从儿童到成人数学发展过程中记忆回路的因果动态机制研究

本研究针对数学认知中记忆系统与其他脑区因果交互动态及其发展变化机制尚不明确的问题，由斯坦福大学精神病学与行为科学系Ruizhe Liu等学者开展了一项fMRI研究。通过采用多元动态状态空间识别(MDSI)模型分析儿童与青少年/年轻成人(AYA)在执行算术及符号/非符号数字比较任务时的脑网络交互，发现内侧颞叶(MTL)在AYA中成为跨任务的因果信号枢纽，而角回(AG)在算术任务中保持稳定的枢纽特性。研究揭示了MTL从儿童期的高度情境依赖性交互向成年期稳定因果枢纽的发育转变，为理解数学认知的神经机制发展提供了重要见解。

　　

数学能力是人类认知发展的重要组成部分，但大脑如何支持数学思维的发展仍存在许多未解之谜。传统研究多关注顶叶和额叶区域在数学认知中的作用，然而越来越多的证据表明，记忆系统在数学加工过程中扮演着关键角色。特别是内侧颞叶(medial temporal lobe, MTL)和角回(angular gyrus, AG)这两个记忆相关脑区，它们如何与其他脑区互动以支持数学认知，以及这种互动如何随发展而变化，至今仍是未知领域。

以往研究存在明显局限性：功能磁共振成像(fMRI)研究大多关注脑区激活模式而非因果交互；颅内脑电图(iEEG)研究虽然能提供高时间分辨率数据，但受限于空间覆盖范围和样本量；更重要的是，不同数学任务（如算术与数字比较）和不同发展阶段（儿童与成人）的脑网络动态差异尚未得到系统研究。

为填补这些研究空白，斯坦福大学研究团队开展了一项创新性研究。他们采用多元动态状态空间识别(multivariate dynamic state-space identification, MDSI)模型，这一先进方法能够同时估计多个脑区间的定向因果影响，并考虑不同脑区的血流动力学响应函数差异。研究招募了32名7-9岁儿童和46名14-21岁青少年/年轻成人(adolescents and young adults, AYA)，所有参与者均完成三种fMRI任务：算术验证、符号数字比较和非符号数字比较任务。

研究人员首先通过逻辑回归分类器分析发现，儿童与AYA在数学相关脑网络中的动态交互模式存在显著差异，这种差异在算术任务中最为明显（解码准确率达76.97%），表明网络动态的发展变化具有任务依赖性。

关键发现是MTL和AG这两个记忆相关脑区表现出截然不同的发展轨迹。在AYA组中，左侧MTL在所有三种数学任务中都充当因果信号枢纽，表现出显著的正向净流出度(net outflow degree, NOD)，即该脑区向其他脑区发送的因果影响大于接收的影响。然而在儿童组中，MTL并未表现出显著的枢纽特性，其因果交互呈现高度情境依赖性。

进一步分析揭示了一个有趣现象：儿童MTL实际上表现出双向交互增强，即流出和流入都显著高于AYA组，导致净流出度降低。这种"高度信号"状态可能反映了儿童期神经回路的不成熟和可塑性，随着发展逐渐 refined 为更高效、定向的信息流模式。

与MTL的发展变化不同，左侧AG表现出稳定的任务特异性：在算术任务中，它在儿童和AYA中都保持因果枢纽地位，但在符号和非符号数字比较任务中则不显示枢纽特性。这表明AG可能更专门地支持算术事实提取等过程，而这种功能在发育早期就已建立。

研究人员还通过节点中介中心性(betweenness centrality)分析发现，左侧MTL在儿童中具有更高的中心性，进一步支持了其在发展早期的重要作用。

最后，脑行为关联分析显示，左侧MTL和AG的枢纽特性与个体的数学成就存在显著相关，这种关联在算术任务中最为突出。值得注意的是，在儿童组中，这种脑行为关联在所有任务中都显著，而在AYA组中则不显著，可能反映了发展过程中脑网络组织与行为关系的动态变化。

这项研究的重要意义在于首次系统地揭示了数学认知中记忆回路的因果动态及其发展机制。研究发现MTL从儿童期的高度双向交互转变为成年期的稳定因果枢纽，反映了declarative memory系统在数学认知中作用的发育成熟；而AG则保持算术特异的稳定枢纽功能，可能专门支持semantic memory检索过程。

这些发现对理解典型和非典型数学发展具有重要启示，为针对不同发展阶段和记忆系统的数学教育干预提供了神经科学依据。研究采用的MDSI方法为研究发展性认知神经科学问题提供了强大工具，未来可应用于数学学习困难等发展性障碍的研究。

该研究发表于《Developmental Cognitive Neuroscience》，通过多任务、多年龄组的设计，全面描绘了数学认知神经机制的发展轨迹，为发展认知神经科学领域做出了重要贡献。