例如，fNIRS研究揭示了右侧顶内沟的活动，这是数字处理的关键区域，以响应5.5–6.5个月大清醒婴儿视觉模式的数字变化（Hyde等人，2010年；Edwards等人，2016年）。换言之，这项技术使我们有可能看到清醒婴儿大脑区域的反应。在海德等人（2010年）的研究中，婴儿适应了一组16个点，在一个奇怪的范例中，他们看到的图像数量（8或16个点）和形状（16个正方形或三角形）发生了变化。在Edwards等人（2016）的研究中，他们在不同的区块中显示了相同数量的点（8或16）或不同数量的集合（8和16）。在这两项研究中，与其他情况相比，右侧顶内沟的激活率随着点数的变化而增加。这些发现提供了证据，婴儿很早就开始使用非符号数数进行心理操作，并在获得语言和符号数数系统经验之前依赖于他们的近似数数系统。关于学龄前儿童数字认知的神经相关性，目前还没有fNIRS研究。

中小学儿童算术表现的FNIRS研究（例如，Dresler等人，2009；Soltanlou等人，2017a）揭示了额叶-顶叶网络的双侧激活，该网络在成人和儿童的fMRI神经成像研究中观察到（Arsalidou和Taylor，2011；Arsalidu等人，2017）。Dresler等人（2009）以数字格式或嵌入文本的形式向中小学生提出了一个算术问题（参见表2）。在这项研究中，对90名儿童的样本进行了测量，这很难用fMRI等其他技术实现。他们观察到，在小学和中学儿童中，用于计算的顶叶和额后区的激活程度都高于阅读，这与儿童的fMRI结果（Rivera等人，2005；Ansari等人，2006；Kucian等人，2006）和成人的fNIRS结果（Richter等人，2009；但关于复制数字和字母的基本任务，请参见Artemenko等人，2018a）一致。此外，与年龄较大的儿童相比，年龄较小的儿童在双侧额叶区域（中央前运动区和运动区）中观察到更大的任务相关激活。这种激活是由于较少的自动计算处理和更多的语音相关活动。与之前的研究一致（Rivera等人，2005年；Kaufmann等人，2006年；Kucian等人，2008年），这项fNIRS在小学生中的发现指出了大脑激活中的发育性额叶至顶叶移位。

表2

www.bitbrain.cn

表2.调查小学生数学的fNIRS研究总结。

另一项纵向fNIRS研究也报告了这种发展变化（Artemenko等人，2018b）。fNIRS在自然环境中的适用性使他们能够在书面生产范式中测量所有四种基本操作期间的大脑激活。由于功能磁共振成像扫描仪的定位不舒适，而且这种技术对运动伪影的敏感性，大多数功能磁共振扫描研究都没有使用书面制作，这是解决此类任务的最生态有效的方法，因为这些任务在学校会得到解决。Artemenko等人（2018b）报告，从6年级到7年级，额叶区域的激活减少，以减少减法运算的工作量，同时，角回和颞区域的激活增加，以增加加法运算和乘法运算的自动化和事实检索（参见表2）。重要的是，在这样的自然环境中，他们不仅发现了感兴趣的激活区域之间的转换，而且这些区域内的处理效率更高（或更少费力）。

然而，在儿童中，不仅运算和年龄在算术神经认知处理中起作用，而且数学能力也起作用。Obersteiner等人（2010年）更详细地调查了Dresler等人（2009年）的fNIRS数据，除格式和等级外，还进一步探讨了计算条件下的数学能力（低、平均、高）和任务复杂性（加上和不加进位运算）（参见表2）。对于这些因素，在目标顶叶区域没有发现显著的激活差异，单词的激活率高于数字问题。然而，他们观察到，在具有平均数学能力的组中，无进位加法比进位加法的顶叶激活更高。有趣的是，这项研究是在学校进行的，这在fMRI等几种非便携式神经成像技术的情况下是不可能的。这种情况可能会导致孩子们比来到实验实验室时更少的焦虑，这可能会影响激活模式。

在另一项针对中学生的fNIRS研究中，Kuroda等人（2009）利用fNIRS来测量大脑的激活利用fNIRS测量物体空间操纵期间的大脑激活变化，这对几何结构很重要（参见表2）。在六年级学生完成七巧板任务时，测量了他们的前额叶激活。根据儿童用于解决问题的策略检测到不同的激活模式，这导致了三组儿童基于他们的解决方法。在无法解决七巧板难题的儿童中，前额叶激活持续增加。在能够在操作七巧板的过程中制定策略的儿童中，前额叶的激活稳步下降。在一组儿童在解决问题之前已经制定了策略的情况下，没有发现前额叶激活的变化。总的来说，这些发现与前额叶激活的神经影像学研究一致：当任务复杂性水平增加时，激活可能会相应增加（Kuroda等人，2009；另见Mücke等人，2018）。同样，在自然环境中进行测试的可能性使他们能够在七巧板解谜过程中测量大脑活动（另见Soltanlou等人，2017b），而这无法在fMRI扫描仪中完成。

在最近的一项fNIRS EEG联合研究中，Soltanlou等人（2017a）调查了五年级学生乘法问题的算术复杂性。这项研究表明了fNIRS与其他技术（如EEG）相结合的可行性，这不会导致EEG信号中的额外伪影（参见表2）。Soltanlou等人（2017a）观察到，对于一位数乘法问题，左侧顶上小叶、顶内沟和中央后回显著激活，而当儿童解决复杂乘法问题时，双侧顶上小叶，顶内沟，额中回和左侧顶下小叶激活。复杂与简单的对比显示，右侧额中回的激活程度更高，但顶叶区域没有激活。这一发现表明，在儿童中，数学复杂性的增加促进了领域一般认知过程，即工作记忆、持续注意力和计划（另见Mücke等人，2018）。此外，作者建议，在这个发展阶段，儿童依赖于特定领域的幅度处理来进行简单和复杂的计算（Soltanlou等人，2017a）。这一发现与Artemenko等人的研究结果一致。（2018b）显示，从6年级到7年级，额叶中下脑回的激活率有所下降。因此，我们可以得出结论，在心理计算过程中，对领域一般认知过程的依赖性在发育过程中会下降。然而，另一项针对15至16岁高中儿童心理计算的fNIRS研究（Ch iftçi et al.，2008）显示，与休息时相比，减法期间右前额叶皮层的激活程度更高（参见表2）。这一发现指出，解决减法问题的改进依赖于快速的程序过程，而不是事实检索过程（Prado等人，2014），因为青少年仍然依赖于这种激活来解决减法问题，但解决问题的速度很快。

在另一项关于五年级学生乘法问题的fNIRS EEG学习研究中，Soltanlou等人（2018）报告了训练2周后，在训练组与未训练组之间，右额中回的激活减少（参见表2），这与之前在成人（Zamarian等人，2009）和儿童（Arsalidou等人，2017；Peters和De Smedt，2017）中进行的算术学习研究一致。此外，作者发现，通过儿童的乘法学习，训练组与未训练组的左角回激活降低，这与成人的研究相矛盾（Soltanlou等人，2018）。这一发现与最近的一项荟萃分析一致，该荟萃分析表明，儿童算术处理和发展的大脑激活网络与成人不同（Arsalidou等人，2017）。此外，他们认为，这项研究的目的之一是调查在生态有效的环境中训练导致的大脑激活变化。

总之，上述少数fNIRS研究的结果与其他方法（尤其是fMRI）在学童中的结果一致（Peters和De Smedt，2017），揭示了这种方法在教育神经科学中的可行性。通常，我们会观察到额叶-顶叶网络，这会随着任务的复杂性、年龄和孩子的专业知识而变化。更高的任务复杂性、更年轻的年龄和更少的专业知识通常需要更努力的处理和更多的正面区域的参与，对应于对此类群体和问题的算术问题解决的领域一般贡献。

fNIRS在语言研究中的应用

FMRI研究表明，负责语言发展的许多方面的主要大脑区域FMRI研究表明，负责语言发展和处理的许多方面的主要大脑区域构成了大脑皮层中的左侧外周区，包括布罗卡区和韦尼克区（Gazzaniga，2004）。新生儿和婴儿语言习得的大脑专门化由颞额环提供。此后，当7至17岁的儿童获得阅读技能时，单词的视觉形式表现在枕颞区域（Shaywitz等人，2002）。有趣的是，书面和口头单词的处理同样依赖于后多模态区域，包括Wernicke区域（Booth等人，2001）。然而，在不同的语境中理解和适当使用语言，评估幽默和情感表达能力，以及阅读技能所需的视觉空间处理，也涉及右半球或左半球的其他大脑区域（Kensinger和Choi，2009）。总之，虽然在婴儿时期就已经观察到语言的左侧化，但右半球在语言处理和阅读的某些方面也起着重要作用。然而，由于fNIRS的优点，有必要在更自然的环境中测量这些过程，以测试这种推广的可行性。

在过去的十年中，fNIRS已用于对新生儿、婴儿、儿童和成人进行的几项语言研究（综述见Minagawa Kawai等人，2008；Ferrari和Quaresima，2012；Quaresimaa等人，2012；Vanderwert和Nelson，2014；Aslin等人，2015）。FNIRS已成功应用于研究新生儿（Pena等人，2003年；Telkemeyer等人，2009年；Arimitsu等人，2011年；May等人，2011；Vannasing等人，2016年）和3至11个月大婴儿（Homae等人，2006年，2007年）的母语和非母语语言处理的神经相关性。感知听觉和言语刺激的能力有助于婴儿从出生起处理节段和超节段信息。研究表明，新生儿的听觉皮层对音素和韵律信息都很敏感，但大脑激活模式不同。Arimitsu等人（2011）揭示了新生儿（3–8天大）的右优势颞上沟和颞中回对语音语调变化的反应（例如，itta vs.itta？），以及响应于由言语听觉短期记忆引起的音素变化（例如，itta vs.itte），颞和下顶叶区域（边缘上回）中的左显性激活。FNIRS还成功地与其他神经成像和神经生理学技术相结合，以研究语言。例如，在对2至6天大的新生儿进行的fNIRS EEG联合研究中，Telkemeyer等人（2009）发现，响应韵律信息，右颞下区和后颞区的激活增加，而与语音处理最相关的快速声学调制则以左半球（颞顶叶）为主。总之，研究结果一致表明，新生儿对语言特性的处理是双向的，而激活主要在成人研究中称为语言区域的颞叶和下顶叶区域观察到。对婴儿和学龄前儿童使用fNIRS的研究显示了类似的结果（Homae等人，2006年、2007年、2011年；Wartenburger等人，2007年；Telkemeyer等人，2011年）。

在一项针对3个月和6个月大婴儿的fNIRS EEG联合研究中，Telkemeyer等人（2011）观察到，响应韵律信息的不同变化（慢调制），右颞区激活，而左颞区响应语音处理（快调制）。后来，在4岁时，这种处理语音韵律成分的右侧化模式仍然很重要（Wartenburger等人，2007年）。Wartenburger等人（2007年）表明，语言信息是在左额颞区域处理的，而韵律信息则涉及右额颞激活。类似的发现（参见表3）在6-9岁的大孩子中观察到（Kovelman等人，2012年）。这些fNIRS发现被解释为显示了右半球处理慢节奏刺激的倾向，而左半球对特定范围的慢节奏调制的选择性敏感性，这些慢节奏调制对阅读习得很重要（Kovelman等人，2012）。这些缓慢的调节与10岁儿童的阅读能力相关（Goswami，2011）。这些发现表明，韵律处理是天生的，或者至少发展得很快，在第一年，使用它识别话语的能力会增强。然而，这种处理会随着年龄的增长而变化：语言信息处理得越多，左半球参与的越多。此外，这些发现表明，超节段性信息即使在早期也起着至关重要的作用左半球受累越多。此外，这些发现表明，即使在很小的时候，超节段信息也起着至关重要的作用，并对应于对说话者语调或响度的类似成人的激活（Meyer等人，2004年；Obrig等人，2010年）。因此，对于语言的数量发展，fNIRS特别适合于研究婴儿在没有任何语言产生的情况下对语言的先天或快速出现的神经反应。

表3

www.bitbrain.cn

表3.调查小学生语言的fNIRS研究总结。

fNIRS的一些特征，例如在阅读和说话（语音产生）的情况下对肌肉运动的鲁棒性，可以被认为是学龄前儿童和小学生语言发展的神经成像研究中的一个显著优势（Gallagher等人，2016；Walsh等人，2017）。例如，Tellis和Tellis（2016）测量了儿童和成人在三种不同阅读任务中的大脑激活变化：默读、大声朗读和对给定主题的自由演讲。他们观察到，在双侧额叶区域的自由言语过程中，激活程度最高。在另一个例子中，Kawakubo等人（2011年）在一次字母流畅性任务中观察到了前极区5至37年的发育变化（另见Tamekuchi等人，2011年）。此外，他们发现成年期额叶区存在性别差异，这在儿童或青少年时期没有观察到（Kawakubo等人，2011年）。Tando等人（2014）的一项fNIRS研究也发现了类似的结果，他们观察到，在6至18年的言语流利性任务中，额叶区域的激活增加（参见表3）。他们得出结论，言语检索功能的成熟从青少年早期开始，一直持续到成年（Tando等人，2014）。此外，Tamekuchi等人（2011年）报告，在进行语言流利性任务时，儿童（6-9岁）的左前额叶皮层的激活率高于成年人（35-44岁），而在右前额叶皮层中观察到相反的模式。根据这一发现，Paquette等人（2015）调查了3至30年表达语言期间大脑激活的侧化与年龄相关的变化。然而，他们观察到，在语言流利性任务中，两个半球的发育都有所增加（Paquette等人，2015）。他们发现，在所有年龄段，与右半球区域相比，左颞和额叶区域的激活更大，并得出结论，表达语言的左半球专门化在很小的儿童中建立，并一直发展到成年（Paquette等人，2015）。有趣的是，Walsh等人（2017）观察到，与通常发育中的同龄人相比，7至11岁的口吃儿童在言语产生过程中，左半球（即额背下回和运动前皮质）失活。在fMRI研究中很少使用上述带有口头表达的任务，而在fNIRS测量过程中可以很容易地使用这些任务（参见表3）。

fNIRS在双语儿童大脑机制检测中的应用是语言研究的另一个有趣领域。Jasinska和Petito（2014）通过应用具有三个单词类型条件（规则、不规则和无意义单词）的任务，研究了阅读的神经基础。他们测试了两组单语和双语小学儿童：与成人相比，年龄更小（6-8岁）和更大（8-10岁）（参见表3）。由于对匹配的语音处理和正写法的高度控制，年龄较小的儿童对规则和不规则单词都表现出双侧颞上回的激活。年龄较大的儿童发现，与常规单词相比，左额下回的激活不规则，相比之下，与不规则单词相比，下顶叶小叶的激活规则，这是由于关注词汇单词的复杂性和整体单词处理（Jasinka和Petito，2014）。与单语读者相比，所有年龄组的双语者在经典语言区域（左额下回、颞上回和顶叶下叶）和右半球的同源区域表现出更大的双侧激活。他们还发现，由于采用了推理、工作记忆和注意力等认知过程，前额叶皮层（包括前外侧前额叶皮层和背外侧前额叶皮质）的激活程度更高，这是语言转换所必需的。这一发现进一步得到了研究的支持，研究表明，在10至11岁儿童的言语流利性测试中，双侧前额叶皮层的激活增加（Mücke等人，2018）。双语儿童被认为比许多单语儿童具有更大的认知可塑性，对语言功能和结构特点更敏感，思维方式更灵活