【中小学生智力发展的脑电图研究】 脑电图能检查出智力吗

　　摘 要 利用脑ET技术对认知功能正常的被试进行智力发展的脑电图研究｡结果表明:(1)随着年龄的增长,小学生脑α波的平均频率呈明显的上升趋势,而中学生的变化幅度不大,但明显超过60年代的同期水平;(2)脑波平均频率的空间分布表现出额低枕高的前后梯度,在年龄低组被试有逆转现象,随年龄的增长,逆转现象减少,大脑的有序程度逐渐增强;(3)小学生的信息加工速度与脑α波的关系并不十分明显,而其脑波频率的分布和发展特点与计算速度有着根本的联系｡中学生的表象能力与不同脑区平均频率的关系因年龄不同而有所差异,主要表现为在右顶叶､右前颞叶､右后颞叶和左后颞叶区域,表象能力好组频率大于差组｡
　　关键词 中小学生,智力发展,脑电图｡
　　分类号 B844
　　
　　我们在研究中小学学生的智力与能力发展的同时,也研究了其机制问题,特别是脑电图(EEG)的机制问题,试图探讨出定位问题､关键期问题和可塑性问题｡
　　中国国防科工委航天医学工程研究所以梅磊教授为首的研究小组,提出脑电超慢涨落分析技术(encephaloflutuograph technology,简称ET)[1]｡我们使用这种脑ET仪器,从身体健康､无脑部疾病､不可能影响脑电活动的正常学生中选取了228名6～12岁小学生和192名13～18岁中学生作为被试(详细分布情况见表1),探讨了中小学生智力发展的某些机制问题｡结果如下:
　　
　　1 中小学生脑电α波发展特点
　　
　　随着中小学生智力的发展,他们的脑电α波具有什么样的特点呢?我们首先研究这个问题｡
　　1.1 小学生脑电α波的发展特点
　　我们以228名小学生的脑电α波为研究指标,探查了6～12岁正常儿童α波的不同频率成分(8～13 Hz)随年龄增长的变化特点｡该研究结果[2]揭示了8～13Hz α波的发展特点以及不同年龄段小学生脑α波中不同成分的优势特点｡
　　1.1.1 小学生不同赫兹α波的发展特点
　　小学生脑电8～11Hz成分在α波中所占比率存在显著的年龄差异,但没有表现出显著的性别差异;而12～13Hz成分在α波中所占比率在年龄差异和性别差异方面均未达显著水平｡随着年龄的增长,不同赫兹的脑电成分在α波中所占比率有所不同｡总体上来讲,低赫兹脑电成分所占比率逐渐降低,而高赫兹脑电成分所占比例逐渐升高｡8Hz 脑电成分在α波中所占比率逐渐降低,其中女生在8～9岁､男生在9～10岁阶段,8Hz 成分的比率下降速度最快｡儿童9Hz 脑电成分在α波中所占比率逐渐降低｡其中女生的变化起伏较大,且在11～12岁阶段,9Hz 成分的比率下降速度最快｡儿童10～13Hz 脑电成分在α波中所占比率的变化起伏较大,在总体上呈上升趋势｡
　　1.1.2 小学生α波平均频率的特点
　　随着年龄的增长,小学生α波的平均频率呈明显的上升趋势｡根据不同频率α波成分所占的比率,计算出各年龄组被试的平均频率(如图1所示),不同年龄被试α波的平均频率存在显著差异,男女生之间没有显著的性别差异｡
　　
　　8Hz和9Hz成分是6岁小学生α波的优势成分;9Hz､8Hz和10Hz成分是7岁小学生α波的优势成分; 8岁和9岁小学生α波的优势成分是9Hz､10Hz､8Hz;而10Hz成分是10岁小学生α波的优势成分;10Hz和9Hz成分是11岁小学生α波的优势成分;12岁小学生α波的优势成分除了具有11岁小学生的优势成分外,11Hz成分也是其优势成分｡
　　与以往的研究相比,现在的小学生脑电α波的发展已明显超过20世纪60年代时期的水平[3]｡就平均频率而言,现在6岁的小学生α波的平均频率就达到了20世纪60年代10岁小学生的发展水平｡7～10岁小学生的平均频率介于20世纪60年代12～13岁儿童的发展水平｡这其中的原因可能是多方面的｡就外界环境而言,随着经济的发展,生活水平的提高,小学生的各项生理指标的发展都表现了超前趋势,大脑的发育也不例外｡此外,社会的进步,人口素质的提高,使人们越来越重视下一代的培养与教育,人们普遍重视儿童的早期教育､儿童的早期智力开发｡这些无疑给儿童提供了丰富的环境刺激,从而促进了儿童大脑的发育与成熟｡
　　1.2 中学生脑电α波的发展特点
　　我们对192名中学生的脑电α波的发展特点进行了研究[4],结果如下｡
　　1.2.1 中学生不同赫兹α波的发展特点
　　中学生的不同赫兹α波的特点并不像小学生那样表现出不同年龄之间的显著差异｡随着年龄的增长,中学生不同频率成分的变化幅度不大,其中8Hz和11Hz脑电成分在α波中所占比率呈微弱的下降趋势;9Hz和10Hz所占的比例呈微弱的上升趋势;12Hz和13Hz所占比例的变化较小,基本保持稳定｡
　　1.2.2 中学生α波平均频率的特点
　　不同年龄的中学生α波平均频率的变化没有达到统计学的显著水平,但不同性别之间存在显著的差异(如图2所示)｡中学生各年级女生的α波的平均频率均高于相同年级的男生｡
　　
　　1.2.3 中学生α波频率成分的脑区分布特点
　　不同赫兹的α波在脑区的比率的差异都达到了统计学意义上的显著水平｡但是各赫兹的α波在全脑12个脑区的比率由高到低的脑区分布的位置并不一样｡8Hz的α波在全脑12个脑区的比率存在显著的差异,其分布比率由高到低依次为后颞叶､额叶､顶叶､前颞叶､中央区､枕叶;9Hz α波在全脑12个脑区的比率存在显著差异,其分布比率由高到低依次为额叶､后颞叶､前颞叶､顶叶､中央区､枕叶;10Hz α波在不同脑区的比率存在显著差异,其分布比率由高到低依次为枕叶､前颞叶､额叶､顶叶､中央区､后颞叶;11Hz α波在全脑12个脑区的比率存在显著差异,其分布比率由高到低依次为枕叶､中央区､顶叶､后颞叶､前颞叶､额叶;12Hz α波在不同脑区的比率也存在显著差异,其分布比率由高到低依次为中央区､后颞叶､顶叶､枕叶､前颞叶､额叶;13Hz α波在各脑区的比率存在显著差异,其分布比率由高到低依次为后颞叶､中央区､前颞叶､顶叶､额叶､枕叶｡
　　1.2.4 α波频率成分的左右脑区分布特点
　　不同频率α波表现出不同的左右脑区的不对称性,其中9Hz和11Hz α波表现出左右对称脑区良好的相干性;8Hz α波除枕叶和额叶外,其他脑区的左右相干性很好;10 Hz α波在顶叶､枕叶和前颞叶区域表现出明显的右脑优势;12Hz和13Hz α波则在全脑范围内均呈现明显的左脑优势｡8Hz α波在右额叶的分布比率显著大于左额叶,左枕叶的比率显著大于右枕叶; 10Hz α波在右顶叶的分布比率显著大于左顶叶,右枕叶的比率显著大于左枕叶,右前颞的比率显著大于左前颞;9Hz､11Hz α波在左右对称脑区的分布比率均不存在显著差异;12Hz､13Hz α波在左脑各脑区的分布比率均显著大于右侧对称脑区｡其他左右脑对称区域的同一频率α波的分布比率则不存在显著差异｡
　　和小学生的α波的发展特点一样,中学生的α波的平均频率也高于20世纪60年代的同龄被试[4],经济的发展､生活水平的提高等环境的变化都对中学生大脑的发育起到了一定的影响｡13～18岁中学生α波平均频率的分布特点为从额叶到枕叶逐渐增大,从高到低依次为枕叶､中央区､后颞叶､顶叶､前颞叶､额叶｡
　　
　　2 中小学生脑波超慢频率涨落分布及发展特点
　　
　　为探讨脑波超慢涨落与年龄之间的关系,分析大脑协同活动和自组织功能的增龄性变化,我们进行了深入的考察和分析,主要涉及S谱基频成分的频率､不同脑区的S谱平均频率和不同年龄被试S谱平均频率的脑区分布特点等3个问题｡
　　2.1 小学生脑波超慢频率涨落分布及发展特点
　　在对小学生脑电进行研究中,我们不仅研究了小学生脑电α波的特点,而且对小学生脑波超慢涨落频率涨落分布及其发展特点也进行了研究[5]｡
　　2.1.1 小学生脑波优势涨落频率空间分布特点
　　小学生各组优势涨落平均频率空间分布表现出额低枕高的前后梯度,在年龄低组被试有逆转现象(相邻前后脑区平均频率之比大于1为梯度逆转),随着年龄的增加,逆转现象逐渐减少,左右脑表现出左小右大的不对称性,各年龄组的Pmax→Pmin的排列非常有规律:Pmax在枕部(特别是O2区)具有绝对的优势;Pmin均分布于颞区,最小区是在右前颞(F8区)｡但这种分布受年龄的影响,除6岁组和10组以外,其余年龄组的最小区都在左前颞(F7区)｡从男女差异来看,男女生最大区相同,男生是从枕部到左颞区,而女生是从枕部到右颞区方向分布;但最小区不同,男生的最小区是左后颞(T5区),而女生的最小区是在右前颞(F8区)｡由此可以说明,大脑优势频率谱的分布状态反映了大脑的成熟水平,我们可以从优势频率谱的分布状态来判断儿童大脑的成熟水平｡
　　2.1.2 小学生脑波频率的发展特点
　　小学生脑波频率在F3､F7､T5､C3､P3区表现出显著的年龄差异,在F3､T5､C3､P3区存在年龄与性别的交互作用｡进一步的多重比较表明,不同的脑区其发展趋势是不同的,F3､C3､F7､T5 区从6岁到7岁下降最快,7岁以后呈现基本平稳的趋势;P3区从6岁到8岁下降最快,8岁以后呈现基本平稳的趋势;O1 ､O2､C4､P4､F4､F8､T6区是波浪式的变化趋势,其中O1区从6岁组到7岁组下降最快,7岁以后开始上升,且差异显著,10岁以后又下降,11岁以后又上升｡从交互作用来看,F3､C3､P3､T5交互作用基本相同,随着年龄的增长,女生从6岁到7岁下降很快,且低于男生,以后基本平稳,而男生始终上下波动｡
　　2.1.3 小学生脑波优势涨落频率梯度变化的特点
　　从优势涨落频率前后梯度逆转百分数来看,6岁组是女生高于男生,7､8岁组低于男生,到了9岁以后,一直高于男生,但左右脑略有不同,在左脑,女生到了10岁以后才一直高于男生｡从整体趋势来看,随着年龄的增长,男生无论是左脑还是右脑逆转百分数的变化幅度不大,右脑更小,而女生变化幅度相对较大｡从脑波优势涨落频率左右梯度变化来看,其年龄变化趋势与优势涨落频率前后梯度逆转的趋势一样,但从整体趋势来看,男女生优势涨落频率左右逆转百分数都有下降趋势｡但前后脑略有不同,在前后脑,女生到了10岁以后都高于男生｡随着年龄的增长,男生的前脑优势涨落频率左右逆转百分数是平稳的下降趋势,而后脑无论是男生还是女生其逆转百分数的变化是一种波动状态｡
　　随着大脑的成熟,儿童与青少年脑自发电位的频率随年龄的增长而增高[6,7]｡另有研究报告,枕区脑波α频率随年老而降低[8],而额区α频率随年老而增加,从信息加工的角度来看,随着年龄的增长,信息加工速度逐渐加快,到了约20岁以后其速度又逐渐减慢,65岁的老年人其速度相当于6､7岁儿童,加工速度有可能与大脑神经系统的成熟､老化有关[9]｡这些研究说明,信息加工速度反映了大脑神经机制的变化,而脑波频率谱的空间分布与大脑的成熟､老化有关,与认知功能有关｡脑波优势涨落平均频率的逆转情况不仅反映了大脑的老化过程[8],而且还反映了大脑的成熟及脑功能的状态｡
　　2.2 中学生脑波超慢频率涨落分布及发展特点
　　在对小学生脑波超慢频率涨落分布及发展特点的基础上,我们考察了中学生的脑波超慢频率涨落分布及特点｡
　　2.2.1 S谱系基础频率的发展特点
　　根据9种基频谱线在全脑12个脑区的频率,分别计算出每种基频谱线在全脑范围内的平均频率,并考察了其年龄和性别特点｡结果表明,中学生9种基频谱线的频率均存在显著的年龄差异,且无明显的性别差异｡9种基频谱线的频率随年龄增长,表现出相同的发展趋势,即13岁组被试的9种基频谱线频率都显著高于其他年龄组(p[10]｡实验的刺激材料包括6项操作任务,即简单反应､选择反应､字母匹配､图形匹配､句图匹配和心理旋转｡实验结果表明,不同赫兹α波的脑区分布有所不同,且相同赫兹的α波在各脑区的比率存在着显著的差异｡在总体上,左右脑8､10､11､12､13Hz的α波呈对称分布,右脑9Hz α波显著多于右脑｡经过具体的比较发现,α波在左右对称脑区的分布比率也因频率不同而表现出不同的左右脑优势｡且除左前颞叶的α波平均频率显著大于右前颞叶外,其他左右脑对称区域的平均频率的差异均不显著｡脑电α波平均频率在不同脑区的大小在9.31～9.45Hz之间｡除左前颞叶的平均频率显著大于右前颞叶外,其他左右脑对称区域的平均频率的差异均不显著｡α波平均频率的从高到低依次为枕叶､中央区､顶叶､左前颞叶､后颞叶､额叶､右前颞叶｡
　　3.1.2 α波成分与信息加工速度的关系
　　从脑电被试中随机选取了41人,分别在计算机上进行6项信息加工速度测验｡根据测验的成绩从被试中选取信息加工速度快组和慢组,将快组和慢组被试的不同频率的α波成分的差异进行比较表明,快组和慢组被试的6种频率(8～13Hz)α波的比率均无显著性差异｡快组9Hz α波的比率小于慢组,10Hz α波的比率大于慢组,8､11､12､13Hz α波的比率则基本相同｡
　　本项研究的结果表明,信息加工速度与α波的关系并不是十分明显,快组和慢组被试的6种频率(8～13Hz)α波的比率均无显著差异｡我们认为,这是由于α波是个体在安静闭目状态下产生的大脑自发电位,极易受到声､光等物理刺激的影响,在个体从事认知活动时α波消失,而代之以低幅快波｡此外,本研究并非实时地对被试从事认知活动过程中的脑电波进行监测,因此,用本研究方法进行验证α波与个体认知功能之间的关系还是有一定困难的｡
　　3.1.3 S谱基频谱线的年龄变化特征分析
　　在S谱线中,S1､S2､S3､S4､S5､S6､S7､S11､S13这9条基频谱线表现出各自不同的发展特点,但也有一个共同的现象:男生S2､S3､S6､S7､S11等多条谱线的频率在9岁时处于最高水平,而女生的这些谱线的频率则在9岁时处于最低水平｡在不同信息加工任务中表现出好与差的儿童的S谱基频频率在前后脑的比值表现出不同的特点,其中简单反应､句图匹配､字母匹配任务中,速度快组的儿童在绝大多数(≥8个)基频谱线上的前后脑频率比值均大于速度慢组｡同时,在选择反应和心理旋转任务中表现较好的儿童的绝大多数(≥7个)基频谱线的前后脑比值均小于速度慢组｡在不同的认知任务中表现出好与差的儿童的S谱基频频率在左右脑的比值同样表现出不同的特点,在简单反应､选择反应､图形匹配任务中表现较好的儿童的基频谱线都在左右脑活动更平衡,而在这些任务中表现得不太好的儿童则左右脑对称性较差｡左右脑比较平衡的儿童在简单反应､选择反应和图形匹配任务上表现较好,而左右脑差异较大的儿童则在句图匹配任务中取得了好�成绩｡�
　　3.1.4 小学生脑波超慢涨落频率与计算速度的关系
　　对每个年龄组的被试,把平均反应时等分成三组,即快组,中组与慢组,对计算速度快组和计算速度慢组中各年龄组的脑区平均频率分布进行分析,结果表明,快组和慢组基本上都呈现出额低枕高的前后梯度趋势｡就左右脑区而言,在计算速度快组和慢组两组中,左脑平均频率都小于右脑平均频率,计算速度慢组左右脑平均频率差异显著,计算速度快组左右脑平均频率差异接近显著性水平｡计算速度快组的逆转总数高于计算速度慢组,且在各个年龄组中,除了11岁年龄组计算速度快组的逆转百分数等于计算速度慢组外,其余各年龄组的计算速度快组的逆转总数都高于计算速度慢组｡就前后脑区而言,计算速度快组和慢组脑波频率左右逆转百分率的差异主要反映在后脑,后脑频率左右逆转在逆转总数上计算速度快组多于计算速度慢组｡随着年龄的增长,脑波超慢涨落频率不断减小,而且逆转现象逐渐减少｡这说明脑区不断优化,逐渐表现出有序性｡大脑左右脑区平均频率都是先升后降,只是升降的时间点不同｡我们认为在9岁时计算速度好的学生脑电超慢波平均频率最低,发展最慢,随后逐渐增加｡而在计算速度慢组正好相反,9岁时是发展的最高峰,随后脑区发展将呈下降趋势｡此时学生的计算速度能力将不断分化,最终有可能导致永远的差异｡对于小学生来说,计算速度快的儿童在进行认知活动时以高层次的前后调节为主,而计算速度慢的儿童则以层次较低的左右调节为主｡可见,脑波超慢涨落频率的分布和发展特点与计算速度有着根本的联系[11]｡
　　3.2 中学生脑电图的特点和认知功能变化的关系
　　我们使用包括句图匹配和心理旋转两项任务的表象能力测验,试图探索中学生表象能力的发展特点及其与脑电α波的关系[12]｡
　　3.2.1 中学生表象能力的发展特点
　　采用计算机记录的被试进行正确反应的时间,作为评价表象能力的指标｡正确反应所需时间越短,表象能力越强,反之,反应时越长,表象能力越弱｡根据反应时的变化,我们分别考察了中学生在句图匹配和心理旋转两项表象任务中的发展特点｡中学生在这两项表象能力测验中表现出了相同的发展特点,即不同年龄间存在显著差异,男女生的反应时无显著性差异｡反应时的年龄差异主要来自于13､14､15岁与16､17､18岁之间的差异｡16岁为反应时发展变化的一个转折点｡16岁以前,中学生句图匹配和心理旋转的反应时均呈明显的下降趋势,16岁以后则变化不大,渐趋稳定｡
　　中学生表象能力的发展经历了一个先快后慢的转折过程｡这个转折点在16岁,16岁以前个体表象能力随年龄增长逐渐提高,16岁以后则保持稳定｡在前人的研究中,对表象能力的性别差异存在着争论｡我们认为,表象并不是一种单一的能力,它是由几种不同的信息加工成分组成的,或者说它包含了一些信息加工的子系统｡男女生在表象加工的不同子系统中的信息加工速度的差异有所不同,在某些子系统中(如将信息储存在长时记忆中),女生的加工速度比男生快;相反,在另一些子系统(如激活表象记忆)中,男生的加工速度比女生快｡在整个表象加工过程中,男女生在加工子系统中的优势和劣势互补,使得其反应时的差异并不显著｡当然,这只是我们的一种假设,还需要进一步的深入研究加以验证｡
　　3.2.2 中学生的表象能力与α波频率成分之间的关系
　　Kosslyn和其同事通过展示外部条纹视觉区得出外部条纹视觉区激活现象增加的结论,所有的被试左下颞叶(37区)明显被激活了(有些被试的激活扩展到枕叶19区)｡Roland 和Gulays的研究中发现,下颞部左后区也被激活,而且说出的具体词的心理表象已经表明激活了大脑两边的颞下回和纺锤体回｡根据这些研究者的观点,右颞区的激活与更复杂的视觉表象有关[13]｡为探讨表象能力与脑功能之间的关系,在每个年龄段,根据被试句图匹配和心理旋转两项作业的反应时,分别对两项表象作业中好组和差组的α波6种频率成分(8～13Hz)比率进行了比较,结果表明好组和差组6种频率的α波差异均不显著,但在句图匹配和心理旋转作业中好组10Hz α波的比率均高于差组｡
　　根据EEG技术中α节律的衰减与脑区活动的增强有关的原理,许多研究者将EEG应用于视觉表象的研究｡本研究中采集的是中学生被试安静闭目状态下的α波数据,而不是实时记录被试表象操作过程中的脑电α波｡在某个占主频的α波变化,能在一定程度上反映表象能力的差异｡我们认为,虽然脑电α波能够客观地反映个体大脑的生理成熟过程,可以将其作为衡量中小学生脑发育和成熟程度的主要指标,但是用静息状态下α波频率成分来推测个体认知功能的方法具有很大的局限性,我们有必要从其他的途径更深入地来探索表象能力的脑�机制｡�
　　
　　参 考 文 献
　　1 梅磊.ET-脑功能研究新技术.北京:国防工业出版社,1995
　　2 沃建中,曹河圻,潘昱,林崇德. 6～12岁儿童脑电α波的发展特点.心理发展与教育,2000,16(4):1～7
　　3 刘世熠,邬勤娥.8岁至20岁儿童与青少年脑电图的研究.心理学报,1962,3:173～183
　　4 沃建中,林崇德,潘昱.13～18岁青少年脑电α波的发展特点.北京师范大学学报(自然科学版),2001,6:825～831
　　5 林崇德,沃建中. 6～12岁儿童脑波超慢频率涨落分布及发展特点.心理科学,2001,24(3):257～261
　　6 Gratton G, Alessandro E P, Monica F, et al. Functional correlates of a three�component spatial model of the alpha rhythm. Brain Research, 1992, 582: 159～162
　　7 Shearer D E, Emmerson R Y, Dustman R E. EEG relationships to neural aging in the elderly: Overview and bibliography. American Journal of Electroencephalography Technology, 1989, 29: 43～63
　　8 梅磊,刘月红等.巴金森症的脑涨落图分析.中华医学杂志,1990,70(2):105～107
　　9 Kail R. Developmental change in speed of processing during childhood and adolescence. Psychological Bulletin, 1991,109:490～501
　　10 曹河圻,沃建中,林崇德,潘昱. 6～12岁儿童脑电α波频率分布特点与信息加工速度的关系. 心理学探新,2000,20(4):32～37
　　11 沃建中,林崇德,刘军. 6～12岁儿童脑波超慢涨落频率与计算速度的关系. 心理学报,2001,33 (6):526～531
　　12 潘昱,沃建中,林崇德. 12～18岁青少年表象能力和脑α波的发展特点及关系. 心理发展与教育,2001,17(4):6～11
　　13 Cabeza R, Nyberg L. Imaging cognition Ⅱ: An empirical review of 275 PET and fMRI studies. Journal of Cognitive Neuroscience, 2000, 12(1): 1～47
　　
　　THE POWER ENCEPHALOFLUCTUOGRAPH OF DEVELOPMENTAL
　　INTELLIGENCE OF PRIMARY AND MIDDLE SCHOOL STUDENTS
　　Lin Chongde, Wo Jianzhong, Liu Huijuan
　　(Institute of Developmental Psychology,Beijing Normal University,Beijing100875)Abstract
　　The study on intelligence of normal students by ET showed that:(1)the average power of the brain alpha wave appeared higher with ages in primary school students,but it didn＇t do that in middle school students,and they were more higher than 1960s;(2)there were low power in the frontal area and high power in the occipital area in the configuration of dominant power encephalofluctuograph in younger group, and this phenomenon decreased with age getting older;(3)the relation between information speed and the brain alpha wave didn＇t appeared evidence.but the speed of calculation and the characteristics of brain wave power had certain underlying relation. It showed difference in terms of the relation between the imagery ability and the average powers of different brain areas with different ages. the power of the high group in right parietal area, right anterior temporal area, right posterior temporal area and left posterior temporal area was higher than those of low group.
　　Key Words primary and middle school students,intelligence development,encephalofluctuograph.