八個月大的盧卡斯·克朗米勒的頭上剛戴上了一個裝有 128 個電極的帽子，他大部分的頭髮都還沒長出來。他面前的一位研究助理正瘋狂地吹著泡泡來逗他開心。但盧卡斯看起來平靜而滿足。畢竟，自從他四個月大的時候起，他就反覆來到羅格斯大學的嬰兒研究實驗室，所以今天的一切都很正常。他和過去 15 年來的 1000 多名其他兒童一樣，正在幫助艾普麗爾·A·貝納西奇和她的同事們找出，即使在最早的年齡，是否有可能確定一個孩子是否會在語言方面遇到困難，從而在剛上小學時成為一種沉重的負擔。
貝納西奇是採用大腦記錄技術來理解學習基本過程的研究人員之一。神經教育這門新科學旨在尋找一直困擾著認知心理學家和教育家的問題的答案。
例如，新生兒處理聲音和影像的能力與孩子幾年後學習字母和單詞的能力有何關係？幼兒在學前班保持精神集中的能力對以後的學業成功意味著什麼？教育工作者可以做些什麼來培養孩子的社交技能——這對課堂也很重要？這些研究可以補充心理學和教育研究專案已建立的豐富知識。
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它們還承諾為培養更優秀的學習者，以及為嬰兒和幼兒做好閱讀、寫作、算術以及在幼兒園及以後複雜的社交網路中生存的準備，提供基於腦科學的新思路。這項工作的重點大多集中在生命最初幾年和小學早期，因為一些研究表明，大腦在那時最容易發生改變。
頓悟瞬間
貝納西奇研究的是最年幼的孩子感知聲音的方式的異常現象，這是一種對理解語言至關重要的認知過程，而語言又是閱讀和寫作技能的基礎。這位曾做過護士，後來又獲得兩個博士學位的人，專注於她所說的頓悟瞬間——大腦電活動突然轉變，表明已識別出新事物。
在貝納西奇位於新澤西州紐瓦克的實驗室裡，研究人員讓盧卡斯和其他嬰兒接觸特定頻率和持續時間的音調。然後，他們記錄當播放不同頻率時大腦中產生的電訊號變化。通常，腦電圖 (EEG) 軌跡會因這種變化而向下峰值——表明大腦基本上在說“是的，有什麼東西改變了”；對不同音調的反應時間延遲意味著大腦沒有足夠快地檢測到新的聲音。研究發現，六個月大時這種遲緩的電活動模式可以預測三到五歲時的語言問題。在幼兒和學齡前兒童時期持續存在的活動差異可以預示處理語音基本單元感知過程中發生的快速轉換的大腦回路發育問題。如果兒童在幼兒時期未能足夠快地聽到或處理語音成分——例如，“da”或“pa”——他們可能會在“拼讀”書寫字母或音節時滯後，這可能會在以後阻礙閱讀的流暢性。貝納西奇的其他研究表明，早期在處理這些聲音時遇到問題的兒童，在八九年後的心理語言測試中表現不佳，這些最新發現為這些研究提供了更嚴格的證實。
如果貝納西奇和其他人能夠診斷出嬰兒未來的語言問題，他們或許能夠透過利用發育中的大腦固有的可塑性——其應對新體驗而發生變化的能力——來糾正這些問題。他們甚至有可能改善大腦正常發育的嬰兒的基本功能。她說：“確保大腦以最適合學習的方式建立起來的最簡單時機可能是在第一年的前半部分。”
即使在嬰兒床裡玩遊戲也可能是一個答案。貝納西奇和她的團隊設計了一種遊戲，訓練嬰兒透過轉頭或轉移視線（用跟蹤感測器檢測）來對音調的變化做出反應。當發生移動時，會播放一段影片片段，作為對良好努力的獎勵。在去年年底報告的一項初步研究中，對嬰兒進行的這種大腦訓練，經過數週的練習，使一組 15 名健康嬰兒對音調的反應速度比對照組更快。貝納西奇希望她的研究將證實，這款遊戲也可能幫助在處理這些聲音方面有障礙的嬰兒更快地做出反應。她已開始與一家玩具開發商商議，該開發商有興趣創造一種可以放在家中嬰兒床側面的移動玩具，以訓練嬰兒感知快速的聲音序列。
數字感
儘早鍛鍊認知能力也可能有助於嬰兒調整基本的數學技能。斯坦尼斯拉斯·迪昂，法國國家健康與醫學研究院的神經科學家，是數字認知領域的領導者，他一直試圖開發幫助兒童解決早期數學難題的方法。嬰兒從出生起就具備一定的數字識別能力。迪昂說，如果這項技能從一開始就沒有到位，孩子以後可能會在算術和高等數學方面遇到困難。迪昂稱之為“數字感”的干預措施，可以幫助學習較慢的學生避免在數學課上多年的困難。
這一研究方向與著名心理學家讓·皮亞傑的研究相矛盾，皮亞傑認為，嬰兒的大腦在嬰兒床裡進行計算時是一片空白，或者說是白板。皮亞傑認為，兒童必須透過多年的與積木、麥圈或其他物體的互動，才能逐漸形成數字的基本概念。他們最終會了解到，當小燕麥圈在桌子上被推來推去時，位置會發生變化，但數量保持不變。
神經科學界已經積累了大量研究，表明人類和其他動物具有基本的數字感。當然，嬰兒不會從子宮裡出來就在腦海中進行微分方程運算。但實驗發現，幼兒通常會伸手去拿糖果數量最多的那排 M&M 豆。其他研究表明，即使是隻有幾個月大的嬰兒也能理解相對大小。如果他們看到五個物體被藏在屏幕後面，然後又在第一組中添加了五個，當他們看到移除屏幕後只有五個物體時，他們會表現出驚訝。嬰兒似乎也天生具有其他數學能力。除了是冠軍級的估計者之外，他們還可以區分確切的數字——但僅限於三或四個數字。迪昂在精確定位大腦區域——頂葉的一部分（頂內溝）——方面發揮了重要作用，數字和近似數量就表示在那裡。（將手放在頭頂後部以定位頂葉。）
估計群體大小的能力，也存在於海豚、老鼠、鴿子、獅子和猴子身上，這可能是一種進化遺留物，用於衡量你的氏族在面對敵人時應該戰鬥還是逃跑，以及確定哪棵樹上的果實最多，以便採摘。迪昂與法國國家科學研究中心的語言學家皮埃爾·皮卡和同事一起，透過對巴西亞馬遜地區的蒙杜魯庫印第安人的研究，發現了更多關於這種本能能力的證據，蒙杜魯庫部落的數字詞彙非常初級。它的成年成員可以分辨出一組點是否比另一組點大，其表現幾乎與法國對照組一樣好，但大多數人無法回答從六個物體中移除四個物體後還剩下多少個物體。
這種近似系統是構建更復雜數學的基石。這些先天能力的任何缺陷都可能在以後造成麻煩。在 20 世紀 90 年代初，迪昂假設兒童在他們內部的棒球場估計系統的基礎上，隨著年齡的增長進行更復雜的計算。事實上，在過去的 10 年裡，許多研究發現，幼兒原始數字估計系統的功能受損可以預測孩子在小學及以後的算術和標準數學成績測試中表現不佳。迪昂說：“我們現在意識到，諸如算術之類的領域的學習必須建立在嬰兒期已經具備的某些核心知識之上。”
事實證明，計算障礙（相當於閱讀障礙的計算障礙），以計算技能滯後為標誌，影響著 3% 到 6% 的兒童。與閱讀障礙相比，計算障礙受到的教育工作者關注要少得多——但它可能同樣具有破壞性。《科學》雜誌 5 月下旬發表的一篇評論文章指出：“他們收入更少，消費更少，更可能生病，更可能觸犯法律，並且在學校需要更多幫助。”
與語言一樣，早期干預可能會有所幫助。迪昂和他的團隊設計了一個簡單的電腦遊戲，他們希望這款遊戲能夠提高數學能力。這款名為“數字競賽”的遊戲鍛鍊了四到八歲兒童的這些基本能力。在一個版本中，玩家必須在電腦控制的對手偷走最大一堆金幣之前，選擇兩堆金幣中較大的一堆。這款遊戲會自動適應玩家的技能，在更高的級別，孩子必須在進行比較以確定最大一堆金幣之前，對金幣進行加法或減法運算。如果孩子獲勝，她將向前邁進相當於剛剛贏得的金幣數量的步數。第一個到達虛擬遊戲板上最後一步的玩家獲勝。
這款開源軟體已被翻譯成八種語言，並沒有對大腦訓練的好處做出誇大的宣告。即便如此，已有超過 20,000 名教師從芬蘭一家政府支援的研究機構下載了該軟體。如今，它正在幾項對照研究中進行測試，以檢視它是否能預防計算障礙，以及是否能幫助健康兒童增強其基本的數字感。
控制自己
良好學習的認知基礎在很大程度上取決於心理學家所說的執行功能，這個術語涵蓋了諸如注意力集中、將剛剛看到或聽到的內容儲存在工作記憶的精神草稿紙中以及延遲滿足感等認知屬性。這些能力可以預測在學校甚至在工作領域取得成功。1972 年，斯坦福大學進行了一項著名的實驗——“這是一塊棉花糖，如果你在我回來之前不吃這塊，我再給你一塊”——這表明了執行功能的重要性。能夠等待的孩子，無論他們多麼想要這種零食，在學校和以後的生活中都表現得更好。
在過去的 10 年裡，專家們逐漸接受了將執行功能視為一種可教授的技能的觀點。一項名為“思維工具”的教育課程在一些低收入學區取得了成功，與高收入學區相比，這些學區的兒童通常在學業上表現不佳。該計劃訓練兒童抵制誘惑和干擾，並練習旨在增強工作記憶和靈活思維的任務。在一個自我調節任務的例子中，孩子可能會大聲告訴自己該怎麼做。這些技術可能非常強大，以至於在高等教育中心，經濟學家現在正在考慮公共政策措施來提高自我控制能力，以此作為“提高人口的身心健康和經濟健康以及降低犯罪率”的一種方式，一篇發表在 2 月份《美國國家科學院院刊》上的研究報告的作者指出。
神經科學實驗室的發現最近證實了這一觀點，並揭示了抵制隱喻性棉花糖的練習的枯燥乏味可能是不必要的。音樂訓練也可以奏效。與《虎媽戰歌》的觀點相呼應，他們發現勤奮地練習樂器可能會在課堂上獲得回報，這與“虎媽”作者蔡美兒的理由類似，她堅持讓女兒們花大量時間練習小提琴和鋼琴。練習樂器似乎可以提高注意力、工作記憶和自我控制能力。
提供這些發現的一些研究來自西北大學尼娜·克勞斯領導的一個神經科學家小組。克勞斯是該校聽覺神經科學實驗室的負責人，她在多元化的家庭聲音環境中長大。她的母親是一位古典音樂家，用她的母語義大利語與這位未來的神經科學家交談，克勞斯至今仍然彈鋼琴、吉他和鼓。她說：“我喜歡它——它是我生活的重要組成部分，”儘管她認為自己“只是一個蹩腳的音樂家”。
克勞斯使用腦電圖記錄來測量神經系統如何編碼音樂作品的音高、節奏和音色——以及練習音樂所產生的神經變化是否能改善認知能力。她的實驗室發現，音樂訓練可以增強工作記憶，也許最重要的是，可以使學生成為更好的傾聽者，使他們能夠從有時在課堂上普遍存在的眾人喧譁的氣氛中提取語音。
將音樂訓練作為大腦補品仍處於起步階段，關於究竟哪種型別的練習可以增強執行功能，仍有許多問題尚未解答：彈鋼琴還是吉他，或者音樂是由莫扎特還是披頭士創作的，重要嗎？至關重要的是，音樂課是否會對有學習困難或來自低收入學區的學生有所幫助？
但克勞斯指出，有軼事證據表明，音樂訓練的影響甚至延伸到了文化課。和諧計劃為洛杉磯的低收入青少年提供音樂教育。近年來，數十名學生高中畢業並繼續上大學，通常是他們家中第一個這樣做的人。
該計劃的創始人瑪格麗特·馬丁邀請克勞斯使用她的腦電圖感測器和聲音處理軟體的移動版本來測量音樂如何影響該計劃中的兒童。這位蹩腳的音樂家毫不掩飾地倡導吉他勝過大腦遊戲。克勞斯說：“如果學生必須在據稱可以提高記憶力的電腦遊戲和樂器之間選擇如何度過他們的時間，在我看來，毫無疑問，哪一個對神經系統更有益。”“如果你試圖複製吉他前奏，你必須把它記在腦子裡，並透過艱苦的練習一遍又一遍地嘗試重現它。”
炒作警報
隨著對“四個 R”（傳統的三個 R 以及衝動調節作為第四個 R）成功背後的腦機制的研究繼續進行，許多參與神經教育的科學家都在努力避免過度炒作他們正在測試的干預措施。他們渴望將他們的發現轉化為對兒童的實際幫助，但他們也很清楚，這項研究還有很長的路要走。他們也知道，教師和家長已經被大量未經測試的增強學習的產品所轟炸，並且一些備受吹捧的工具已被證明令人失望。
例如，幾年前，圍繞著僅僅聽莫扎特奏鳴曲就能讓嬰兒更聰明的觀點，一個小產業發展起來，但這種觀點未能經受住進一步的審查。克勞斯的研究表明，為了獲得任何益處，你必須實際演奏樂器，鍛鍊大腦的聽覺處理區域：你練習得越多，你區分聲音細微差別的能力就越強。僅僅聽是不夠的。
同樣，即使是一些聲稱對其有效性有可靠科學證據的大腦訓練技術也受到了質疑。《兒童心理學與精神病學雜誌》3 月刊發表的一項薈萃分析回顧了可能最著名的大腦訓練方法——由羅格斯大學的保拉·A·塔拉爾、加利福尼亞大學舊金山分校的邁克爾·默澤尼奇及其同事開發的名為 Fast ForWord 的軟體的研究。分析發現，沒有證據表明該軟體在幫助有語言或閱讀障礙的兒童方面有效。與塔拉爾的前博士後研究員貝納西奇使用的方法一樣，該軟體試圖改善可能導致學習問題的聲音處理缺陷。該薈萃分析引發了該軟體製造商 Scientific Learning 的強烈反駁，該公司聲稱選擇標準過於嚴格，分析中的大多數研究實施不力，並且該軟體自研究進行以來已得到改進。
陳詞濫調——需要更多的研究——廣泛適用於神經教育領域的許多努力。迪昂的數字遊戲在獲得廣泛接受之前仍需要進行微調。最近一項對照研究表明，該遊戲幫助兒童比較數字，儘管這一成就並未轉化為更好的計數或算術技能。正在釋出一個新版本，研究人員希望該版本能夠解決這些問題。另一項發現質疑音樂訓練是否能提高執行功能，從而提高智力。
在一個新興領域，一項研究常常與另一項研究相矛盾，緊隨其後的是第三項研究，反駁前兩項研究。這種曲折的軌跡是所有科學的基礎，有時會導致過度誇大的說法。在神經教育領域，教師和家長有時會成為“基於科學”的軟體和教育計劃廣告的受害者。新澤西州高地公園特殊教育機構中心學校的數學教師黛博拉·雷布洪說：“這令人困惑。這令人困惑。”該機構接收來自全州公立學校的學生。“我不知道該嘗試哪種方法。而且沒有足夠的證據可以向校長證明某種方法有效。”
學前微調
那些整天思考腦電圖波形和磁共振成像中的複雜數字模式的科學家們意識到，他們尚無法為改善學習提供明確的基於神經科學的處方。然而，這項工作正在引導人們展望可能的未來，也許是為了 Z 世代或其後代。考慮一下參與哈佛大學和馬薩諸塞理工學院合作專案的神經科學教授約翰·D·E·加布裡埃利的觀點。在 2009 年《科學》雜誌上發表的一篇評論文章中，加布裡埃利推測，最終，基於大腦的評估方法，結合傳統測試、家族史，甚至可能是基因測試，可以在六歲時檢測出閱讀問題，並允許進行密集的早期干預，這可能會消除學齡兒童中的許多閱讀障礙病例。
一項研究已經發現，幼兒園兒童的腦電圖比標準心理測量更能預測五年級學生的閱讀能力。透過進行腦部監測並結合標準方法，每個孩子都可以在入學前接受評估，如果需要，可以根據當今從神經科學實驗室湧現的發現，接受補救性培訓。如果加布裡埃利的願景成為現實，腦科學可能會賦予個性化教育的概念全新的意義——一種甚至在孩子踏入教室之前就增強學習能力的意義。