李文福, 童丹丹, 邱江, 张庆林. (2016). 科学发明问题解决的脑机制再探

的进步和社会经济的发展具有重要作用。研究者一 致认为创造性在定义上包含新颖性和有用性两个 关键成分 (Barron, 1955; Jung, Mead, Carrasco, & Flores, 2013; Sternberg & Lubart, 1993)。但是在实 验室研究中 , 由于环境的限制很难主观要求受试者 创造出真正现实有用的产品或想法 , 想要研究那些 对社会历史具有巨大影响的创造发明的产生过程 就极为困难或者说不可能。 Boden (1994)指出不管 一个想法在历史上曾出现过多少次 , 只要对当前个 体而言是新颖的就可以称之为创造性 , 因此可以将 现实生活中发生过的重大科学发明实例作为实验 材料 , 在实验室研究中设置适当的条件 , 诱发受试 者重现科学发明的产生 , 以对其进行研究 , 有利于 提高实验研究的生态学效度。 创造性的发生是一个全脑参与多脑区协作的 复杂过程 , 需要多种认知功能和心理资源的协同作 用 , 这给创造性神经机制的研究带来极大困难和挑 战。以往研究使用发散思维和顿悟问题解决等任务 探索了创造性的认知神经机制 (Dietrich & Kanso,
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的幅度大小 , 来表示每个体素的 BOLD 信号强度 , 从能量代谢的角度反映静息状态下神经元自发活 动水平的高低 (Zang et al., 2007)。目前该方法已经 被用于个体认知能力研究 , 比如工作记忆 (Zou et al., 2013)等。另外该方法也可以反映各种精神病理 学疾病引起的大脑自发活动的改变 , 比如儿童多动 症 (Zang et al., 2007)和抑郁症 (Zhu et al., 2012)等。 为了探索科学发明问题解决的神经机制 , 本研 究拟利用静息态脑成像技术 , 综合采用 ReHo 和 ALFF 两种分析方法 , 选取发生在现实生活中的具 有较高生态学效度的科学发明问题材料 ( 详见实验 材 料 部 分 ), 研 究 科 学 发 明 问 题 解 决 的 神 经 机 制 , 以探明静息状态下大脑自发活动与创造性之间的 关系。
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引言
创造性是人类的一项独有才能 , 对于社会文化
2010)。比如通过比较发散思维任务 (说出一个物体 尽可能多的用途 ) 和智力任务 , 研究者发现二者在 电生理学特征 (Fink, Benedek, Grabner, Staudt, & Neubauer, 2007; Jaušovec & Jaušovec, 2000a, b)和前 额叶激活模式上存在显著差异 (Carlsson, Wendt, & Risberg, 2000)。其他研究者利用字谜、谜语和远距 离联想等顿悟问题解决任务 (Bowden, Jung-Beeman, Fleck, & Kounios, 2005; Jung-Beeman et al., 2004; Luo & Niki, 2003; Qiu et al., 2010), 发现顿悟主要 与海马、前扣带回、前额叶、右侧前部颞上回、楔 前叶和枕下回等脑区有关。范亮艳等人 (2014)在研 究中要求被试完成人脸设计任务和人脸复制任务 ( 前者涉及更多的创造性成分 ), 结果发现人脸设计 任务更多地激活了内侧前额叶、额中回、右侧颞上 回、前扣带回、双侧海马和楔前叶。总结这些研究 可以看出 , 创造性是一个全脑参与的复杂认知过程 , 涉及不同脑区间的功能协作。 虽然上述研究对于理解创造性的本质具有重 要作用 , 却很少有研究触及现实生活中发生的科学 发明的神经基础。个中原因可能是此类现象发生的 鲜见以及难以复制和扑捉 , 导致有关研究少之又少 , 因此亟须一个研究 摩擦力极小 , 蹬动双 腿就能达到每小时 30 公里的时速。 问题： 在南极冰原上 , 汽车的轮胎会打滑 , 使 用防滑链不起作用 , 甚至履带车的履带也会打滑 , 如何设计一种适合冰原的机械化运输工具？ 由于被试先前并未知晓答案 , 只有在原型材料 的启发下 , 通过积极主动思考 , 才能想到解决问题 的方法。虽然这些实例在科学史上曾发生过 , 但由 于发生时间的新近性 , 其解决方法被试并不知道 , 对于被试而言是首次想到的方法。在这一点上, Boden (1994) 曾指出 “ 实验室中所说的创造性是针 对个人创造性而言的 , 不管某个想法在历史上或者 社会上出现过多少次 , 只要对某个个体来说是头一 次出现就可以称为创造性 ” 。此材料库在以往研究 中已得到广泛应用 (Luo, Du, et al., 2013; Luo, Li, et al., 2013; Tong, Zhu, et al., 2013)。 为了降低一般问题解决过程对科学发明问题 解决过程带来的影响 , 我们对应选择了 29 个几乎 没有难度的常规性问题 , 此类问题经常在教科书或 者媒体上出现 , 具有较高的熟悉度 , 被试可以很轻 松的解决这些问题。下面是 29 个常规性问题材料 的两个样例。 测试题目 1： 原型： 章鱼脚上长着吸盘 , 它利用肌肉收缩排 出吸盘内的水 , 产生吸力 , 捕捉食物。有时甚至能 吸住比自己体重大 20 倍的重物。 问题： 我们经常需要将饰品挂在玻璃窗上 , 用 粘性物质沾改变悬挂位置后很难清除。怎样方便地 将饰品挂在玻璃上？ 测试题目 2： 原型： 一盆花掉在地上 , 花盆摔得粉碎 , 但花 的根部完好 , 花木的根系纵横交错 , 把松软的泥土 牢牢地连在了一起 , 泥土被根紧紧地箍着 , 还保持 着花盆的模样。 问题：混凝土是水泥与石子的混合物。拥有较 强的抗压强度 , 但是抗拉强度较低 , 不能建设高层 建筑与大跨度桥梁。怎样提高混凝土的抗拉强度？ 对于创造性材料来说 , 被试需要提取头脑中新 近学习的原型知识 , 并建立对应原型和问题之间的 联系 , 进而产生新的问题解决思路。对于常规性材 料来说 , 被试仅需要提取头脑中已有的知识和问题 解决思路 , 不需要产生新的解决方法。因此通过计 算两类材料的问题解决正确率 , 可以反映被试科学 发明问题解决能力和常规性问题解决能力。
收稿日期 : 2014-11-07 * 国家自然科学基金项目 (31470981), 济宁医学院博士启动基金项目 (JY2015BS03)资助。 通讯作者 : 张庆林 , E-mail: zhangql@
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子 ( 比如鲁班受到齿状草叶的启发而发明锯子 , 瓦 特受到跳动壶盖的启发而改进蒸汽机等 )可以发现 , 科学史上不乏此类由于原型启发导致创造发明的 实例 , 而对该过程的研究必会加深科学发明问题解 决实质的理解。国内学者张庆林等 ( 张庆林 , 田燕 , 邱江 , 2012; 张庆林 , 邱江 , 2005; 张庆林 , 邱江 , 曹贵康 , 2004)根据其提出的顿悟的 “原型启发 ”理论 , 从现实世界发生过的科学发明实例中筛选材料 , 编 制成《科学发明创造实验问题材料库》(朱丹 , 罗俊 龙 , 朱海雪 , 邱江 , 张庆林 , 2011), 该材料库包含 84 项来源于现实生活的科学发明例子 , 在材料特 点上具有较高的生态学效度。该理论认为在顿悟问 题的解决过程中 , 如果能够在头脑中激活恰当的 “ 原型 ” ( 草叶或壶盖 ) 及其包含的 “ 关键启发信息 ” ( 边缘齿状很锋利或者蒸汽推动壶盖跳动 ), 那么顿 悟 就 能 够 发 生 ( 张 庆 林 , 邱 江 , 2005; 张 庆 林 等 , 2004) 。创造性问题解决离不开已有知识的储备和 对已有知识的利用和创新 , “原型 ”本质上就是已有 知识在头脑中的表征或存储 , “原型启发 ”本质上就 是运用旧知识过程中的创造新知识。通过提供原型 让被试学习科学发明问题有关的原型材料 , 在一定 程度上保证了被试之间在问题解决时具有同样的 知识储备 ( 内容相同、记忆的新近程度相同 ), 控制 了被试问题解决时由于旧知识储备的不同带来的影 响, 比以往的顿悟研究更能反映创造新知识的过程。 朱丹等人 (2011)在研究中收集科学领域内新近 发生的科学发明创造实例 , 这些实例满足原型启发 特征、新颖 ( 类似关于鲁班和瓦特等的常识性实例 不在此范围 ) 和通俗易懂 ( 不涉及太专业的知识 ) 三 个标准 , 在提供原型和不提供原型两种条件下考察 科学发明问题解决 , 结果表明科学发明问题解决过 程具有明显的原型启发效应。Luo 和 Li 等人 (2013) 在研究中比较新近发生的科学发明实例 ( 比如科学 家受到鲨鱼皮的启发而发明了阻力极小的泳衣 ) 和 常识性实例 (比如鲁班和瓦特的例子 )的问题解决过 程 , 并同时利用功能性磁共振技术记录解决过程的 大脑活动 , 结果发现舌回和楔前叶两个脑区在科学 发明问题解决中显示出较强的激活。虽然其他研究 利用类似材料也对科学发明问题解决过程的影响 因素进行了探索 (Tong, Li, Dai, Nusbaum, & Zhang, 2013; Tong, Zhu, et al., 2013; 田燕 , 罗俊龙 , 李文 福 , 邱江 , 张庆林 , 2011; 朱海雪等 , 2012), 但以往 研究只是从不同的侧面分别对科学发明问题解决 的神经机制进行了探索 , 在实验范式和任务设置等
方面存在某些差异 , 导致获得的结果也很难进行直 接比较 , 从这个意义上来说在科学发明问题解决的 神经机制方面目前还缺乏共识 , 亟需脱离实验任务 限制的脑影像研究的出现。 自从 Biswal, Yetkin, Haughton 和 Hyde (1995) 做出的开创性工作以来 , 静息态功能磁共振成像研 究在最近的 20 年间得到迅速发展 (Buckner, 2012; Buckner, Andrews-Hanna, & Schacter, 2008; Fox & 该方法不受实验任务的限制和制约 , Raichle, 2007)。 能够可靠地测量到大脑内在的自发活动(Damoiseaux et al., 2006; Zuo et al., 2010)。研究者借助静息态脑 成像技术对与创造性有关的脑功能连接进行研究 , 发现了一些有趣的结果。 比如 , Takeuchi 等人 (2012) 在研究中使用基于种子点的功能连接分析方法 , 将 内侧前额叶作为种子点 , 发现内侧前额叶和后扣带 回之间的功能连接强度与个体在发散思维任务上 的成绩显著正相关。 Wei 等人 (2014)使用类似方法 , 以内侧前额叶作为种子点 , 发现内侧前额叶和左侧 颞中回之间的功能连接强度与个体在托兰斯创造 性思维测验上的得分显著正相关。 已有的关于创造性的静息态研究多采用基于 种子点的功能连接方法 , 以期发现创造性过程中不 同脑区之间的联系。但是 , 该方法仅对与创造性有 关的长距离功能连接进行了探索 , 缺乏对脑区内自 发 BOLD (Blood oxygenation level dependent)信号 的局部活动特性的关注。此外 , 在采用基于种子点 的功能连接方法时 , 种子点选取的差异会影响研究 的结果。局部一致性 (Regional homogeneity, ReHo) 方 法 在 静 息 态 功 能 成 像 研 究 中 被 广 泛 使 用 (Zang, Jiang, Lu, He, & Tian, 2004), 反映了静息状态下某 一给定体素与其相邻体素之间神经元活动的一致 性 (Zang et al., 2004)。该方法利用肯德尔和谐系数 (Kendall’s coefficient concordance, KCC)计算脑内 每一体素 (Voxel) 与其周围相邻体素间时间序列的 一致性 , 其值越高表明局部脑区神经元活动在时间 上越趋于同步 (Zang et al., 2004) 。已有研究表明 ReHo 和多种认知能力或个体特质有关 , 比如反应 抑制能力 (Tian, Ren, & Zang, 2012) 和智力 (Wang, 另外该方法对各 Song, Jiang, Zhang, & Yu, 2011)等。 种神经病理学疾病也具有较强的敏感性 , 比如阿尔 兹海默病 (Liu et al., 2008)和精神分裂症 (Liu et al., 2006) 等 。 低 频 振 幅 (Amplitude of low Frequency Fluctuation, ALFF) 是静息态研究常用的另一指标 (Zou et al., 2008), 通过计算全脑每一体素低频振荡