高功能自闭症学龄儿童的近似数量系统处理能力：来自事件相关电位研究的行为与神经学证据

《Neuropsychologia》：Approximate number system processing in school-age children with high-functioning autism: Behavioral and neural evidence from an event-related potential study

　　摘要
背景
近似数系统（ANS）是数学发展的基础，但在自闭症谱系障碍（ASD）儿童中，其特点和神经机制仍不清楚。尽管ASD患者常见数学困难，但非符号数量处理缺陷是否对此有贡献以及感知因素如何调节这种处理仍需研究。本研究通过检查感知分组（连通性）是否对高功能自闭症（HFA）儿童与正常发育（TD）儿童的ANS处理产生差异，来评估弱中心一致性（WCC）和执行功能障碍（EDF）两种自闭症解释理论。

方法
29名学龄儿童（14名HFA，15名TD）在年龄、智商和工作记忆上匹配后，完成了点阵比较任务，并在进行脑电图（EEG）记录。实验操作了数值比率和感知分组（连通性），以观察其对行为准确性和ERP成分（N1、P2、P3）的影响。这种设计旨在通过测试感知分组线索是否在HFA和TD儿童中对ANS处理产生差异，从而评估两种竞争性的自闭症解释理论——WCC和EDF。

结果
从行为上看，HFA儿童的准确率低于TD儿童，且准确率受到数值比率和连通性的显著影响。补充的组间方差分析（GLMM）还显示了组×比例的交互作用，这种组间差异集中在低比率条件（即数值分离更大、区分更容易）下。从神经学角度看，HFA儿童在核心数量处理过程中表现出增强的前额P2波幅（在没有连线的情况下），这表明他们在数量估计时可能存在非典型的注意力或认知控制机制。感知分组在两组中的早期注意力分配（N1波幅）调节作用相似。

结论
HFA儿童表现出行为上的ANS敏锐度受损和非典型的神经激活模式。这些发现表明，HFA儿童的ANS处理在行为和神经层面上都受到影响，但并未受到感知分组的差异性调节。组×连通性的交互作用缺失支持WCC解释；相反，HFA儿童ANS准确率降低和P2反应增强的总体模式更符合EDF框架，表明在ANS处理过程中有更多的神经激活。结果为理解自闭症儿童的数学学习困难提供了神经处理效率低下的证据。

引言
自闭症谱系障碍（ASD）是一种神经发育障碍，其特征是社交沟通持久性挑战以及存在受限、重复的行为模式（美国精神病学协会，2013年）。在中国，ASD的估计患病率约为7‰（Zhou等人，2020年），其中被诊断为高功能自闭症（HFA）的比例显著增加，这些儿童表现出正常范围内的智力能力（Hu等人，2023年）。当这些儿童在普通学校接受教育时，他们的数学能力发展值得特别关注（Tonizzi和Usai，2023年）。
数值认知包括非符号数量处理和符号数字处理（Aagten-Murphy等人，2015年）。近似数系统（ANS）是非符号量化的核心机制，通常通过点阵比较任务进行评估。任务表现受数值比率效应的影响，即随着数量之间比率的增加（例如，比较10 vs 20比10 vs 11更容易），区分准确性提高（Defever等人，2011年）。数值比率效应与数值距离效应密切相关，但概念不同：前者关注两个数量的相对大小，而后者具体指它们的绝对数值分离。相关大小效应描述了在控制数值距离和其他相关因素后，较大数量的区分能力较差。尽管这些效应在近似数表示模型中紧密相关，但它们不可互换。由于本研究在控制相关非数值视觉属性的同时操作了数值比率，因此此处主要考察的是数值比率效应。当前设计未独立操作总体数量，因此未直接测试大小效应。
除了数值比率外，感知组织也会影响数量判断。值得注意的是，当点阵中的点通过线条连接时，个体会系统性地低估数量。这种“连通性效应”被认为与改变单个项目感知组织的视觉分组过程有关（Anobile等人，2017年）。
先前的研究一致揭示了自闭症个体在视觉任务中的局部处理偏见，表现为他们更擅长检测嵌入图案（Plaisted等人，1999年）和在视觉搜索任务中的表现增强（Happé和Frith，2006年）。这一倾向通常用弱中心一致性（WCC）理论解释，该理论认为自闭症个体更关注局部细节而忽视全局配置（Shi等人，2015年）。Pomè及其同事（2022年，2023年）将这一框架扩展到数值认知领域，发现具有高自闭症特征的神经典型成人对连通性效应的敏感性较低。这一发现表明，自闭症个体在ANS任务中可能同样受到全局分组线索的干扰减少。然而，另一种解释来自执行功能障碍（EDF）理论，认为自闭症个体在抑制控制方面存在困难（Just等人，2007年）。面对带有连接线的点阵时，由连线形成的显著全局格式可能对抑制过程产生更大需求，从而难以抑制这种非数值的感知线索。迄今为止，这些来自不同理论的解释在自闭症儿童的ANS处理中的有效性尚未得到系统测试。

关于数值处理的电生理和神经影像学研究传统上集中在顶叶区域的成分和激活上（Libertus等人，2007年），但也有证据表明前额区域的关键作用（Harvey和Dumoulin，2017年；Zhang等人，2019年）。值得注意的是，顶叶和前额皮层在数量处理中的贡献并非固定不变，而是随着发育而发生变化（Lussier和Cantlon，2017年；Nieder和Dehaene，2009年）。在成人中，数值处理主要涉及双侧顶叶皮层，特别是左侧下顶叶叶（IPL），前额参与相对较少（Chochon等人，1999年；Sokolowski等人，2017年）。相比之下，学龄儿童表现出双侧前额-顶叶网络的激活，其强度与早期数学技能的发展相关（Jolles等人，2016年；Metcalfe等人，2013年）。即使是在学龄前儿童中，这种前额参与模式在非符号数值任务中也很明显（Zhang等人，2019年）。总体而言，这些发现表明，与成人不同，儿童在进行数值处理时依赖一个更广泛的神经网络，包括顶叶和前额区域。

与ANS处理相关的关键事件相关电位（ERP）成分包括N1和P2。N1是一个在刺激后约150毫秒达峰的负波，参与空间注意力的分配和维持，并受刺激格式和大小的影响（Hillyard和Anllo-Vento，1998年；Hyde和Spelke，2012年）。N1成分的调节随后会影响P2（Libertus等人，2007年）。P2是一个通常在200至300毫秒间达峰的正波，与数值处理密切相关。例如，来自顶枕区和顶内沟（IPS）的P2活动与数量估计和比较相关（Dehaene，1996年；Pinel等人，2001年）。ERP研究成功捕捉到了ANS数值比率效应的神经相关现象（即，当两个数量之间的比率接近1时，区分准确性下降，使得数值更接近的集合更难以区分）。Libertus等人（2007年）报告称，带有不利（即较大）数值比的非符号数值比较在枕颞区引发了增强的P2波幅。此外，较大的被试内数值比率效应——表现为容易和困难比率之间的表现差异更大——表明数值处理不够精细，并与P2波幅的更大差异相关（Dietrich等人，2015年；Liu等人，2020年）。值得注意的是，与数值区分相关的P2反应在成人和4岁儿童中都可靠观察到，这种神经特征对数值处理具有特异性，且不受非数值视觉属性变化的影响（Cantlon等人，2006年；Piazza等人，2004年）。

迄今为止，只有有限的研究直接考察了自闭症个体的ANS处理神经相关因素。Meaux等人（2014年）使用脑磁图（MEG）研究了14名自闭症成人和年龄匹配的TD对照组对随机排列或形成连贯形状（如动物）的点阵数量（80-150个点）的估计。行为上，两组之间没有观察到显著的估计准确性差异；然而，TD组的表现在点阵的空间配置上受到影响，而自闭症组则未受此影响。神经生理学上，源强度分析显示两组在时间、顶叶和前额区域存在明显的时空动态差异。具体而言，在80-120毫秒时观察到视觉区域的早期差异（TD > ASD），随后在120-400毫秒时时间区和顶叶区出现组间差异。400毫秒后，仅TD组中检测到前额源。作者得出结论，时间激活对点阵配置的差异敏感性以及ASD组的功能异常可能与全局感知异常有关。在后续使用相同范式和参与者的MEG研究中，Bangel等人（2014年）报告称，当点阵形成全局形状时，自闭症组表现出长距离β波段相位同步减少。这种早期的任务依赖性全区域连接性降低涉及枕叶、顶叶、颞叶和前额区域。这些发现表明，自闭症个体在提取数值任务中的有意义全局配置时可能存在沟通障碍。

虽然数值处理和视觉处理本质相关，局部处理偏见是自闭症视觉感知的明显特征（Happé和Frith，2006年），但关于自闭症群体的视空间处理的研究很少扩展到数值认知领域。最近的研究开始探索全局线索（如点连通性、对称性和良好形式）对高自闭症特征个体的ANS敏锐度的影响（Pomè等人，2022年）。然而，由于这些研究未在临床诊断的ASD群体中进行，因此无法解决该领域关于OSA处理机制的理论分歧（Clayton和Gilmore，2015年；Meaux等人，2014年）。WCC解释提供了一个预测：由于自闭症个体倾向于处理局部细节，他们可能不太容易受到显著全局线索的干扰。因此，当面对促进全局格式的连线时，他们可能比TD同龄人表现出更精确的数量估计，因为他们的处理较少被整体配置自动捕获（Aagten-Murphy等人，2015年）。另一方面，EDF理论提出了另一种预测：自闭症个体在抑制控制方面可能存在困难（Just等人，2007年），这使得他们难以抑制由连线创建的干扰性全局感知。因此，在存在连接线的条件下，自闭症个体可能因无法有效抑制这种非数值线索而表现出更低的ANS敏锐度。

迄今为止，这些来自不同理论的解释的有效性尚未在自闭症儿童的ANS处理中得到系统测试。根据先前的发现和理论辩论，我们提出了以下假设、操作检验和研究问题。

H1：与典型发展（TD）儿童相比，高功能自闭症（HFA）儿童的行为性自动注意（ANS）敏锐度会更低。这一预测基于EDF（Executive Dysfunction）理论，该理论认为自闭症患者在认知控制和注意力调节方面存在困难，可能影响他们有效提取和比较数字大小的能力。

H2：两组在-frontal电极位置的P2成分（200–300毫秒）上会表现出不同的神经激活模式。基于先前研究中将P2振幅与注意力资源分配联系起来的研究，我们预测HFA儿童的P2振幅会大于TD儿童，这反映了在数字处理过程中神经活动的补偿性调动。对于N1成分（110–170毫秒），没有做出方向性预测；这些分析被视为探索性的。

H3a（WCC理论）：如果弱中央一致性（Weak Central Coherence）理论成立，HFA儿童受连接性的影响将小于TD儿童（即HFA组中的连接性效应较小），因为他们的局部处理偏好使他们不太容易受到全局感知分组线索的影响。

H3b（EDF理论）：如果执行功能障碍（Executive Dysfunction）理论成立，HFA儿童受连接性的影响将大于TD儿童（即HFA组中的连接性效应较大），因为连接线带来的额外感知负担会不成比例地消耗他们有限的认知控制资源。

与数量心理学文献中已建立的数字比例效应一致（例如，Moyer和Landauer，1967；Dehaene，1996），我们预计当比较数组之间的数字比例接近1时，两组的ANS准确性都会下降。这一预测是对我们任务范式的验证，而不是一个新的假设。

连接线的存在（感知分组线索）是否会对HFA儿童和TD儿童的ANS处理产生不同的调节作用？WCC理论预测，由于HFA儿童倾向于局部处理而非整体处理，他们受连接性的影响会小于TD儿童。然而，EDF理论预测连接性可能会增加额外的认知负担，对HFA儿童产生不成比例的影响。鉴于在此特定背景下缺乏直接的经验证据，我们将这个问题视为探索性的。

### 参与者
使用G*Power 3.1.9.2（Faul等人，2007）进行了先验功效分析，对混合重复测量方差分析（ANOVA）进行了分析，考虑了组间效应、组内效应及其交互作用。假设效应大小为中等（Cohen的f=0.25，与ERP研究中通常报告的效应大小一致），alpha值为0.05，统计功效为0.80，分析表明至少需要24名参与者。

### 行为结果
对准确性进行了2（组：HFA vs. TD）× 2（比例：小 vs. 大）× 2（连接性：连接 vs. 未连接）的重复测量方差分析（ANOVA）。比例×连接性的交互作用是显著的，F(1, 27) = 18.37, p < .001, ηp2 = 0.405, 95% CI [0.128, 0.612]。因此，低阶效应需要结合这一交互作用来解释。比例的主效应也是显著的，F(1, 27) = 271.52, p < .001, ηp2 = 0.910, 95% CI [0.834, 0.944]：准确性更高。

### 讨论
本研究采用ERP技术来探讨7-15岁HFA儿童的ANS处理特征。主要发现表明，HFA组的ANS敏锐度显著低于TD组。数字比例效应和连接性效应都显著影响了ANS的表现。重要的是要区分本研究中考察的数字比例效应和数字距离效应。

### 结论
本研究结合了行为测量和ERP技术来研究学龄HFA儿童的ANS处理特征。鉴于样本量较小，组间ERP结果应被视为初步的，需要在更大样本中重复验证。尽管如此，行为和电生理证据的一致性支持了所观察到的效应的稳健性。主要结论如下：
（1）在行为层面上，

### 著作贡献声明
Lilan Chen：写作——审稿与编辑、监督、资源获取、概念化。
Wenyuan Jiang：写作——原始草稿、方法论、调查、正式分析。

### 伦理声明
涉及人类参与者（ASD和TD儿童）的研究已获得海南师范大学伦理委员会的审查和批准。在正式测试之前已取得家长的同意。

### 资金支持
本报告的工作是在中国国家自然科学基金[项目编号62367002]和中国海南省哲学与社会科学基金会[项目编号HNSK(YB)24-64]的支持下进行的。

Lilan Chen | Wenyuan Jiang
海南师范大学心理学学院，海口，571158，中国