【背景分析】

学习过程中，我们的大脑是如何运作的？如果能对学习过程中大脑运作方式进行了解，并实施积极干预，提高学习能力就成为可能。

【研究进展】

2018年和2019年，来自德国图宾根大学的研究团队，在《Scientific Reports》和《Developmental Neuropsychology》（发育神经心理学）上发表了两篇研究报道，对学生在数学学习过程中，大脑的运作方式进行了全面的分析。

【研究过程】

研究团队在当地小学选取了24名五年级的学生（女生9名，男生16名），进行乘法计算测试。测试通过专门的软件进行，方法如下图所示：

如上图所示，屏幕下方为需要计算的题目（如13X4），学生需要从上面3X4，共12个方格的数字中，选出正确的答案。选错、或者没有在规定时间内选出答案，都不得分。测试共96道题目，16道为一组，共进行6组测试，每组中间进行短暂休息。同时，在测试过程中，记录学生脑电（EGG）变化情况。

如上图所示，记录了学生在测试过程中，脑电的数据变化。其中红色表示升高，蓝色表示降低。

ERD代表事件相关去同步化，它表示大脑某一皮层区域活跃起来, 特定频率的节律性活动表现为幅度的降低；ERS代表事件相关同步化，它表示在大脑静息、或者惰性状态，表现出明显波幅增高。ERS升高、ERD降低，有助于增加θ波段的大脑活动。

如上图所示，记录了24名学生，第1组至第6组测试中，计算用时和平均错误率的变化情况。可以看出，随着大脑4-7Hz的theta（θ）波段功率的增加，测试中计算错误率呈现下降趋势；研究团队判断，这种变化，即大脑theta（θ）波段功率的增加，提高了学生相关脑区的执行功能、信息检索能力，进而提高了计算的准确率。

这项结果也验证了该团队在前一年（即2018年）针对儿童和成人在数学计算中，大脑运作方式区别的研究。当时发现：在乘法计算测试中，成人大脑theta（θ）波段功率、alpha（α）波段功率都出现了增加；而儿童大脑只有theta（θ）波段功率明显增加，说明成年人和儿童，在处理数学问题时，大脑运作方式是不同的。

【提升学习能力的研究】

近年来，关于通过tDCS提高数学计算能力、提高记忆能力（如记忆单词等）的研究发现，tDCS促进学习，主要通过以下三方面的影响来实现：

1、降低大脑中起抑制作用的神经递质—γ-氨基丁酸的水平，而γ-氨基丁酸已经被证明和学习呈现负相关；

2、通过改善突触连接，提高神经可塑性，以此来改善学习；

3、通过增加脑源性神经营养因子（BDNF）的分泌，保护大脑皮层神经元细胞。

tACS可以看作是tDCS的一种特殊版本，它将电流设置为在电极之间呈正弦波动（即交流电），而不是显示出恒定的极性（即直流电）。tACS对于学习、记忆能力的影响，主要通过theta-gamma交叉频率耦合机制实现。

如上图所示，是德国奥尔登堡大学两位教授，研究tACS对短时记忆的影响，发现在gamma（γ）波为42Hz的情况下，theta（θ）波从7Hz降低到6Hz，学生的短时记忆能力得分从6分提升到了7分，这也在他们后面试验中得到了验证。

【研究结论】

tDCS和tACS都属于无创脑刺激技术（NIBS），以往由于他们的作用机制不同，干预方式不同，限制了相关产品的开发。随着技术的进步，目前已经可以将tDCS和tACS、以及CES（经颅微电流）等进行集成，整合在一台设备上，（tDCS和tACS最大的区别，就是电流的输出形式不同）国外相关设备已经问世，并在医疗、教育、健康等领域得到了广泛应用。

【参考文献】

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, 8(1): 1-15.