從死記硬背到舉一反三，北師大柳昀哲團(tuán)隊(duì)Cell論文：揭開(kāi)人類推理和學(xué)習(xí)能力隨年齡增長(zhǎng)而躍遷的神經(jīng)機(jī)制

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

從兒童到成人，隨著年齡的增長(zhǎng)，我們對(duì)世界的理解也在不斷加深。

起初，我們可能只是將事實(shí)當(dāng)作孤立的信息片段來(lái)記憶（例如，兒童時(shí)期我們知道蘋果是一種水果，知道紅色是一種顏色，但可能還無(wú)法在二者之間建立聯(lián)系）。隨著逐漸成熟，我們開(kāi)始了解概念本身，還能夠知道它們之間的聯(lián)系，從而形成一個(gè)更廣泛的知識(shí)地圖，這種逐漸形成的認(rèn)知結(jié)構(gòu)幫助我們擁有了強(qiáng)大的預(yù)測(cè)和推理能力，甚至能對(duì)從未見(jiàn)過(guò)的東西做出合理的推斷，此時(shí)，新知識(shí)將不再是被孤立記憶，而是被整合到已有的知識(shí)框架中，學(xué)習(xí)也從此變得高效。

這種結(jié)構(gòu)化的知識(shí)被稱為“認(rèn)知地圖”（Cognitive Map）或圖式（Schema），它在我們從童年到成年的成長(zhǎng)過(guò)程中經(jīng)歷了“智力進(jìn)化”，這是人類認(rèn)知的一個(gè)重要基礎(chǔ)，它不僅僅是知識(shí)量的積累，更是知識(shí)組織結(jié)構(gòu)的質(zhì)變，代表了從具體思維到抽象思維，從機(jī)械記憶到邏輯推理的飛躍。然而，其發(fā)展的神經(jīng)機(jī)制在很大程度上仍未被探索，這也是當(dāng)前認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的前沿和挑戰(zhàn)。

2026 年 3 月 25 日，北京師范大學(xué)心理學(xué)部認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室柳昀哲團(tuán)隊(duì)（博士生瞿宇堃為論文第一作者）在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Cell上發(fā)表了題為：Development of non-spatial grid-like neural codes tracks inference and intelligence 的研究論文。

這項(xiàng)覆蓋 8-25 歲人群的研究，首次從神經(jīng)生物學(xué)層面揭示了人類所具有的“舉一反三”能力的發(fā)育機(jī)制，系統(tǒng)揭示了大腦內(nèi)嗅皮層中的“類網(wǎng)格編碼”（Grid-cell-like code）隨著年齡增長(zhǎng)逐漸發(fā)展成熟，支撐抽象知識(shí)結(jié)構(gòu)的形成，并促進(jìn)推理能力與知識(shí)同化能力的提升。

認(rèn)知之謎

心理學(xué)家讓·皮亞杰曾提出，兒童認(rèn)知發(fā)展的關(guān)鍵不在于積累了多少知識(shí)，而在于能否將零散經(jīng)驗(yàn)組織成可遷移的“圖式”。但這一理論長(zhǎng)期缺乏直接的神經(jīng)生物學(xué)證據(jù)。

大腦內(nèi)嗅皮層（Entorhinal Cortex，EC）中的網(wǎng)格細(xì)胞（Grid Cell）是大腦中的“內(nèi)置 GPS”，當(dāng)動(dòng)物在空間中移動(dòng)時(shí)，這些細(xì)胞會(huì)形成規(guī)則的六邊形放電模式，為空間定位提供坐標(biāo)系，從而實(shí)現(xiàn)空間導(dǎo)航。2014 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)就授予了發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格細(xì)胞并揭示其功能的三位科學(xué)家。

更神奇的是，網(wǎng)格細(xì)胞的這一空間導(dǎo)航機(jī)制似乎并不局限于物理空間——它可能同樣適用于概念空間，參與了抽象概念知識(shí)的組織。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在這項(xiàng)新研究中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套精巧的“知識(shí)地圖”任務(wù)。參與者需要學(xué)習(xí) 25 個(gè)虛構(gòu)角色在“攻擊力”和“防御力”兩個(gè)維度上的相鄰關(guān)系，但他們并不知道這些角色實(shí)際上構(gòu)成了一張 5×5 的二維結(jié)構(gòu)圖。

在隨后的 fMRI 腦成像掃描中，參與者需要回答數(shù)百道從未直接見(jiàn)過(guò)的推理題。每道題都要求同時(shí)整合兩個(gè)維度的信息，這無(wú)法靠死記硬背完成——只有在大腦中自發(fā)建立起“知識(shí)地圖”的人才能正確推斷。

任務(wù)完成后，研究團(tuán)隊(duì)又引入四個(gè)新角色，測(cè)試參與者將其快速整合進(jìn)已有知識(shí)框架的能力。

核心發(fā)現(xiàn)

內(nèi)嗅皮層的“類網(wǎng)格編碼”隨年齡增強(qiáng)。研究團(tuán)隊(duì)顯示，年齡越大的參與者，推理正確率越高，同時(shí)其大腦內(nèi)嗅皮層的神經(jīng)活動(dòng)也呈現(xiàn)更強(qiáng)的六邊形周期性模式。這種“類網(wǎng)格編碼”（Grid-cell-like code）就像為抽象知識(shí)提供了地圖坐標(biāo)系，將零散的知識(shí)點(diǎn)定位在二維網(wǎng)格上。

內(nèi)側(cè)前額葉皮層（mPFC）編碼“關(guān)系距離”。如果說(shuō)內(nèi)嗅皮層提供了坐標(biāo)系，那么 mPFC 則像一名“高級(jí)信息編織工”，負(fù)責(zé)計(jì)算知識(shí)點(diǎn)之間的幾何距離，將孤立信息織入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)推理軌跡方向與內(nèi)嗅皮層估計(jì)的網(wǎng)格朝向“對(duì)齊”時(shí)，mPFC 的距離編碼顯著更強(qiáng)；未對(duì)齊時(shí)則減弱。

新舊知識(shí)無(wú)縫整合。當(dāng)新知識(shí)被引入時(shí)，內(nèi)嗅皮層的類網(wǎng)格編碼保持穩(wěn)定對(duì)齊，使新舊知識(shí)得以無(wú)縫整合。mPFC 則專門負(fù)責(zé)構(gòu)建新舊知識(shí)的連接，成為同化新知識(shí)能力持續(xù)發(fā)展的核心基礎(chǔ)。

與智力水平緊密相關(guān)。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，內(nèi)嗅皮層的類網(wǎng)格編碼與 mPFC 距離編碼可顯著預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)智力測(cè)驗(yàn)成績(jī)。這表明認(rèn)知地圖神經(jīng)表征的發(fā)育軌跡與一般智力水平密切相關(guān)。

發(fā)育軌跡

研究揭示了清晰的神經(jīng)發(fā)育軌跡：8 歲兒童已具備基本推理能力，但需要整合兩個(gè)維度沖突信息的題目對(duì)他們來(lái)說(shuō)仍具挑戰(zhàn)。

隨著年齡增長(zhǎng)，內(nèi)嗅皮層的類網(wǎng)格編碼逐漸增強(qiáng)，為抽象知識(shí)提供越來(lái)越穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)框架。同時(shí)，mPFC 的距離編碼也越來(lái)越精確，能夠更有效地組織知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。

最重要的是，在控制了記憶能力差異之后，年齡與推理能力的正相關(guān)關(guān)系依然顯著。這意味著，認(rèn)知能力的提升不僅源于知識(shí)積累，更源于知識(shí)組織方式的優(yōu)化。

未來(lái)展望

這項(xiàng)研究不僅從神經(jīng)生物學(xué)層面為讓·皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論提供了直接證據(jù)，還開(kāi)辟了多個(gè)新的研究方向。理解大腦如何構(gòu)建認(rèn)知地圖，不僅有助于開(kāi)發(fā)更有效的學(xué)習(xí)方法，還可能為認(rèn)知障礙疾病的診斷和治療提供新思路。隨著腦成像技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)或許能夠更精準(zhǔn)地評(píng)估個(gè)體的認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)育水平，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教育方案的定制。

此外，這項(xiàng)研究為教育實(shí)踐提供了重要的神經(jīng)科學(xué)依據(jù)。傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)注重知識(shí)點(diǎn)的機(jī)械記憶，而這項(xiàng)研究表明，培養(yǎng)兒童構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)的能力可能更為關(guān)鍵。

據(jù)悉，柳昀哲團(tuán)隊(duì)目前正持續(xù)推進(jìn)兩條交叉研究線路：一是結(jié)合 AI 技術(shù)，對(duì)兒童高級(jí)認(rèn)知能力的發(fā)展軌跡開(kāi)展縱向追蹤，推動(dòng)腦科學(xué)與 AI 賦能教育。二是以人類探索、歸因與規(guī)劃等高級(jí)認(rèn)知能力的發(fā)展規(guī)律為基礎(chǔ)，為具備真正主動(dòng)探索與泛化能力的AI 智能體研究提供認(rèn)知計(jì)算基礎(chǔ)。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(26)00266-7