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【背景分析】

學習過程中，我們的大腦是如何運作的？如果能對學習過程中大腦運作方式進行了解，并實施積極干預，提高學習能力就成為可能。

【研究進展】

2018年和2019年，來自德國圖賓根大學的研究團隊，在《Scientific Reports》和《Developmental Neuropsychology》（發育神經心理學）上發表了兩篇研究報道，對學生在數學學習過程中，大腦的運作方式進行了全面的分析。

【研究過程】

研究團隊在當地小學選取了24名五年級的學生（女生9名，男生16名），進行乘法計算測試。測試通過專門的軟件進行，方法如下圖所示：

如上圖所示，屏幕下方為需要計算的題目（如13X4），學生需要從上面3X4，共12個方格的數字中，選出正確的答案。選錯、或者沒有在規定時間內選出答案，都不得分。測試共96道題目，16道為一組，共進行6組測試，每組中間進行短暫休息。同時，在測試過程中，記錄學生腦電（EGG）變化情況。

如上圖所示，記錄了學生在測試過程中，腦電的數據變化。其中紅色表示升高，藍色表示降低。

ERD代表事件相關去同步化，它表示大腦某一皮層區域活躍起來, 特定頻率的節律性活動表現為幅度的降低；ERS代表事件相關同步化，它表示在大腦靜息、或者惰性狀態，表現出明顯波幅增高。ERS升高、ERD降低，有助于增加θ波段的大腦活動。

如上圖所示，記錄了24名學生，第1組至第6組測試中，計算用時和平均錯誤率的變化情況。可以看出，隨著大腦4-7Hz的theta（θ）波段功率的增加，測試中計算錯誤率呈現下降趨勢；研究團隊判斷，這種變化，即大腦theta（θ）波段功率的增加，提高了學生相關腦區的執行功能、信息檢索能力，進而提高了計算的準確率。

這項結果也驗證了該團隊在前一年（即2018年）針對兒童和成人在數學計算中，大腦運作方式區別的研究。當時發現：在乘法計算測試中，成人大腦theta（θ）波段功率、alpha（α）波段功率都出現了增加；而兒童大腦只有theta（θ）波段功率明顯增加，說明成年人和兒童，在處理數學問題時，大腦運作方式是不同的。

【提升學習能力的研究】

近年來，關于通過tDCS提高數學計算能力、提高記憶能力（如記憶單詞等）的研究發現，tDCS促進學習，主要通過以下三方面的影響來實現：

1、降低大腦中起抑制作用的神經遞質―γ-氨基丁酸的水平，而γ-氨基丁酸已經被證明和學習呈現負相關；

2、通過改善突觸連接，提高神經可塑性，以此來改善學習；

3、通過增加腦源性神經營養因子（BDNF）的分泌，保護大腦皮層神經元細胞。

tACS可以看作是tDCS的一種特殊版本，它將電流設置為在電極之間呈正弦波動（即交流電），而不是顯示出恒定的極性（即直流電）。tACS對于學習、記憶能力的影響，主要通過theta-gamma交叉頻率耦合機制實現。

如上圖所示，是德國奧爾登堡大學兩位教授，研究tACS對短時記憶的影響，發現在gamma（γ）波為42Hz的情況下，theta（θ）波從7Hz降低到6Hz，學生的短時記憶能力得分從6分提升到了7分，這也在他們后面試驗中得到了驗證。

【研究結論】

tDCS和tACS都屬于無創腦刺激技術（NIBS），以往由于他們的作用機制不同，干預方式不同，限制了相關產品的開發。隨著技術的進步，目前已經可以將tDCS和tACS、以及CES（經顱微電流）等進行集成，整合在一臺設備上，（tDCS和tACS最大的區別，就是電流的輸出形式不同）國外相關設備已經問世，并在醫療、教育、健康等領域得到了廣泛應用。

【參考文獻】

Soltanlou M, Artemenko C, Ehlis A C, et al. Reduction but no shift in brain activation after arithmetic learning in children: a simultaneous fNIRS-EEG study[J]. Scientific reports, 2018, 81: 1-15.