待的孩子，无论他们多么想要这种零食，在学校和以后的生活中都表现得更好。
在过去的 10 年里，专家们逐渐接受了将执行功能视为一种可教授的技能的观点。一项名为“思维工具”的教育课程在一些低收入学区取得了成功，与高收入学区相比，这些学区的儿童通常在学业上表现不佳。该计划训练儿童抵制诱惑和干扰，并练习旨在增强工作记忆和灵活思维的任务。在一个自我调节任务的例子中，孩子可能会大声告诉自己该怎么做。这些技术可能非常强大，以至于在高等教育中心，经济学家现在正在考虑公共政策措施来提高自我控制能力，以此作为“提高人口的身心健康和经济健康以及降低犯罪率”的一种方式，一篇发表在 2 月份《美国国家科学院院刊》上的研究报告的作者指出。
神经科学实验室的发现最近证实了这一观点，并揭示了抵制隐喻性棉花糖的练习的枯燥乏味可能是不必要的。音乐训练也可以奏效。与《虎妈战歌》的观点相呼应，他们发现勤奋地练习乐器可能会在课堂上获得回报，这与“虎妈”作者蔡美儿的理由类似，她坚持让女儿们花大量时间练习小提琴和钢琴。练习乐器似乎可以提高注意力、工作记忆和自我控制能力。
提供这些发现的一些研究来自西北大学尼娜·克劳斯领导的一个神经科学家小组。克劳斯是该校听觉神经科学实验室的负责人，她在多元化的家庭声音环境中长大。她的母亲是一位古典音乐家，用她的母语意大利语与这位未来的神经科学家交谈，克劳斯至今仍然弹钢琴、吉他和鼓。她说：“我喜欢它——它是我生活的重要组成部分，”尽管她认为自己“只是一个蹩脚的音乐家”。
克劳斯使用脑电图记录来测量神经系统如何编码音乐作品的音高、节奏和音色——以及练习音乐所产生的神经变化是否能改善认知能力。她的实验室发现，音乐训练可以增强工作记忆，也许最重要的是，可以使学生成为更好的倾听者，使他们能够从有时在课堂上普遍存在的众人喧哗的气氛中提取语音。
将音乐训练作为大脑补品仍处于起步阶段，关于究竟哪种类型的练习可以增强执行功能，仍有许多问题尚未解答：弹钢琴还是吉他，或者音乐是由莫扎特还是披头士创作的，重要吗？至关重要的是，音乐课是否会对有学习困难或来自低收入学区的学生有所帮助？
但克劳斯指出，有轶事证据表明，音乐训练的影响甚至延伸到了文化课。和谐计划为洛杉矶的低收入青少年提供音乐教育。近年来，数十名学生高中毕业并继续上大学，通常是他们家中第一个这样做的人。
该计划的创始人玛格丽特·马丁邀请克劳斯使用她的脑电图传感器和声音处理软件的移动版本来测量音乐如何影响该计划中的儿童。这位蹩脚的音乐家毫不掩饰地倡导吉他胜过大脑游戏。克劳斯说：“如果学生必须在据称可以提高记忆力的电脑游戏和乐器之间选择如何度过他们的时间，在我看来，毫无疑问，哪一个对神经系统更有益。”“如果你试图复制吉他前奏，你必须把它记在脑子里，并通过艰苦的练习一遍又一遍地尝试重现它。”
炒作警报
随着对“四个 R”（传统的三个 R 以及冲动调节作为第四个 R）成功背后的脑机制的研究继续进行，许多参与神经教育的科学家都在努力避免过度炒作他们正在测试的干预措施。他们渴望将他们的发现转化为对儿童的实际帮助，但他们也很清楚，这项研究还有很长的路要走。他们也知道，教师和家长已经被大量未经测试的增强学习的产品所轰炸，并且一些备受吹捧的工具已被证明令人失望。
例如，几年前，围绕着仅仅听莫扎特奏鸣曲就能让婴儿更聪明的观点，一个小产业发展起来，但这种观点未能经受住进一步的审查。克劳斯的研究表明，为了获得任何益处，你必须实际演奏乐器，锻炼大脑的听觉处理区域：你练习得越多，你区分声音细微差别的能力就越强。仅仅听是不够的。
同样，即使是一些声称对其有效性有可靠科学证据的大脑训练技术也受到了质疑。《儿童心理学与精神病学杂志》3 月刊发表的一项荟萃分析回顾了可能最著名的大脑训练方法——由罗格斯大学的保拉·A·塔拉尔、加利福尼亚大学旧金山分校的迈克尔·默泽尼奇及其同事开发的名为 Fast ForWord 的软件的研究。分析发现，没有证据表明该软件在帮助有语言或阅读障碍的儿童方面有效。与塔拉尔的前博士后研究员贝纳西奇使用的方法一样，该软件试图改善可能导致学习问题的声音处理缺陷。该荟萃分析引发了该软件制造商 Scientific Learning 的强烈反驳，该公司声称选择标准过于严格，分析中的大多数研究实施不力，并且该软件自研究进行以来已得到改进。
陈词滥调——需要更多的研究——广泛适用于神经教育领域的许多努力。迪昂的数字游戏在获得广泛接受之前仍需要进行微调。最近一项对照研究表明，该游戏帮助儿童比较数字，尽管这一成就并未转化为更好的计数或算术技能。正在发布一个新版本，研究人员希望该版本能够解决这些问题。另一项发现质疑音乐训练是否能提高执行功能，从而提高智力。
在一个新兴领域，一项研究常常与另一项研究相矛盾，紧随其后的是第三项研究，反驳前两项研究。这种曲折的轨迹是所有科学的基础，有时会导致过度夸大的说法。在神经教育领域，教师和家长有时会成为“基于科学”的软件和教育计划广告的受害者。新泽西州高地公园特殊教育机构中心学校的数学教师黛博拉·雷布洪说：“这令人困惑。这令人困惑。”该机构接收来自全州公立学校的学生。“我不知道该尝试哪种方法。而且没有足够的证据可以向校长证明某种方法有效。”
学前微调
那些整天思考脑电图波形和磁共振成像中的复杂数字模式的科学家们意识到，他们尚无法为改善学习提供明确的基于神经科学的处方。然而，这项工作正在引导人们展望可能的未来，也许是为了 Z 世代或其后代。考虑一下参与哈佛大学和马萨诸塞理工学院合作项目的神经科学教授约翰·D·E·加布里埃利的观点。在 2009 年《科学》杂志上发表的一篇评论文章中，加布里埃利推测，最终，基于大脑的评估方法，结合传统测试、家族史，甚至可能是基因测试，可以在六岁时检测出阅读问题，并允许进行密集的早期干预，这可能会消除学龄儿童中的许多阅读障碍病例。
一项研究已经发现，幼儿园儿童的脑电图比标准心理测量更能预测五年级学生的阅读能力。通过进行脑部监测并结合标准方法，每个孩子都可以在入学前接受评估，如果需要，可以根据当今从神经科学实验室涌现的发现，接受补救性培训。如果加布里埃利的愿景成为现实，脑科学可能会赋予个性化教育的概念全新的意义——一种甚至在孩子踏入教室之前就增强学习能力的意义。