儿童青少年的执行功能发展与脑发育

随着脑科学的飞速发展，个体的基本认知功能发育规律也逐渐揭开了神秘的面纱，儿童青少年时期作为大脑发育的重要阶段，在这一时期的认知功能变化引起了研究者的广泛关注。但相比于基本认知功能，一些较高级的认知功能（如执行功能等）则探索不够。已有研究发现执行功能对于儿童青少年的学业成就、行为表现、心理健康有较好的预测作用，因此，如何基于脑科学探索儿童青少年的执行功能发展规律，从而为儿童青少年教育提供合理方案成为一个重要课题。

“冷”执行功能和“热”执行功能

执行功能是个体在完成目标导向任务时，所运用的一系列复杂的高级信息加工能力，主要通过对呈现问题进行计划、实施和评估来实现最终目标。执行功能是个体在解决现实问题时所发挥的人脑前额叶功能的总和，是人与动物最重要的区别之一，也是人脑在进化过程中所获得的最卓越成果之一。其中一个重要的分类是根据前额叶的损伤情况将其分为“冷”执行功能和“热”执行功能，那些背外侧前额叶损伤的患者，往往会在传统的、主要聚焦于纯认知过程的执行功能任务上表现出损伤，被认为是一种“冷”执行功能损伤；而眶额叶皮层损伤的患者，则在有高度情绪或动机卷入等贴近现实的任务中表现不佳，被认为出现“热”执行功能受损。随后，研究者通过比较儿童“冷”“热”执行功能与智力的关系，发现智力和“冷”执行功能的表现有显著相关，而和“热”执行功能任务的表现无关，初步证明了两者的双重分离。

“冷”执行功能包括抑制控制、工作记忆、认知灵活性等。首先，执行功能中比较核心的功能是抑制控制，是在冲突任务中抑制住冲动反应的能力，一个常见的测试是Stroop任务，这一任务需要被试快速读出这个颜色词到底用的是什么颜色，比如用红色书写的“蓝”，字本身的意思和颜色存在冲突，我们需要读“红”，同时抑制住读“蓝”的冲动。其次是工作记忆，在这个过程中会不断更新和替换已经过时的一些信息，然后加入新的信息，比如你刚刚记住了345这样的三个数字，然后接下来要记住567，而不要再记住345了，这时候就需要在记忆中把345删掉，同时把567放进去。我们对于工作记忆的考察也采取了类似的模式，即给被试一系列这样的数字让他去记，比如我说5—9—0，然后他就需要回答说5—9—0，我们会看他到底能够记住多长这样的数字。如果需要提高难度，也可以让被试倒着记数，比如我说5—9—0的时候，他要回答0—9—5，同样被试能记住的数字长度就代表他的工作记忆能力。最后是转换，简单来讲，就是你旁边站了一个美国人，另一边站了一个中国人，所以你需要在讲中文和讲英文之间不断进行切换。一种常见的测试任务是卡片分类任务，比如兔子和船它们是两种不一样的东西，同时它们又分别用红色和蓝色来进行描绘，被试的任务就是要根据提示，按照颜色或者按照物品类别来对图片进行分类，当按照颜色进行分类时，红色兔子和红色小船是一类；当按照物品类别分类时，红色兔子和蓝色兔子是一类。被试在不同规则间的切换正确率就代表了他的转换能力。

而“热”执行功能则主要包括抑制冲动选择和在抑制过程中的坚持性，也就是在奖惩条件下，个体受到情绪左右的抑制控制能力。在抑制冲动选择方面，研究者们一般采用跨期决策任务和风险决策任务来对“热”执行功能进行考察。跨期决策任务包含两种选择模式：小的即时奖赏（SS）和大的延迟奖赏（LL）。例如：你是愿意现在得到50元还是一个月后得到100元。选项的立即奖赏金额、延迟奖赏金额、延迟时间在每一次选项中进行改变。而常见的风险决策任务有爱荷华赌博任务和剑桥赌博任务。

第一，爱荷华赌博任务共有4副纸牌A/B/C/D，纸牌背面是奖励或惩罚，其中纸牌A和B在总净损失上等效，而纸牌C和D在总净收益上等效。每张牌获胜和损失的设置方式如下：纸牌A、B每次给100元的奖励，但是纸牌A连续10次中会有5次不可预测的惩罚，10次后惩罚的总金额是1250元，净损失250元；而纸牌B在连续10次中会有1次1250元的惩罚，净损失也是250元。而纸牌C、D则每次给50元的奖励，相似地，纸牌C在连续10次中会有5次不可预测的惩罚，10次后惩罚的总金额是250元，净收益250元；而纸牌D在连续10次中会有1次250元的惩罚，净收益250元。因此纸牌A、B是“不利”纸牌，而纸牌C、D是“有利”纸牌，被试要达到尽可能多赢的目的。

第二，剑桥赌博任务由一排10个红色和蓝色的色块组成，红色和蓝色色块的数目比例按照1：9—9：1变化，其中一个黄色的代币藏在它们后面，被试需要猜测黄色代币可能出现的位置，并且为自己的选择下注，下注金额越大代表其越偏好冒险。对抑制过程中的坚持性考察主要通过延迟满足任务进行。早期的延迟满足任务为棉花糖测试，被试需要在立即得到一个棉花糖还是等待15分钟后得到两个棉花糖之间做出选择，参与者往往是学龄前儿童。但由于其测试内容简单，对于年龄稍大的儿童青少年并不适用，因此逐渐衍生出了更多更精确的延迟满足任务。比如采用高、低飞机的图案对等待时间进行可视化操作，让被试在及时小奖励（2、4、6、8元）和需要等待（5s/10s/20s/30s/60s）才能获得的大奖励（10元）之间做出选择，一旦被试选择大奖励，那么他需要真实经历等待相应的时间后才能获得奖励。

儿童青少年的执行功能发展

执行功能包含如此多的子成分，但它们其实并不是在学龄阶段统一发展的，甚至每个个体的执行功能发展轨迹都是不一样的，执行功能的发展趋势存在着个体差异性，但已有研究都说明执行功能的发展可能会有两个重要的时期。

第一个大概是学龄前，即3—6岁时，而另一个在青少年时期（8—15岁）。而在不同成分上，有研究表明抑制控制发展相对较早，在5—7岁之间表现出显著的增长，之后发展趋于平缓，直到成年晚期，抑制控制能力才开始出现下降。而转换能力则在5—11岁之间发展较快。工作记忆能力在4—15岁之间呈线性增长，且那些相对复杂的工作记忆任务，成熟时间会更晚。有研究针对7岁、11岁和15岁三个年龄组探讨了“冷”执行功能的发展，结果表明三种执行成分在15岁左右达到成人水平。

与“冷”执行功能相比，“热”执行功能的发展更为缓慢。4岁儿童在延迟满足任务中的等待时间显著长于3岁儿童，但是“热”执行功能在学龄前期的发展仍不完善，受制于实验范式选取的难易程度，比如有研究者发现，4—5岁儿童的延迟满足能力已经显著好于随机水平，而3岁儿童的延迟满足能力则与随机水平无显著差异，即在各试次中的选择都是随机的，并未体现一定的规律性。

然而，在儿童版本的爱荷华赌博任务中，3岁儿童的表现显著低于随机水平，4—5岁儿童的表现虽然显著好于3岁儿童，但仍然与随机水平不存在显著性差异。而这可能是由于儿童爱荷华赌博任务中，惩罚的频率相对较低造成的，不足以提示年龄较小的儿童采取暂时低收益但是低风险的优势选项。研究者采用不同奖惩频率的爱荷华赌博任务考查了3—5岁儿童的“热”执行功能，结果表明当惩罚频率提高时，儿童更会避免选择不利选项，“热”执行功能任务表现有所提高。此外，有研究考察了较大儿童的“热”执行功能随年龄的变化情况，结果发现，儿童从6岁开始，其年龄发展与“热”执行功能能力呈显著的正相关关系。

尽管现有行为研究关于“热”执行功能在青春期阶段（12—17岁）发育规律的结论不太一致，但总体来说个体的“热”执行功能仍呈现出与年龄相关的改善，目前研究表明这种改善存在三种可能的发展趋势：线型、U型和J型。青少年的风险双系统模型认为该时期下的风险行为主要是由于抑制控制和奖励寻求之间的不平衡造成的，抑制控制随个体发展呈线性增长，一直到成年期才发育成熟；而奖励寻求则在青少年早期达到峰值，随后则不断下降，因此当青春期个体在进行“热”执行功能任务时，双系统的不平衡性在高度卷入情绪和动机的场景中体现出来，从而促成“热”执行功能表现的差异。

例如在青少年群体中进行剑桥赌博任务测试，结果发现相比于青春期早期和后期，处于15岁青春期中期的个体有更高的冒险程度、会更偏好及时奖励，表现出较差的“热”执行功能，表明个体的“热”执行功能随年龄发展呈现出U型变化。然而也有研究认为青少年中期和早期个体的“热”执行功能水平相差不大，但在青少年后期其“热”执行功能有显著提高，从而总体上呈现出J型变化，比如当个体在爱荷华赌博任务中面对高风险选项时，处于青少年后期的个体会诱发更多的反应前皮肤电信号，表明其在面对不利选项时的情绪唤醒——忧虑程度较高，对个体做出不利选项起到示警作用，从而表现出更好的“热”执行功能。而包含了9—23岁年龄群体的纵向追踪研究却表明，爱荷华赌博任务可能不足以让个体“失控”，抑制控制掩盖了对奖励的寻求，使得个体“热”执行功能呈现出与抑制控制发展相似的规律，表现出随年龄线性增长的特性。另外有研究发现青春期“热”执行功能表现还受到性别、人格特质、青春期性成熟等因素的影响。

执行功能的脑发育

北京师范大学左西年教授一直在做一个彩巢计划，他们通过追踪很多孩子，发现他们在青春期左右经历了非常明显的大脑工作模式切换，相当于说青春期以后是和成人一样，而青春期以前和儿童差别不大。由于儿童和成年人的大脑工作模式完全不同，这也就使得青春期的大脑确实处在一个较为混沌的状态，所以也更容易出现抽烟喝酒之类的不良行为。由于执行功能的行为发展规律并不一致，这也推动我们猜测执行功能的发展是否会与个体脑发育情况密切相关。

参与“热”执行功能的脑区主要位于额叶皮层，学前期儿童的脑结构与功能尚未成熟，该时期下儿童的“热”执行功能可能与“冷”执行功能共用相同的神经机制。有研究利用fNIRS来收集3—6岁儿童完成延迟满足任务时的脑活动信号，相比于非任务态下，被试在完成延迟满足任务时，右腹外侧前额叶有显著的激活，但与成年人研究的结果相反，学前期儿童的腹外侧前额叶脑区在即时选项下表现出更强烈的激活，而非延迟选项，这种异常的激活表明右腹外侧前额叶可能在儿童学前期未实现完全的功能进化，并不能较好完成延迟满足任务。而学龄期儿童的脑区激活，特别是功能连接正趋于成熟，表现出与成年人类似的模式。有研究基于“冷”“热”系统的注意集中理论，认为当被试在目标奖励（如食物）上集中注意力时，更难忍受诱惑，更容易选择即时选项，因此该研究利用fMRI对7—9岁儿童完成延迟满足时的注意偏向与脑活动进行了检测，结果表明，当儿童更多注意延迟满足目标（如糖果）时，其伏隔核和腹外侧前额叶、内侧眶额叶之间的功能连接较弱。还有研究表明，腹内侧前额叶—背外侧前额叶的功能连接在被试年龄和延迟满足选择之间起中介作用，该功能连接越强，儿童越倾向于做出延迟选择；基于整合控制评估理论，腹内侧前额叶对输入大脑的信号起整合作用，其中也包括与行为控制有关的信号，年龄较小儿童的腹内侧前额叶—背外侧前额叶功能连接较弱，从而更难控制行为。因此，与“热”执行功能相关脑区的发育不成熟、功能连接较弱都可以很好地解释为什么“热”执行功能的发展缓慢，而“冷”执行功能则受影响较小。

在青少年阶段，个体的脑灰质体积和皮层厚度逐渐变薄，同时其大脑的白质体积也不断增加，为大脑的精细化加工和高级认知功能（如“热”执行功能）的改善提供前提。研究者认为大脑白质完整性与冲动的抑制控制能力有显著的正相关关系，因此在青少年时期，个体大脑的白质尚未发育完整，抑制控制能力较弱，更容易做出冲动的决定。此外，皮层灰质体积在对个体“热”执行功能的调控中发挥着重要作用，研究者认为青少年表现出更多的风险行为，例如吸烟成瘾和酗酒等，这与其眶额叶皮层的灰质体积逐渐降低密切相关。青少年时期执行功能的变化规律还与认知控制系统和奖赏系统之间的发展不均衡性存在十分紧密的联系。大脑奖赏系统的发育十分迅速，在青少年早期则达到巅峰，相比之下认知控制系统则呈线性增长发育缓慢，一直到成年期才完成发育，因此青少年时期两系统的发育不均衡可能是影响其“热”执行功能表现的主要原因。针对青少年和成年人的跨期决策任务研究发现，个体在即时选择条件下的冲动程度随年龄增加而降低时，腹侧纹状体、脑岛、扣带前回等边缘—皮层—纹状体系统活动随年龄增长激活减弱，而左侧腹内侧前额叶等抑制控制系统区域则随年龄增长激活增强；腹侧纹状体被认为表征了对奖赏和预期奖赏的敏感程度，脑岛则参与了时间和奖励的信息整合，前扣带回与预测错误能力有关，而腹内侧前额叶则是对刺激本身价值编码的关键脑区，这些脑区构成了青少年“热”执行功能的双系统，因此该双系统的发育不均衡可能是青少年更加冲动、“热”执行功能表现较差的作用机制。