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例如，fNIRS研究揭示了右側(cè)頂內(nèi)溝的活動，這是數(shù)字處理的關(guān)鍵區(qū)域，以響應(yīng)5.5–6.5個月大清醒嬰兒視覺模式的數(shù)字變化（Hyde等人，2010年；Edwards等人，2016年）。換言之，這項技術(shù)使我們有可能看到清醒嬰兒大腦區(qū)域的反應(yīng)。在海德等人（2010年）的研究中，嬰兒適應(yīng)了一組16個點，在一個奇怪的范例中，他們看到的圖像數(shù)量（8或16個點）和形狀（16個正方形或三角形）發(fā)生了變化。在Edwards等人（2016）的研究中，他們在不同的區(qū)塊中顯示了相同數(shù)量的點（8或16）或不同數(shù)量的集合（8和16）。在這兩項研究中，與其他情況相比，右側(cè)頂內(nèi)溝的激活率隨著點數(shù)的變化而增加。這些發(fā)現(xiàn)提供了證據(jù)，嬰兒很早就開始使用非符號數(shù)數(shù)進行心理操作，并在獲得語言和符號數(shù)數(shù)系統(tǒng)經(jīng)驗之前依賴于他們的近似數(shù)數(shù)系統(tǒng)。關(guān)于學(xué)齡前兒童數(shù)字認知的神經(jīng)相關(guān)性，目前還沒有fNIRS研究。
中小學(xué)兒童算術(shù)表現(xiàn)的FNIRS研究（例如，Dresler等人，2009；Soltanlou等人，2017a）揭示了額葉-頂葉網(wǎng)絡(luò)的雙側(cè)激活，該網(wǎng)絡(luò)在成人和兒童的fMRI神經(jīng)成像研究中觀察到（Arsalidou和Taylor，2011；Arsalidu等人，2017）。Dresler等人（2009）以數(shù)字格式或嵌入文本的形式向中小學(xué)生提出了一個算術(shù)問題（參見表2）。在這項研究中，對90名兒童的樣本進行了測量，這很難用fMRI等其他技術(shù)實現(xiàn)。他們觀察到，在小學(xué)和中學(xué)兒童中，用于計算的頂葉和額后區(qū)的激活程度都高于閱讀，這與兒童的fMRI結(jié)果（Rivera等人，2005；Ansari等人，2006；Kucian等人，2006）和成人的fNIRS結(jié)果（Richter等人，2009；但關(guān)于復(fù)制數(shù)字和字母的基本任務(wù)，請參見Artemenko等人，2018a）一致。此外，與年齡較大的兒童相比，年齡較小的兒童在雙側(cè)額葉區(qū)域（中央前運動區(qū)和運動區(qū)）中觀察到更大的任務(wù)相關(guān)激活。這種激活是由于較少的自動計算處理和更多的語音相關(guān)活動。與之前的研究一致（Rivera等人，2005年；Kaufmann等人，2006年；Kucian等人，2008年），這項fNIRS在小學(xué)生中的發(fā)現(xiàn)指出了大腦激活中的發(fā)育性額葉至頂葉移位。
表2
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表2.調(diào)查小學(xué)生數(shù)學(xué)的fNIRS研究總結(jié)。
另一項縱向fNIRS研究也報告了這種發(fā)展變化（Artemenko等人，2018b）。fNIRS在自然環(huán)境中的適用性使他們能夠在書面生產(chǎn)范式中測量所有四種基本操作期間的大腦激活。由于功能磁共振成像掃描儀的定位不舒適，而且這種技術(shù)對運動偽影的敏感性，大多數(shù)功能磁共振掃描研究都沒有使用書面制作，這是解決此類任務(wù)的最生態(tài)有效的方法，因為這些任務(wù)在學(xué)校會得到解決。Artemenko等人（2018b）報告，從6年級到7年級，額葉區(qū)域的激活減少，以減少減法運算的工作量，同時，角回和顳區(qū)域的激活增加，以增加加法運算和乘法運算的自動化和事實檢索（參見表2）。重要的是，在這樣的自然環(huán)境中，他們不僅發(fā)現(xiàn)了感興趣的激活區(qū)域之間的轉(zhuǎn)換，而且這些區(qū)域內(nèi)的處理效率更高（或更少費力）。
然而，在兒童中，不僅運算和年齡在算術(shù)神經(jīng)認知處理中起作用，而且數(shù)學(xué)能力也起作用。Obersteiner等人（2010年）更詳細地調(diào)查了Dresler等人（2009年）的fNIRS數(shù)據(jù)，除格式和等級外，還進一步探討了計算條件下的數(shù)學(xué)能力（低、平均、高）和任務(wù)復(fù)雜性（加上和不加進位運算）（參見表2）。對于這些因素，在目標頂葉區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)顯著的激活差異，單詞的激活率高于數(shù)字問題。然而，他們觀察到，在具有平均數(shù)學(xué)能力的組中，無進位加法比進位加法的頂葉激活更高。有趣的是，這項研究是在學(xué)校進行的，這在fMRI等幾種非便攜式神經(jīng)成像技術(shù)的情況下是不可能的。這種情況可能會導(dǎo)致孩子們比來到實驗實驗室時更少的焦慮，這可能會影響激活模式。
在另一項針對中學(xué)生的fNIRS研究中，Kuroda等人（2009）利用fNIRS來測量大腦的激活利用fNIRS測量物體空間操縱期間的大腦激活變化，這對幾何結(jié)構(gòu)很重要（參見表2）。在六年級學(xué)生完成七巧板任務(wù)時，測量了他們的前額葉激活。根據(jù)兒童用于解決問題的策略檢測到不同的激活模式，這導(dǎo)致了三組兒童基于他們的解決方法。在無法解決七巧板難題的兒童中，前額葉激活持續(xù)增加。在能夠在操作七巧板的過程中制定策略的兒童中，前額葉的激活穩(wěn)步下降。在一組兒童在解決問題之前已經(jīng)制定了策略的情況下，沒有發(fā)現(xiàn)前額葉激活的變化。總的來說，這些發(fā)現(xiàn)與前額葉激活的神經(jīng)影像學(xué)研究一致：當任務(wù)復(fù)雜性水平增加時，激活可能會相應(yīng)增加（Kuroda等人，2009；另見Mücke等人，2018）。同樣，在自然環(huán)境中進行測試的可能性使他們能夠在七巧板解謎過程中測量大腦活動（另見Soltanlou等人，2017b），而這無法在fMRI掃描儀中完成。
在最近的一項fNIRS EEG聯(lián)合研究中，Soltanlou等人（2017a）調(diào)查了五年級學(xué)生乘法問題的算術(shù)復(fù)雜性。這項研究表明了fNIRS與其他技術(shù)（如EEG）相結(jié)合的可行性，這不會導(dǎo)致EEG信號中的額外偽影（參見表2）。Soltanlou等人（2017a）觀察到，對于一位數(shù)乘法問題，左側(cè)頂上小葉、頂內(nèi)溝和中央后回顯著激活，而當兒童解決復(fù)雜乘法問題時，雙側(cè)頂上小葉，頂內(nèi)溝，額中回和左側(cè)頂下小葉激活。復(fù)雜與簡單的對比顯示，右側(cè)額中回的激活程度更高，但頂葉區(qū)域沒有激活。這一發(fā)現(xiàn)表明，在兒童中，數(shù)學(xué)復(fù)雜性的增加促進了領(lǐng)域一般認知過程，即工作記憶、持續(xù)注意力和計劃（另見Mücke等人，2018）。此外，作者建議，在這個發(fā)展階段，兒童依賴于特定領(lǐng)域的幅度處理來進行簡單和復(fù)雜的計算（Soltanlou等人，2017a）。這一發(fā)現(xiàn)與Artemenko等人的研究結(jié)果一致。（2018b）顯示，從6年級到7年級，額葉中下腦回的激活率有所下降。因此，我們可以得出結(jié)論，在心理計算過程中，對領(lǐng)域一般認知過程的依賴性在發(fā)育過程中會下降。然而，另一項針對15至16歲高中兒童心理計算的fNIRS研究（Ch iftçi et al.，2008）顯示，與休息時相比，減法期間右前額葉皮層的激活程度更高（參見表2）。這一發(fā)現(xiàn)指出，解決減法問題的改進依賴于快速的程序過程，而不是事實檢索過程（Prado等人，2014），因為青少年仍然依賴于這種激活來解決減法問題，但解決問題的速度很快。
在另一項關(guān)于五年級學(xué)生乘法問題的fNIRS EEG學(xué)習(xí)研究中，Soltanlou等人（2018）報告了訓(xùn)練2周后，在訓(xùn)練組與未訓(xùn)練組之間，右額中回的激活減少（參見表2），這與之前在成人（Zamarian等人，2009）和兒童（Arsalidou等人，2017；Peters和De Smedt，2017）中進行的算術(shù)學(xué)習(xí)研究一致。此外，作者發(fā)現(xiàn)，通過兒童的乘法學(xué)習(xí)，訓(xùn)練組與未訓(xùn)練組的左角回激活降低，這與成人的研究相矛盾（Soltanlou等人，2018）。這一發(fā)現(xiàn)與最近的一項薈萃分析一致，該薈萃分析表明，兒童算術(shù)處理和發(fā)展的大腦激活網(wǎng)絡(luò)與成人不同（Arsalidou等人，2017）。此外，他們認為，這項研究的目的之一是調(diào)查在生態(tài)有效的環(huán)境中訓(xùn)練導(dǎo)致的大腦激活變化。
總之，上述少數(shù)fNIRS研究的結(jié)果與其他方法（尤其是fMRI）在學(xué)童中的結(jié)果一致（Peters和De Smedt，2017），揭示了這種方法在教育神經(jīng)科學(xué)中的可行性。通常，我們會觀察到額葉-頂葉網(wǎng)絡(luò)，這會隨著任務(wù)的復(fù)雜性、年齡和孩子的專業(yè)知識而變化。更高的任務(wù)復(fù)雜性、更年輕的年齡和更少的專業(yè)知識通常需要更努力的處理和更多的正面區(qū)域的參與，對應(yīng)于對此類群體和問題的算術(shù)問題解決的領(lǐng)域一般貢獻。
fNIRS在語言研究中的應(yīng)用
FMRI研究表明，負責語言發(fā)展的許多方面的主要大腦區(qū)域FMRI研究表明，負責語言發(fā)展和處理的許多方面的主要大腦區(qū)域構(gòu)成了大腦皮層中的左側(cè)外周區(qū)，包括布羅卡區(qū)和韋尼克區(qū)（Gazzaniga，2004）。新生兒和嬰兒語言習(xí)得的大腦專門化由顳額環(huán)提供。此后，當7至17歲的兒童獲得閱讀技能時，單詞的視覺形式表現(xiàn)在枕顳區(qū)域（Shaywitz等人，2002）。有趣的是，書面和口頭單詞的處理同樣依賴于后多模態(tài)區(qū)域，包括Wernicke區(qū)域（Booth等人，2001）。然而，在不同的語境中理解和適當使用語言，評估幽默和情感表達能力，以及閱讀技能所需的視覺空間處理，也涉及右半球或左半球的其他大腦區(qū)域（Kensinger和Choi，2009）。總之，雖然在嬰兒時期就已經(jīng)觀察到語言的左側(cè)化，但右半球在語言處理和閱讀的某些方面也起著重要作用。然而，由于fNIRS的優(yōu)點，有必要在更自然的環(huán)境中測量這些過程，以測試這種推廣的可行性。
在過去的十年中，fNIRS已用于對新生兒、嬰兒、兒童和成人進行的幾項語言研究（綜述見Minagawa Kawai等人，2008；Ferrari和Quaresima，2012；Quaresimaa等人，2012；Vanderwert和Nelson，2014；Aslin等人，2015）。FNIRS已成功應(yīng)用于研究新生兒（Pena等人，2003年；Telkemeyer等人，2009年；Arimitsu等人，2011年；May等人，2011；Vannasing等人，2016年）和3至11個月大嬰兒（Homae等人，2006年，2007年）的母語和非母語語言處理的神經(jīng)相關(guān)性。感知聽覺和言語刺激的能力有助于嬰兒從出生起處理節(jié)段和超節(jié)段信息。研究表明，新生兒的聽覺皮層對音素和韻律信息都很敏感，但大腦激活模式不同。Arimitsu等人（2011）揭示了新生兒（3–8天大）的右優(yōu)勢顳上溝和顳中回對語音語調(diào)變化的反應(yīng)（例如，itta vs.itta？），以及響應(yīng)于由言語聽覺短期記憶引起的音素變化（例如，itta vs.itte），顳和下頂葉區(qū)域（邊緣上回）中的左顯性激活。FNIRS還成功地與其他神經(jīng)成像和神經(jīng)生理學(xué)技術(shù)相結(jié)合，以研究語言。例如，在對2至6天大的新生兒進行的fNIRS EEG聯(lián)合研究中，Telkemeyer等人（2009）發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)韻律信息，右顳下區(qū)和后顳區(qū)的激活增加，而與語音處理最相關(guān)的快速聲學(xué)調(diào)制則以左半球（顳頂葉）為主。總之，研究結(jié)果一致表明，新生兒對語言特性的處理是雙向的，而激活主要在成人研究中稱為語言區(qū)域的顳葉和下頂葉區(qū)域觀察到。對嬰兒和學(xué)齡前兒童使用fNIRS的研究顯示了類似的結(jié)果（Homae等人，2006年、2007年、2011年；Wartenburger等人，2007年；Telkemeyer等人，2011年）。
在一項針對3個月和6個月大嬰兒的fNIRS EEG聯(lián)合研究中，Telkemeyer等人（2011）觀察到，響應(yīng)韻律信息的不同變化（慢調(diào)制），右顳區(qū)激活，而左顳區(qū)響應(yīng)語音處理（快調(diào)制）。后來，在4歲時，這種處理語音韻律成分的右側(cè)化模式仍然很重要（Wartenburger等人，2007年）。Wartenburger等人（2007年）表明，語言信息是在左額顳區(qū)域處理的，而韻律信息則涉及右額顳激活。類似的發(fā)現(xiàn)（參見表3）在6-9歲的大孩子中觀察到（Kovelman等人，2012年）。這些fNIRS發(fā)現(xiàn)被解釋為顯示了右半球處理慢節(jié)奏刺激的傾向，而左半球?qū)μ囟ǚ秶穆?jié)奏調(diào)制的選擇性敏感性，這些慢節(jié)奏調(diào)制對閱讀習(xí)得很重要（Kovelman等人，2012）。這些緩慢的調(diào)節(jié)與10歲兒童的閱讀能力相關(guān)（Goswami，2011）。這些發(fā)現(xiàn)表明，韻律處理是天生的，或者至少發(fā)展得很快，在第一年，使用它識別話語的能力會增強。然而，這種處理會隨著年齡的增長而變化：語言信息處理得越多，左半球參與的越多。此外，這些發(fā)現(xiàn)表明，超節(jié)段性信息即使在早期也起著至關(guān)重要的作用左半球受累越多。此外，這些發(fā)現(xiàn)表明，即使在很小的時候，超節(jié)段信息也起著至關(guān)重要的作用，并對應(yīng)于對說話者語調(diào)或響度的類似成人的激活（Meyer等人，2004年；Obrig等人，2010年）。因此，對于語言的數(shù)量發(fā)展，fNIRS特別適合于研究嬰兒在沒有任何語言產(chǎn)生的情況下對語言的先天或快速出現(xiàn)的神經(jīng)反應(yīng)。
表3
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表3.調(diào)查小學(xué)生語言的fNIRS研究總結(jié)。
fNIRS的一些特征，例如在閱讀和說話（語音產(chǎn)生）的情況下對肌肉運動的魯棒性，可以被認為是學(xué)齡前兒童和小學(xué)生語言發(fā)展的神經(jīng)成像研究中的一個顯著優(yōu)勢（Gallagher等人，2016；Walsh等人，2017）。例如，Tellis和Tellis（2016）測量了兒童和成人在三種不同閱讀任務(wù)中的大腦激活變化：默讀、大聲朗讀和對給定主題的自由演講。他們觀察到，在雙側(cè)額葉區(qū)域的自由言語過程中，激活程度最高。在另一個例子中，Kawakubo等人（2011年）在一次字母流暢性任務(wù)中觀察到了前極區(qū)5至37年的發(fā)育變化（另見Tamekuchi等人，2011年）。此外，他們發(fā)現(xiàn)成年期額葉區(qū)存在性別差異，這在兒童或青少年時期沒有觀察到（Kawakubo等人，2011年）。Tando等人（2014）的一項fNIRS研究也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，他們觀察到，在6至18年的言語流利性任務(wù)中，額葉區(qū)域的激活增加（參見表3）。他們得出結(jié)論，言語檢索功能的成熟從青少年早期開始，一直持續(xù)到成年（Tando等人，2014）。此外，Tamekuchi等人（2011年）報告，在進行語言流利性任務(wù)時，兒童（6-9歲）的左前額葉皮層的激活率高于成年人（35-44歲），而在右前額葉皮層中觀察到相反的模式。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，Paquette等人（2015）調(diào)查了3至30年表達語言期間大腦激活的側(cè)化與年齡相關(guān)的變化。然而，他們觀察到，在語言流利性任務(wù)中，兩個半球的發(fā)育都有所增加（Paquette等人，2015）。他們發(fā)現(xiàn)，在所有年齡段，與右半球區(qū)域相比，左顳和額葉區(qū)域的激活更大，并得出結(jié)論，表達語言的左半球?qū)ｉT化在很小的兒童中建立，并一直發(fā)展到成年（Paquette等人，2015）。有趣的是，Walsh等人（2017）觀察到，與通常發(fā)育中的同齡人相比，7至11歲的口吃兒童在言語產(chǎn)生過程中，左半球（即額背下回和運動前皮質(zhì)）失活。在fMRI研究中很少使用上述帶有口頭表達的任務(wù)，而在fNIRS測量過程中可以很容易地使用這些任務(wù)（參見表3）。
fNIRS在雙語兒童大腦機制檢測中的應(yīng)用是語言研究的另一個有趣領(lǐng)域。Jasinska和Petito（2014）通過應(yīng)用具有三個單詞類型條件（規(guī)則、不規(guī)則和無意義單詞）的任務(wù)，研究了閱讀的神經(jīng)基礎(chǔ)。他們測試了兩組單語和雙語小學(xué)兒童：與成人相比，年齡更小（6-8歲）和更大（8-10歲）（參見表3）。由于對匹配的語音處理和正寫法的高度控制，年齡較小的兒童對規(guī)則和不規(guī)則單詞都表現(xiàn)出雙側(cè)顳上回的激活。年齡較大的兒童發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)單詞相比，左額下回的激活不規(guī)則，相比之下，與不規(guī)則單詞相比，下頂葉小葉的激活規(guī)則，這是由于關(guān)注詞匯單詞的復(fù)雜性和整體單詞處理（Jasinka和Petito，2014）。與單語讀者相比，所有年齡組的雙語者在經(jīng)典語言區(qū)域（左額下回、顳上回和頂葉下葉）和右半球的同源區(qū)域表現(xiàn)出更大的雙側(cè)激活。他們還發(fā)現(xiàn)，由于采用了推理、工作記憶和注意力等認知過程，前額葉皮層（包括前外側(cè)前額葉皮層和背外側(cè)前額葉皮質(zhì)）的激活程度更高，這是語言轉(zhuǎn)換所必需的。這一發(fā)現(xiàn)進一步得到了研究的支持，研究表明，在10至11歲兒童的言語流利性測試中，雙側(cè)前額葉皮層的激活增加（Mücke等人，2018）。雙語兒童被認為比許多單語兒童具有更大的認知可塑性，對語言功能和結(jié)構(gòu)特點更敏感，思維方式更靈活 |
