艺术与认知专着:艺术,阅读和脑成像方面的培训 

我们进行了一系列研究,以调查审美能力和艺术教育如何与儿童阅读能力的提高相关联。作为这项研究的一部分,我们开发了弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)的新分析工具,这是一种识别参与阅读技能发展的大脑区域之间可能的联系的方法。我们还研究了视觉艺术的接触可能与语音意识(操纵语音的能力)有关,这与阅读能力有关。此外,根据该研究中的偶然发现,我们开展了一项研究,以探索视觉艺术的接触与儿童的数学计算能力之间的关系。

我们的研究包括49名7至12岁的儿童,他们参加了NIH资助的关于阅读技能发展和与此发展相关的大脑结构的纵向研究。在这项研究中,我们增加了一些措施来确定艺术培训对儿童阅读流畅度和语音意识的影响。我们通过父母问卷收集了关于儿童在视觉艺术,音乐,舞蹈和戏剧/戏剧方面的培训的数据。我们还收集了父母报告的关于孩子的气质和开放性的数据。然后,我们将这些艺术训练数据与三年期间阅读流畅度和语音意识的儿童考试成绩相关联。

研究结果表明,我们研究的第一年儿童接受的音乐训练量与三年研究期间儿童阅读流畅度的改善量相关。

此外,我们在每个儿童中使用DTI将这些行为测量结果与胼os体的解剖结构中的个体差异相关联,该胼um体结构连接大脑的左半球和右半球。我们测量了大脑区域(通信电缆)之间特定连接的组织特性,以确定强弱读者之间的结构差异。我们发现连接大脑颞叶的轴突束中的扩散与我们所有的阅读能力测量相关; 语音意识表现出最强的相关性。我们还发现视觉艺术经验与语音意识之间的弱相关性。最后,根据这项研究的一项偶然发现,

介绍

我们的团队有两个主要目标作为财团的一部分。一个是为所有联盟的受资助者开发和传播工具,用于使用脑白质的扩散张量成像(DTI)。白质由轴突(脑细胞的通信电缆)组成,它们可以实现从一个大脑区域到另一个大脑区域的通信。我们的第二个目标是调查审美能力和艺术教育如何与阅读技能的行为发展相关联,并用DTI调查这些行为测量如何与大脑结构的发展相关联。为了实现这些目标,我们将此联合会的研究纳入美国国立卫生研究院(NIH)资助的7至12岁儿童阅读发展的纵向研究中,其中我们评估了三年内儿童阅读技能的发展。

在本报告的第一部分,我们描述了我们根据Deutsch获取和分析艺术调查问卷的基本工作,创建了用于评估审美能力与艺术教育之间相关性的新的行为测量。在第二部分中,我们简要介绍了我们开发的用于分析DTI的新工具,主要是通过Akers创建DTI软件。在第三部分中,我们描述了初步结果,揭示了脑结构和阅读必不可少的行为之间的关系。

这些研究的主要发现之一是,第一年测量的音乐训练量与我们研究三年期间儿童阅读流畅程度的改善量显着相关。

此外,我们在第四部分讨论偶然的发现:在我们的样本中,我们发现暴露于视觉艺术和数学计算的改进之间的相关性,以儿童的计算测验分数衡量。对于这个新的研究方向,我们与哈佛大学的Dehaene和Spelke以及我们在教育学院的斯坦福大学的同事Richard Shavelson教授和Jessica Tsang联合发起了一项合作研究。

研究设计和结果

第一部分:阅读,艺术教育和美学

结合美国国立卫生研究院资助的阅读发展纵向研究,我们探索了艺术培训,儿童气质和阅读流畅度之间的关系。我们制定了艺术教育调查问卷,并使用了由Victor,Rothbart和Baker(2003)开发的儿童气质和个性问卷(CTPQ)的修改版本。艺术教育调查问卷探讨了艺术教育的四个领域:1)视觉艺术2)音乐3)舞蹈4)戏剧/戏剧,包括在校教育,以及正规培训和独立实践,分别在这四个领域。

家长报告说,他们的孩子每周在学校外接受正规培训的时数,花在独立实践上的时间,并接受了在校指导。家长还评估了孩子的技能水平。审美能力是由儿童气质和个性问卷调查。在阅读研究的第1年和第2年之间,我们获得了49名儿童(7至12岁)的问卷数据。在阅读研究的第3年,我们获得了41个这些儿童的问卷数据。

我们研究了行为和影像测量与开放性体验量表之间的关系,其中包括四个因素:1)想法2)美学3)智力/快速学习4)感知灵敏度。使用SPSS(统计软件)进行探索性主成分分析(PCA),以调查儿童样本(n = 49)中儿童气质和人格问卷的项目。PCA分析揭示了五个组成部分,根据测量的重要性确定为1)智能/快速学习,2)美学,3)感知敏感度,4)分散度和5)想法。这些分别解释了方差的22.5%,18.1%,10.1%,7.3%和5.3%。这些项目通常由原始儿童气质和个性问卷确定的相同组件加权。智力/快速学习因子与父母对子女的评分与智商和阅读流畅度测量显着相关。相关系数r = 0.42(统计学显着性p <.005)至r = .57(统计学显着性p <0.001)。因此,父母关于他们的孩子的报告通常与使用标准化智商和阅读测试的测量一致。

最简单和最引人注目的观察是:第1年测量的音乐训练量与第1和3年的阅读流畅度改善量显着相关(图1.1)。我们还要补充说,这种相关性并不意味着音乐培训会导致阅读的改善。有可能在智力上有能力进行音乐训练的孩子也可以阅读。观察到的相关性应随后进行对照研究,以分析因果关系的可能性。

艺术与大脑Wandell图1.1
图1.1音乐提供了艺术培训和阅读之间最密切的关联。根据阅读流畅性标准化分数(Woodcock-Johnson III)的差异(y3-y1)绘制第一年的音乐培训终生小时数。Pearson r = 0.43(±0.13),p = 0.006,N = 40。根据极端的音乐评分排除了一个异常值。灰线适合数据点,使平均最小平方误差最小化。(所有图表和图片由Wandell Lab提供)

另一个更令人惊讶的观察是早期视觉艺术体验与语音意识(注意语音模式)之间的关系。语音意识是一种与阅读能力可靠相关的听觉技能。在我们研究的第一年,早期视觉艺术培训的儿童比没有接受过这种培训的儿童有更高的语音意识。这些组之间没有显着的年龄差异(平均年龄分别为10.2和10.9)。图1.2所示的两组语音意识分数的差异在我们的研究的第一年非常大且非常显着(统计上)。然而两年后,当年龄大约为12.5岁时,语音意识分数的差异消失了。这种现象 – 一种随时间消散的早期相关性 – 通常在发育文献中被观察到。对失踪的解释被认为是许多因素有助于技能学习。随着孩子的成长,他们找到很多方法来掌握技巧。因此,早期关联所揭示的因素的影响随着时间变得越来越不重要。

艺术与认知 - 第4章 - 图1.2  - 聚光灯

图1.2。4岁以前具有任何视觉艺术经验的受试者(分别为蓝色,N = 37,37,34,分别为y1,y2,y3)得分高于没有这种训练的受试者(红色; N = 11,9,7)年(t = 2.01,p <0.05)。差异在第2年下降,在第3年消失。

我们发现视觉艺术训练和语音意识之间的这种相关性令人惊讶。也许可以从对家长提供的培训的重视程度,或通过参加提供两种技能培训的学前班中找到解释。视觉艺术评分可能是强烈的父母参与的一个指标,随着教育年限的增加,测量的父母效应会降低。无可否认,效应是基于一个小样本,并可能在一个更大的样本重复检查中消失。

作为我们与Shavelson教授的新合作的一部分,我们将把我们对阅读数据的分析扩展到项目特定分析。我们计划完成全面的阅读和一般智力测量的研究,以及与艺术经验的相关性。

第2部分:扩散分析和可视化工具

识别大量白质纤维(束状物)(促进人脑中细胞通信的脑细胞轴突束)的路径和性质的方法是理解人脑组织和发育的重要组成部分。我们在开发计算算法以识别和测量这些路径方面取得了实质性进展。

根据扩散张量成像(DTI)数据估算的路径解释,不仅需要熟练的科学家,还需要广泛的可视化工具。David Akers开发了一个漂亮的图形界面,用于选择,编辑和可视化DTI白质纤维束。他对我们的工作流程进行了系统研究,并开发了一个软件应用程序,可协助所有与DTI数据交互的联盟调查员。图2.1来自David的论文(发表在Computer-Human Interaction论文集中),并展示了软件的接口。

 艺术与认知 - 第4章 - 图2.1  - 内容

图2.1。DTI可视化工具(Akers 2006)。

电气工程系学生Anthony Sherbondy与Robert Dougherty和Wandell教授一起分析了现有的追踪白质束通路的算法。他们发现了这些算法中的一些局限性,导致调查人员错过重要的分册(轴突纤维组),限制了我们估计两个“灰质”位置(神经细胞体区域)通过其轴突连接的概率的能力。Sherbondy,Wandell和Dougherty开发了新的概率跟踪工具来更好地估计这些分册。

管理软件开发工作的Robert Dougherty将Aker和Sherbondy的贡献与我们用于DIT分析的一般实验室测量工具mrDiffusion相结合。该软件包目前可供下载(http://sirl.stanford.edu/software/)。

 艺术与认知 - 第4章 - 图2.2  - 聚光灯

图2.2。DTI纤维束成像和工具(Sherbondy,Akers等2005)。

这些改进的束缚算法和分析工具已被集成到我们的软件中,作为我们mrDiffusion软件包的更新发布给联盟研究人员。例如,联盟调查员Posner和Neville计划在他们的研究中使用我们的软件工具(通过Akers和Dougherty的努力,与Yalchin Abdullaev,Jolinda Smith和Mark Dow在俄勒冈大学刘易斯中心进行神经成像)。这些软件开发工作也广泛地与科学界分享。描述我们开发的新的白质路径寻找方法和算法的论文目前正在审查中发表。此外,Akers与NIH的工作人员合作,将DTI可视化方法纳入NIH神经影像工具AFNI。这个工具在世界各地的数百个实验室中使用。

第三部分:白事通道,阅读和艺术培训

我们研究的第三部分重点是制定具体的行为和神经测量。识别每个脑中的主要轴突纤维束是跟踪大脑发育的重要步骤。因此,Arvel Hernandez开发了一个协议,用于定义每个儿童大脑中特定的轴突纤维通路,并将该协议应用于所有大脑。

来自参加NIH支持的阅读发展纵向研究的49名儿童的调查数据告诉我们父母和孩子的艺术经历。下面描述的是将行为测量与大脑结构联系起来的研究结果。

我们最初的努力一直是确定穿过大脑胼os体的轴突的主要途径(图3.1),这是连接大脑左右半球的结构。广合We广质质合合We合合We合合We合合合合We合合合We合合合质We We合合合合合We合合We合合合合合合合合质质合We合合合We We合We We合合合We We We We合合合广合质We We合合We We We We合质合We We广合合广合合合广合We合质We We We合合广合质合广质质合We合 从前到后(从前到后),胼um体中的纤维系统地连接大脑皮层的不同区域。(Huang,Zhang et al。(2005))提出了一种胼al体分割方法,该方法允许我们对单个语料库进行分割并测量局限于特定白质(轴索)通路的发育。

艺术与认知 - 第4章 - 图3.1  - 内容

图3.1。合We合We合We广We合合We合We广合合We合We广广合广合合

图3.1显示了一个孩子脑部的胼segmentation体分割。不同的颜色对应于各种轴突纤维束穿过胼zones体的区域。我们预计这些区域的发展速度不同,并且它们的扩散特性将与认知发展的不同方面相关联。例如,视觉和听觉信息必须在大脑的两个半球之间快速结合以形成统一的感知,而在行政额叶控制电路之间进行通信的轴突纤维可能不需要快速的电传导速度。

因此,在所有人类中,与执行控制通路的扩散特性相比,大脑的感觉通路应该表现出扩散特性,这些扩散特性表明大的,快速传导的轴突。此外,不同组的胼path路径对于不同的认知和行为技能可能是重要的。例如,我们预计连接大脑颞叶的路径对于声音和音乐感知是重要的,并且连接视觉皮质对视觉重要的路径。因此,这些通路中扩散特性的个体差异可能会根据相关的行为测量而变化。

胼os体本身是一个动态变化的大脑区域,在7岁到10岁之间,在这段时间内表现出大小和形状的显着变化(例如Thompson,Vidal et al.2001)。这些形态变化反映了细胞水平的变化(Aboitiz,Scheibel等,1992)。我们预计,这些发展变化中的许多是特定于不同年龄段的特定途径的。例如,Thompson等人 提示后胼temporal体的颞叶和顶叶途径在6〜12岁发育过程中发生的变化最大,这可能反映了复杂的语言和视空间推理能力的发展。

然而,这些测量不能确定哪种特定的轴突纤维路径正在发展。此外,现有测量值存在明显差距。死亡人群的大脑研究(死后研究)在细胞水平上提供了很好的数据,但当然不能进行行为或生理测量。相反,大体解剖学研究(在宏观而不是微观层面上),例如Thompson等人 提供令人信服的生物体数据,但不能超越大体形态(形态和结构)。为了填补这个空白,我们使用DTI来测量大脑白质的发育。DTI通过分析大脑中水分子的扩散来显示轴突网络,这些分子倾向于沿着轴突扩散。

使用这些工具,我们发现强壮和弱弱的读者在胼os体后段内的特定位置有所不同。水在垂直于胼fibers体纤维的方向上的扩散性与语音意识和阅读技能高度相关(Ben-Shachar,Dougherty等2007; Dougherty,Ben-Shachar等2007)。

我们发现连接大脑颞叶的轴突纤维束中的扩散与语音意识最密切相关,语音意识是一种与阅读能力可靠相关的听觉技能。具有更好的语音意识技能的儿童通过连接颞叶的胼part体的部分穿过的轴突更少或更多。虽然艺术培训措施与第一年的胼al体测量不相关,但我们上述研究中描述的音乐训练与阅读流畅性改善之间的行为相关性表明,我们可能会检测到音乐训练与扩散特性发展之间的关系。我们目前正在进行这种测量。

第4部分:未来方向 – 艺术培训和数学能力

我们小组已经对一群具有广泛阅读技能的孩子进行了纵向成像和行为测量。该研究由NIH大部分资助,目前正处于数据采集的最后一年。在用我们的行为测量分析Dana支持的艺术调查问卷的研究结果时,我们测量了不属于NIH研究的变量。因此,我们注意到视觉艺术体验和数学技能之间的有趣关系(由Woodcock-Johnson III计算测试测量)。视觉艺术经验与Woodcock-Johnson结果之间的相关性如图4.1所示。

艺术与认知 - 第4章 - 图4.1  - 聚光灯

图4.1。视觉艺术体验与数学技能相关。横轴表示y1在学校的视觉艺术活动中每周平均花费的时间。垂直轴显示在第1年(Woodcock-Johnson III)测量的年龄标准化计分。Pearson r = 0.34(±0.14),p = 0.017,N = 48。灰线适合数据点,使平均最小平方误差最小化。

我们还确定了校外音乐体验与儿童记忆一系列数字(CTOPP记忆数字测试)之间的中等相关性(r = 0.40,p <0.01)。该测试是一种可靠的测量工作(短期)记忆,这对于认知功能(包括较大数字的计算)很重要。

我们对数学技能的评估仅限于一项测试,因为我们最初的重点是阅读发展,因此仅在我们的研究的第一年进行。为了进一步探索艺术体验,数学技能和大脑结构之间的关系,我们正在测量各种数学技能的表现。最终,我们将研究这些措施与纵向DTI测量和艺术问卷之间的关系。

新的数学技能测量是基于成人大脑中两种主要的算术研究结果。首先,已经表明回忆从记忆回答算术问题和完全计算答案是可分离的功能(Dehaene和Cohen,1997)。其次,与计算精确答案相比,成年人使用不同的大脑区域来估计算术和(Dehaene,Spelke等,1999)。这些发现表明,成人大脑中存在三种不同类型的算术处理:召回,估计和精确计算。

基于这些发现,我们已经试行了一项任务,可以澄清不同的算术过程如何发展。在任务中,参与者在计算机屏幕上看到一个算术问题以及两个答案选项。他们通过按下与答案出现的屏幕侧面相对应的按钮来选择正确的答案。我们提出了三种类型的问题:简单的乘法和加法问题,可以通过回忆记忆的事实来回答; 参与者选择确切答案的两位数附加问题; 和参与者选择最接近正确答案(估计任务)的答案选项的两位数附加问题。除了计算机化任务之外,我们还包括一项标准的年龄规范评估数学能力WRAT-4(宽范围成就测试4)。

我们从计算机任务中获得的试验数据表明,孩子们花费不同的时间来回答不同类型的问题,这样从记忆中回忆的问题需要最短的时间,估计问题是第二短的时间,准确的计算问题最长。

随着我们不断探索数学技能,我们将能够分析这些差异是否随着年龄增长而发展,它们与其他认知方法的表现如何相关,以及它们与白质脑结构的关系。我们正在研究的具体神经解剖学假设涉及弓形束的前段(见图4.2)。这是连接在算术任务中始终激活的皮层区域的大型路径。这双边纤维束可能对工作记忆以及数学技能很重要。我们正在处理在我们研究中的所有孩子的大脑中识别这个区域。

艺术与认知 - 第4章 - 图4.2  - 内容

图4.2。在一个孩子(7岁的女性好读者)中,弓状束的背侧纤维连接下额叶皮层和下顶叶皮层和颞后皮层。前段(青色)是双侧发现的,而长段(橙色)仅出现在左半球。

结论

我们的财团研究取得了三项进展。首先,我们开发并发布了用于分析和可视化DTI数据的高级软件工具。这些工具可以用来研究认知技能发展的神经基础。其次,我们关于艺术训练与认知发展之间关系的数据揭示了音乐训练的数量与儿童阅读流畅程度的改善之间的相关性。第三,我们发现脑结构 – 一部分胼os体的扩散特性 – 与阅读能力以及语音意识(一种与阅读能力密切相关的听觉技能)之间的相关性。

另外,我们有关于数学技能和艺术之间关系的初步数据。我们已经注意到视觉艺术训练与数学计算技巧之间的惊人相关性,正如Woodcock-Johnson III计算测试所测量的那样。我们根据Dehaene和Spelke的认知假设试验了一套新的实验研究,并正在进行研究以确定弓状束的前段是否可能是数学技能发展的生物指标,以及这个相同的段是否可能鼓励通过视觉艺术培训来发展。

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参考

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