大脑需要“更聪明”的运转--浙江科技大学研究团队揭示高计算思维者的神经效率优势

我们常以为，计算思维的核心，无非是抽象、分解与算法——一套如同计算机程序般精确运作的认知工具。然而，认知神经科学的探索正揭示出一个更深层的图景：这种高级思维能力，或许并非孤立运转，而是与我们大脑最基础的空间认知能力——心理旋转——紧密交织。这便是“计算思维与空间能力关联效应”——问题解决的优势，不只源于逻辑的严谨，也可能受益于我们对图形、位置与角度进行内在操控的熟练程度。

更值得追问的是，这种思维与空间能力的深层联结，其神经基础究竟是什么？是高计算思维者的大脑在执行任务时，调动了更强大的神经资源，还是他们能以更“节能”的方式——即更高的神经效率——来完成同样的认知挑战？前者关乎能力的强度，后者则关乎能力的策略；两者如同同一枚认知硬币的两面，共同决定了我们在复杂任务中的表现差异。

为从神经层面解开这一谜题，浙江科技大学研究团队采用功能性近红外光谱成像技术，结合心理旋转任务，在Journal of Cognitive Psychology期刊上发表题为“The relationship between computational thinking and mental rotation ability: a functional near-infrared spectroscopy study”的研究，首次将计算思维能力的差异与前额叶皮层在空间任务中的神经效率置于同一框架下进行系统检验。

本研究招募了38名来自中国某高校的右利手大学生作为被试，年龄均在18岁以上(平均年龄19.73岁，标准差1.56)，视力正常或矫正视力正常。研究者首先使用Korkmaz等人编制的计算思维量表对所有参与者进行测试，根据标准化得分将被试分为高计算思维组与低计算思维组。为确保组间性别分布均衡，每组各包含19人，其中男性15人、女性4人。

实验采用二维心理旋转任务，刺激材料为F、G、L、N、P、Q、R七个不对称字母，要求被试判断呈现的字母是否为镜像或旋转版本。任务共包含30个试次，通过E-Prime软件呈现并记录正确率与反应时间，据此计算心理旋转能力指数。

图1 心理旋转任务示意图

在神经影像数据采集方面，研究使用NIRSIT近红外多通道连续波成像系统。该设备包含24个发射器和32个探测器，共设置48个有效通道，采样频率为8.13 Hz，重点监测双侧前额叶皮层六个感兴趣区域的氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白浓度变化。fNIRS数据采集全程同步记录被试的心率、呼吸率与血氧饱和度，以确保生理状态平稳。

图2 (a)通道布置；(b)本实验中的通道配置。

研究结果显示，在行为表现层面，高计算思维组在心理旋转任务中的正确率显著更高、反应时间显著更短，心理旋转能力指数显著优于低计算思维组。相关分析表明，心理旋转能力与计算思维量表得分呈显著正相关。

图3 (a) 两组被试心理旋转能力与计算思维量表得分的相关性；(b) 标准化后的心理旋转能力与计算思维量表得分散点图数据。

在fNIRS脑血流动力学反应方面，高计算思维组在左侧背外侧前额叶皮层和左侧腹外侧前额叶皮层的氧合血红蛋白浓度变化显著低于低计算思维组，且这两个脑区的氧合血红蛋白浓度变化与计算思维量表得分呈显著负相关。右侧各脑区未见显著组间差异，两组在脱氧血红蛋白浓度变化上亦无显著差异。

图4 (a) 两组被试左侧背外侧前额叶皮层和左侧腹外侧前额叶皮层氧合血红蛋白浓度变化与计算思维量表得分的相关性；(b) 标准化后的氧合血红蛋白浓度变化与计算思维量表得分散点图数据。

基于神经效率指数的分析发现，高计算思维组在左侧背外侧前额叶皮层和左侧腹外侧前额叶皮层均表现出显著更高的神经效率，表明其能够以更少的神经资源消耗完成心理旋转任务，实现更优的行为表现。

图5 标准化神经效率指数的箱线图数据

当高计算思维者面对空间认知挑战时，他们的大脑并非“更努力”地工作，而是“更聪明”地运转——以更低的氧气消耗、更高的神经效率，轻松达成卓越表现。这一发现颠覆了传统认知：真正的思维能力优势，不在于能调动多少神经资源，而在于能以多精简的路径抵达问题核心。

文章信息

引用：Liu, Y., Guo, X., & Zhang, Y. (2024). The relationship between computational thinking and mental rotation ability: a functional near-infrared spectroscopy study. Journal of Cognitive Psychology, 36(6), 754-768.

DOI: 10.1080/20445911.2024.2371176