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漫长的童年,孩子到底在学什么?该怎么学?丨展卷

认知控制不是一种心理官能,而是出自一个连接思想和行动的高度互动和复杂的系统。要全面理解认知控制,必须将其视为一种动态官能,而不是一种一成不变的能力。

本文节选自《认知控制》(国际文化出版公司2022年5月版),有删节。点击文末“阅读原文”可购买此书。点击“在看”并发表您的感想至留言区,截至7月10日我们会选出3条留言,每人赠书一本。

撰文 | 戴维·巴德

翻译 | 方庆华

如果你自己有孩子,或者至少在小朋友身边待了很长的一段时间,你可能对“儿童认知控制障碍”这一概念的由来有一定的了解。卡梅伦可能连续20分钟就一直重复同一个词,琼可能决定让餐馆里的每个人都知道她刚刚去了洗手间,埃尔罗伊可能没意识到自己一整天都穿着两只不一样的鞋,并且衬衫的里外穿反了。这些瞬间惹得我们暗自发笑,但正如喜剧演员雷·罗马诺 (Ray Romano) 在他的喜剧表演中提到的,“爷爷也这样,但并不像小孩一样讨人喜爱。对吧?这是你太双标了”。

雷说的完全正确。神经学家早就观察到额叶受损的成年患者表现得非常像儿童,这是他们生活中的一大障碍。1936年出现了一例可供参考的病例,即患者A的行为举止非常幼稚。举个例子,下面是患者A在医生、妻子、母亲面前穿衣服的一段描述:

(患者A) 在洗手。“为什么我要洗脸?理发师会给我洗脸的。他在我脸上敷上一条热毛巾,就够了。” (有人指出,肥皂的清洁力比热毛巾好。) A回答说:“胡说!”……A从一个房间溜达到另一个房间,打趣母亲,讽刺妻子。他吹口哨、唱歌、咧嘴笑、跳舞,还声称:“我也有点像舞蹈家了。我打赌你不会跳舞。” (没有人理他时,A开始做出打架的姿势,用拳头推L。) A经常提到证券交易所和交易大厅。A穿上衬衫,然后穿裤子,先穿右腿,再扣扣子,但只扣了一部分。他穿上鞋子,但没有系鞋带。然后站起来,手里拿着拖鞋,这时他的母亲似乎要从他手里把拖鞋拿走。

 

我想我和妻子在努力让孩子准备好去上学时,曾经历过一模一样的早晨,可能孩子只是用讨论游戏《我的世界》 (Minecraft) 代替纽约证券交易所而已。这些行为的相似性表明了这两个群体的行为背后有一个共同系统。换句话说,这些共性促成了一种假设,即认知控制是儿童发展变化的主要扩展位。但这只是一个类比。正如认知控制发展缓慢一样,对认知控制至关重要的大脑系统从婴幼儿期到青春期也经历了漫长的变化。然而,这并不是说额叶皮质正在等待发育或直到童年后期才活跃起来。

相反,其发育始于子宫内,到我们出生时,大脑已经有了前额皮质的区域和神经网络分区。“细胞迁移”是指幼小细胞在胚胎的周围移动,把自己安置在发育中的有机体内合适位置的过程。在胎儿期,神经元中的细胞迁移对神经系统的发育很重要,是因为它决定了神经元定位、分组以及相互连接的方式。值得注意的是,神经元细胞主要是在额叶内从前到后迁移,因此,头侧前额叶皮质中的细胞比尾侧前额叶皮质中的细胞更早分化。与此相反,丘脑与前额叶皮质按从后到前的方式连接。你可能记得,丘脑皮质的驱动由纹状体调节,并支持工作记忆门控。因此,如第四章所讨论的那样,这种从尾侧到头侧的皮质—丘脑连接模式可能是门控回路支持层次认知控制不对称的来源。

而且,额叶皮质中由尾侧至头侧的丘脑神经支配模式与由头侧至尾侧的细胞发育成熟模式截然相反,可能存在重要的组织结构性结果。丘脑作为一种脑结构,实际上是一个庞大的中枢站,来自大脑外部的输入都必须首先经过丘脑,才能与大脑接触。丘脑是感官信息从新皮质后侧区到达额叶的主要经停站。由于最初没有丘脑的输入,头侧前额区在缺乏大脑后部感官输入的情况下就会成熟。因此,头侧前额叶神经元的早期分化主要依靠自身局部额叶输入而形成,这种局部综合处理是第四章讨论的前额叶层次控制结构的另一特征。

令人惊讶的是,这些特征在我们出生时就已经存在了。出生后大脑中的其他变化仍在继续,并延伸到了前额叶皮质区。虽然在生命早期整个大脑的体积都在增大,但前额叶皮质的发育速度是其他区域的两倍,这一事实反映了人类前脑的进化扩张过程。前额叶皮质也是大脑中最后成熟的区域之一。在大脑全部皮质区发育成熟的过程中,皮质厚度先增加,然后在成年后下降至一个稳定的水平。

然而,这一过程的时间进程在大脑不同区域之间各不相同,沿着这条时间曲线的进展,可以用来衡量某一特定皮质区域的成熟度。采用这些测量方法进行的研究一致发现,虽然大部分基本感官区和运动皮质区在3~6岁左右达到稳定成熟期,但前额叶皮质在青春期继续发育成熟,到20出头时才停止。下图显示了这一时间进程。脑白质测量结果显示,相对于大脑的其他区域,额叶区域的成熟时间进程很漫长。图1 皮质表面的脑灰质发育成熟图。(A)俯视图,改编自肖等人 (Shawetal.)(2008);(B)侧视图,由戈塔伊等人(Gogtayetal.)(2004)重新绘制。色标与灰质体积对应,灰质越薄,代表着发育越成熟。

在成熟过程中,大脑皮质出现厚度变化的一个原因是,神经元通过突触相互交流使其密度发生了变化。在整个大脑中,新的突触在我们出生后形成,发育生物学家将这一过程称为“突触发育” (synaptogenesis)。突触发育最初呈增加的趋势,这时突触数量大幅增加,随后进入了突触修剪期,在此期间,许多突触会消失。这种修剪过程对于高效的神经网络处理来说必不可少。没有被用到的突触会消失,而一起被激活的神经元集群发育出更强的突触连接。

大脑皮质中这种使用依赖性的变化很关键,因为这是我们发现的第一条线索,表明大脑的发育并非无法改变,而是受使用驱动的影响。一个人在世的经历决定了大脑的使用方式。这种突触变化的过程在前额皮质内是漫长的,峰值出现的时间比大脑其他区域更晚,所需的时间更长。是什么推动了认知控制的发展变化?这是一个基本问题,其答案可能会告诉我们个体在认知控制能力上存在差异的原因,以及我们以何种方式干预才能确保大脑和认知控制的健康发展。正如你所料,鉴于其重要性和复杂性,这在科学界也是一个颇有争议的问题。

认知和大脑功能由基因和环境共同决定,最重要的是,由它们之间的相互影响所决定。环境因素包括生物环境,例如,一直追溯到在子宫里时就接触到的激素和分子。环境因素还包括通过感官处理信息的影响。我们的经历会影响大多数认知功能的发展,认知控制也不例外。要了解环境和遗传学对认知控制的影响,我们首先需要探讨科学家如何测量人与人之间认知控制能力的差异。我可能无须告诉你,人们的认知控制能力千差万别。我是个典型的丢三落四的教授,比如说,我最近因为工作原因出国,弄丢了我家所有的国际电源适配器,弄丢了不止一个,而且也不止一次。事实上,我刚沮丧地给妻子发短信,说我如何在酒店丢失了一个适配器,就在飞机场又弄丢了一个。这样马虎也不容易啊!所以,认知控制因人而异。

然而,设法对这些差异进行测量的科学家面临着一个具有挑战性的问题。我们想知道各种抽象的心理能力,比如抑制力,如何因人而异。但是我们没有办法直接测量它们。我们可以对任务进行检测,比如旨在挖掘这些能力的终止信号测试之类的任务。但我们在实验室里做的任务都不太纯粹。当人们执行指定任务时,可能有多个认知和大脑系统参与其中,并以复杂的方式相互影响,产生我们所观察到的行为。

例如,终止信号任务测量抑制力,但它也涉及视觉和听觉、空间注意、运动准备、语言、记忆等等。我们通过控制来解决这些影响因素,但即便是这些控制也并不纯粹,我们必须假设如何将抑制从列出的所有其他因素中分离开来。为了解决该问题,科学家们假设,虽然没有一项任务是纯粹的,但同时执行的多项任务会以不同的方式呈现其不纯粹性。因此,我们不仅仅利用终止信号任务,还测试了共有同一个假设的抑制成分的多项任务。然后,我们可以了解在执行这些任务期间受试者表现出的相似性。例如,相对于包含其他成分的任务,特别擅长抑制的人往往擅长执行任何包含抑制成分的任务。

当然,此过程的主要局限性在于,我们假设自己知道哪些任务涉及抑制或任何我们乐于测量的过程,而这并非简单的设想。尽管如此,这种方法还是在人类认知控制功能的差异性方面带来了一些普遍而又一致的模式。科罗拉多大学的三宅明 (Akira Miyake) 和娜奥米·弗里德曼 (Naomi Friedman) 进行了一项具有里程碑意义的认知控制个体差异研究。他们对认知控制能力的三个架构——抑制、更新和工作记忆——进行了假设性的区分。大致上,他们设想的“抑制”本质上对应我们在第六章中所说的终止抑制,而“更新”和“工作记忆”则近似于我们在本书中框定的工作记忆门控的灵活性和稳定性两个维度。三个架构中的每一个都经过了多次测试。例如,抑制由三项测试,如终止信号测试、斯特鲁普任务、行动—不行动测试进行测试。研究结果既有说服力但又自相矛盾。

首先,人们的表现可以部分地用抑制或更新等不同的架构来解释。换言之,比如,与在工作记忆测试中的表现相比,人们在既定抑制测试中的表现与其在其他抑制测试中的表现关系更大。因此正如我们所料,认知控制的不同方面决定了表现方式的迥异。然而重要的是,尽管执行的任务要运用特定的控制功能,还有一个通用成分可以预测在所有任务中的表现。

因此,如果一个人擅长涉及认知控制的其中一项任务,那么可以预见他一定程度上在其他认知控制测试中也同样表现出色。三宅明和弗里德曼将这组自相矛盾的发现称为“执行功能的统一性和多样性”。换句话说,控制功能并不像心脏和肝脏那样,作为独立器官运转,而是不可完全分开的单位。很可能大脑功能的一些共性方面会影响所有的认知控制表现,也有一些系统或因素有利于一些特定类型的控制表现。考虑到这种复杂性,我们可以看看基因和环境是如何影响认知控制的发展的。对双胞胎进行的研究为遗传和环境因素对共同的和特定的认知控制架构发展的影响提供了最有力的调查研究。双胞胎研究包括同卵双胞胎和异卵双胞胎,前者基因100%相同,后者基因50%相同。通过对双胞胎的比较,我们可以估算出三个影响表现的因素。

首先是基因的影响,据估计,同卵双胞胎彼此之间的相似性高于在异卵双胞胎身上所观察到的相似性。其次是双胞胎共同生活环境的影响,这是指双胞胎之间的相似性,而不考虑其基因的相似性。最后还有非共同生活环境的影响,这是根据处于同一环境的同卵双胞胎之间的差异来评估的。聪明的读者可能会注意到,该算式漏掉了共同生活或非共同生活环境与基因的相互影响作用。如果没有大量共同抚养或分开抚养的双胞胎样本,就很难评估这种相互作用。即使我们有这样的样本,也并非真正随机分配这些组别。鉴于我们对遗传和表现遗传作用的了解,这种相互影响可能正是造成个体差异的重要因素,因此它的缺失导致从人类行为遗传学研究中得出的结论有很大的局限性。

不过,虽然有此局限性,但是从双胞胎研究中获得的证据还是很重要的。关于认知控制的双胞胎研究发现,共同基因几乎可以解释在共同认知控制成分上表现出来的所有个体差异,所有认知控制测试表现相关的认知控制成分中的发现与此如出一辙。通过对儿童和青少年的多项研究,以及综合考虑社会经济地位、受教育程度、种族和其他人口统计数据等不同因素,发现这一成分的遗传性高达99%左右。共同生活环境和独特的生活环境几乎没有影响。

此外,与其他假定的特质(如一般智力的遗传性在成年前随着年龄的增加而增长)不同的是,普通认知控制因素似乎在儿童、青少年和成人身上都具有高度遗传性和同等遗传性。重要的是,如果把这种高度遗传性解释为环境对认知控制的发展并无作用,那就大错特错了。

第一,这种高度遗传性只适用于共同的认知控制成分。正如我们稍后将讨论的那样,环境因素可能对更重要的特定控制成分具有很大的影响力。

第二,虽然在一些研究中使用了多样化的样本,但这些研究中的大多数个体仍然受到限定范围内的环境影响。对智商的遗传研究一致发现,遗传性随着社会经济地位的提高而增加,因此,类似的现象可能会影响认知控制的结果。

第三,如前所述,本分析没有评估基因和环境之间的相互影响这个关键项。

第四,尚不清楚极度忽视、虐待以及营养不良之类的异常环境因素是否影响以及如何影响共同控制成分。尽管如此,这些观察结果确实表明,我们在认知控制测试中的一部分共同表现,将是基于我们基因的稳定个体差异。目前尚不完全清楚这种共同认知控制能力在生物学上与什么相对应。

然而,最近对英国生物库中的427037人进行全基因组分析,识别出299个与估算的普通认知控制能力架构相关的位点。从广义上来说,这些位点与大脑的生物特征有关,与快速突触路径的形成和神经递质GABA(即γ-氨基丁酸)的普遍性有关。像快速神经动力学或GABA之类的特征如何或为何对认知控制具有广泛的重要性,仍不得而知。这些因素太过笼统,无法在任务发出抑制或切换需求的过程中做出改变,而且很难去研究学习。

因此,它们不太可能解释个体差异悖论的多样性。虽然共同认知控制成分可能具有高度遗传性,但对于日常生活中面临的更具体的认知控制架构或单个任务的表现,情况显然并非如此。例如,在一项对7~12岁双胞胎的研究中,非共同生活环境是终止信号任务表现的主要决定因素,其次是共同生活环境。根据所起的作用顺序,遗传基因位列最后。在这些特定任务中,遗传性降低的部分原因是任务纯粹性问题,我们在前面探讨过这个问题。

然而,任务不精准并非全部的原因。源自多任务的更新或抑制之类的个体控制架构的遗传率也较低。在前面提到的研究中,双胞胎之间的非共同生活环境是抑制、更新和工作记忆的主要贡献因素。鉴于学习对建立控制系统的重要性,这种环境影响对个体控制功能是有意义的。还记得工作记忆门控的例子吗?

在第三章中,我们讨论了如何获取适用于给定任务的门控策略,是完美执行该任务的关键。我们不仅需要学习游戏规则,还需要学习基于输入和输出的关系,通过工作记忆如何执行这些规则。随着层次结构越来越复杂,门控在管理多层次目标时起着至关重要的作用,而正确的门控策略可从经验中学到。在协同工作中,我和迪玛·阿姆索 (DimaAmso) 以及博士后克斯廷·安格尔(KerstinUnger)发现,在第三章讨论的情景放在最前/最后任务中,7岁孩子似乎比10~12岁的孩子更容易选择错误的门控策略。与年龄较大的孩子相比,未能选择正确的门控策略是他们表现较差的部分原因。因此,孩子可能并非总是无法控制自己。相反,他们只是没有找到正确的方法将任务分解成若干小任务、控制工作记忆的输入输出,以便有效地执行任务。

因此,在漫长而关键的童年中期,儿童可能一直在学习要控制什么以及什么时候进行控制。他们忙着制定适用于更多情况的越来越抽象的门控策略,让自己适应越来越复杂的任务。他们还要学习如何进行内在控制。当然,在做这些的同时,他们还受到知觉、概念、语言、运动和其他系统的限制。

因此,这种认知控制发展的观点特别强调学习和体验,尤其强调我们在童年时期的多样化体验。为了建立有用、抽象且适用于今后生活中许多情况的门控策略,我们需要在多种不同的环境中尝试去控制自己。神经网络中的认知控制计算机模型表现出这一基本特性。以第三章和第四章中讨论的门控皮质—纹状体模型为例。许多训练使该模型根据多巴胺预测误差来学习哪些输入可以通过门控进入工作记忆以及何时通过门控将其输出。同样,向这些模型提出多个不同的任务,使他们可以概括并创建抽象的情境表征,这些表征不是只在特定任务中才有用,而是可重复使用的任务组成部分。

因此,这些模型为我们的假设提供了存在性证明,向我们表明,为认知控制建立一个门控系统需要学习和多样化的体验来确保其门控正确。在现实世界中,该观点与数据吻合,这些数据表明环境的丰富化是认知控制系统发展中的关键,其中的认知控制系统在广泛的新环境下行之有效。丰富化基于儿童多样化的经历和学习环境。长期以来,丰富化一直与积极学习联系在一起,这包括了认知控制。

因此,对这些观察的一种解释是:丰富的环境可以让儿童发展广泛适用于新环境的抽象门控策略。当大多数儿童发现成人世界与童年世界截然不同时,丰富化对他们以后的生活大有裨益。他们已拥有庞大的门控策略库,可根据目标需求基于策略库整合各种问题的解决方案。另一引人注目之处在于,多样化学习的必要性为认知控制发展的漫长历程提供了一种解释。从体验中收集尽可能多的数据很有必要,这将优化控制系统与我们生活的世界相适应。

本质上,大脑假设人生的前15年是接下来65年生活方式的“样板”,大脑在此基础上优化了控制。这也就意味着认知控制的有效性将只取决于这一假设的有效性,即取决于大脑建立的模型的质量。就像任何统计模型一样,如果获得大量的数据——以后生活中会遇到的各种需求的有用样本——它可能会产生更好的结果。

这种强调用认知控制来学习和体验的做法对越来越多干预主义的育儿趋势发出了警告。21世纪初的“直升机式育儿”已经演变为今天的“割草机式育儿”。“割草机式育儿”指的是,无论是在学校还是家里,家长力图扫除孩子成长路上的一切障碍。这种极端的育儿方式剥夺了孩子自主选择走向成功或失败之路的机会。这种趋势的出现有许多理由,大多情有可原。家长对孩子安全的担忧、对孩子的怜爱以及希冀孩子表达自信和获得成功是重要的驱动压力,

此外,还有社会压力。家长非常清楚,他们的孩子需要在竞争日益激烈的学习环境中取得成功。让孩子自己记得收拾书包上学或做作业是天方夜谭。对许多父母来说,即使他们想鼓励孩子更加独立,在当今的世界也很难做到。就算允许孩子自己到公园去玩,他们又能和谁一起玩呢?当然孩子也能有很大的自主权。大多数上一代的孩子对这种成长方式不太熟悉,他们一直能够自由自在地玩耍,可以随心所欲,穿过公园、街道和树林,漫无目的地闲逛。不同年龄的孩子们可以组成小组,想出自己的目标、游戏、规则和解决问题的办法。其中许多想法无疑是糟糕的,甚至是可怕的,不可避免地导致了一些失败。

但是,如果没有危险,失败也是一种极好的学习手段,对培养认知控制尤其如此。让儿童拥有成功和失败的自主权是优秀的儿童足球队教练早已熟知的学习原则。作为初学者,儿童在球场上没有做好有效地站位和制造空档。他们等待传球的时间过长,球没传到,虽然他们本该传到球的。在这种情况下,家长试图告诉孩子该往哪里跑、什么时候踢、踢给谁,等等。

然而,与气急败坏的父母不同,优秀的教练会等孩子自己做决定——或者说,孩子未能做决定——那么教练会相应地予以表扬或纠正。他们会指出孩子在那种情况下该怎么做,但重要的是,他们先给了孩子一个自己做决定的机会。教练之所以这样做,是因为如果不断告诉孩子该怎么做,孩子永远也学不会自己去解读在所处的情境下如何采取正确的行动。他们永远不会制定出正确的控制策略——而该策略能解读这项运动的动态系统并选择恰当的行动。他们只学会一种控制策略:听教练的话。生活不是一个足球场。

那么,作为父母的我们应该如何为孩子创造一个安全有效的学习环境呢?一个看似很有希望的方法:在钢琴课、体育锻炼和家庭作业之间留出时间,让孩子进行一些非结构化的活动。事实上,对非结构化或半结构化学习的初步研究证实了其对发展认知控制是有益的。在这些研究中,非结构化游戏指的是儿童可以自行决定目标和任务、制定计划和组织活动以及并找出解决自己问题的方法。因此,与直接听从他人发出的指令相反,拥有这些机会可能对儿童学习自我导向的认知控制特别重要。

所以,如果儿童有各种机会去面对新问题、为此而努力奋斗、经历失败以及解决新问题,尤其当他们独立做这些事情时,他们的大脑也获得制定抽象有效的控制策略的机会。儿童看护者应抵制“越俎代庖”的诱惑,并为儿童寻找到自主和成功的机会,在确保安全的前提下让孩子真正地经历失败。有了这些经验,可以优化控制系统,为适应以后生活中的一系列新环境做好准备。这一点尤为重要,正如我们将在下一节所见,当我们变老时,控制系统成为我们面对挑战和获得支持的主要来源。

 

作者简介

戴维·巴德(David Badre):布朗大学认知学、语言学和心理学教授,卡尼脑科学研究所的成员。他对认知控制和执行功能的神经科学做出了开创性的贡献。

 



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