内容导读
空间能力是人类工作和日常生活的基本能力。从脑发展学的角度看，空间能力具有明显可塑性，可以通过特定的训练得到提高。已有的实证研究表明，地理教育能够促进大学生的空间能力。然而，地理教育如何塑造人类大脑进而提升空间能力的机制尚不清楚。
作为地理学和认知神经科学所长期关注的焦点，在过去二十年间，空间能力的神经影像学研究已经有了突破性的进展。这些研究主要集中于对性别、年龄等人口学因素上的空间能力差异，但是，对于地理教育的空间能力可塑性研究则较少涉及。从认知神经科学的角度探讨地理教育如何提高大学生的空间能力，可以为进一步完善地理教育、培养地理人才提供科学参考。
在本研究中，我们对63名北京师范大学本科生被试进行了行为实验，其中49名被试进行了功能性磁共振成像（fMRI）实验。所有被试根据本科年级和专业被分为四个小组，并分别完成了四项空间能力任务。本研究运用任务态全脑分析与静息态功能连接分析方法，首次提供了地理教育提升大学生空间能力的脑影像证据。
研究内容
我们将本科专业(地理专业/非地理专业)和本科学年(大一/大四)作为实验的自变量。两个实验都采用被试间设计，构建了互相独立的四组，被试性别、年龄均无显著组间差异。所有被试会完成行为实验，根据自愿原则进行fMRI实验。行为实验和fMRI均包含心理旋转、空间定向、空间可视化与空间关系推理四项内容，两次实验题型相同（四选项选择题），具体题目不同。此外，在行为实验前，被试还需填写圣巴巴拉空间方向感量表（SBSOD）；在fMRI任务态实验前后，被试还需进行静息态和T1结构像的MRI扫描，用于后续数据预处理与分析（图1）。
图1 行为实验与fMRI实验设计
在本研究中，针对行为实验结果运用经典的显著性检验进行分析；针对fMRI数据，考虑到分别对大学生认知过程与可塑性发展的探索，对任务态影像（ts-fMRI）使用全脑分析，对静息态影像（rs-fMRI）使用功能连接分析。具体过程如下图2：
全脑分析：首先，在完成标准的ts-fMRI预处理后，将影像输入广义线性模型(GLM)。然后，将获得的血氧水平依赖信号(BOLD)与标准血流动力学响应函数(HRF)进行卷积，获得beta信号。对四个分组的被试beta信号数据进行了组内分析，以观察个体受试者在特定任务下的大脑激活。然后，选择全因子模型进行组水平分析[独立样本t检验以及包括学年×专业相互作用的双向方差分析(F检验)]，比较各组之间大脑激活的显著性差异（AlphaSim p < 0.05）。
功能连接分析：首先，在完成标准的rs-fMRI预处理后，按上述流程获得beta信号。根据蒙特利尔神经学研究所脑影像模板（AAL90）对全脑进行解剖区分割，提取各脑区beta信号，进而基于pearson相关构建脑功能连接矩阵（图3）。一方面，对四个分组的被试脑功能连接依照每个连接，进行T检验和F检验（连边分析）；另外一方面，将脑功能连接视为加权无向图，提取网络指标（节点度与节点集聚系数），进行网络分析。
图2 任务态与静息态fMRI分析流程
图3 大脑静息态功能连接构建可视化。
(A) 大一非地理组；(B) 大四非地理组；(C) 大一地理组；(D) 大四地理组。
研究结果
行为数据表明，地理专业大四学生（G4组）在空间能力任务的完成准确性高于地理专业大一学生（G1组）和非地理专业大四学生（N4组）（见原文）。而全脑分析则发现，在完成任务的过程中，G4组相比其他组的学生在脑岛（Ins）、舌状回（Ling）、前额叶（MFG/SFG）和楔前叶（pCUN）上均显著激活，分别代表着该群体在视觉注意、物体识别、空间记忆和自心空间参考上有所提升（图4）。我们推断对这些认知过程提升对应的地理课程或教学环节包括数字地图学（地形图阅读提升视觉注意和物体识别）、中国地理（山川、湖泊、政区记忆提升空间记忆）以及GIS实习（野外调查和GPS运用提升自我为中心的空间参考表征）等。
图4 全脑分析（F检验）结果。a) 心理旋转任务；b) 空间定位任务；c) 空间可视化任务；d) 空间关系推理任务。图例展示了激活的大脑团块。
功能连接连边分析发现，随着年级的提升，本科生完成空间能力任务时，前额叶、海马（PHG）、内嗅皮层（EC）、旁海马（PPG）等大脑区域之间联系强度显著提升；而大四地理组相比于大四非地理组的提升要更显著（图5）。而网络分析发现，在一些重要的大脑节点，大四地理组相比大四非地理组在集聚系数上显著提升；而大四非地理组相比大一非地理组在节点度上显著下降（图6）。两种分析表明虽然大学教育都会对空间能力有着正向可塑性，地理教育会比非地理教育提升更明显，尤其体现在完成任务中各认知过程的转换效率更高。
图5 静息态功能连接连边分析结果。a) 大四地理组 vs 大一地理组；b) 大四非地理组 vs 大一非地理组；c) 大四地理组 vs 大四非地理组；d) 年级x专业的交互效应。
图6 静息态功能连接网络分析结果。a) 网络节点度；b) 网络节点集聚系数。
总结与展望
本研究通过脑与行为实证分析，首次得到了地理教育塑造大学生空间能力的神经影像学证据，表明了接受地理教育的大学生具有更强的心理旋转、空间可视化和空间关系推理能力。未来的地理教育研究可以运用神经影像学更深入地探索地理教学和能力提升之间的因果关系，从跨学科的角度更好地为地理学创新人才培养做出贡献。
参考文献
Weihua Dong, Qi Ying, Tianyu Yang, Lin Zhu, Yu Liu & Xiaohong Wan (2023) Geography education improves spatial ability: evidence from fMRI and behavioral experiments, Cartography and Geographic Information Science, DOI: 10.1080/15230406.2023.2171493
素材来源：S3-Lab
材料整理：董卫华
内容排版：曹仁君
本篇文章来源于微信公众号:恒挚科技EVERLOYAL
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